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LC谐振式振动传感器设计及实现
摘要
本文在对各种硅微加速度传感器特点进行比较的基础上，选择了差分电容式硅微加速度传感器作为研究对象。在对其工作原理和相关制作工艺进行了阐述和研究之后，设计出了一种对称的“四梁－质量块”结构的差分电容式微加速度传感器。
本文介绍了利用LC 互感谐振原理来实现加速度信号的无线传输。用ANSYS有限元软件对加速度计的结构建立仿真模型。根据建立的差分电容式微加速度传感器的力学模型，利用有限元方法对其进行了静力学和动力学分析。最后，结合现有MEMS 工艺，给出了差分电容式硅微加速度传感器的结构尺寸、工艺流程。
关键词：MEMS，电容式加速度传感器，有限元分析，LC互感谐振传感器
LC resonant vibration sensor design and realization
Abstract
In the dissertation, series types of micro-Si acceleration sensors were compared and the differential capacitive one was chosen to be studied. After its principle and fabrication process related were expounded, a symmetric “four cantilever beams-mass” structure was designed, which is characterized by better linearity and sensitivity compared with the traditional deformable-membrane sensor.
Besides,it introduces the mutual inductance using LC resonance principle to achieve the wireless transmission of acceleration signal. Model of the accelerometer structure was established by ANSYS finite element software.After the mechanics model of the differential capacitive acceleration sensor was made, finite element method was used to simulate its behavior, both static and dynamic.Finally, based on the MEMS technology presented, the structural dimension, fabricating process were introduced.
Keywords: MEMS, the capacitance acceleration sensor, finite element analysis, LC mutual inductance resonant sensor
1 绪言 1
1.1 课题研究的背景及意义 (5)
1.2 国内外研究现状 (5)
1.3 本设计主要研究的内容 (6)
2 LC谐振式振动传感器的设计7
2.1 传感器整体设计思路 (3)
2.1.1 电容式传感器的常见检测电路 (3)
2.1.2 加速度信号传输的实现 (4)
2.1.3 振动信号远距离传输的实现 (4)
2.2 微机械加速度计的模型 (6)
2.2.1 微机械加速度计的力学模型 (6)
2.2.2 微机械加速度计的数学模型 (7)
2.3 微机械电容式加速度计与电容改变方式的原理 (7)
2.3.1 微机械电容式加速度计的工作原理 (7)
2.3.2 电容的改变方式与工作原理 (8)
2.4 LC 谐振式振动传感器设计 (14)
2.4.1 芯片材料的选择 (14)
2.4.2 电感的设计 (15)
2.4.3 电容的设计 (15)
2.4.4 悬臂梁结构设计 (17)
3 LC谐振式振动传感器的理论分析与计算 19
3.1 传感器的有限元建模与分析 (19)
3.2 “四梁－质量块”的静力学分析 (19)
3.3 “四梁－质量块”模态分析 (20)
3.4 “二梁－质量块”的静力学分析 (22)
3.5 “二梁－质量块”的模态分析 (19)
4 LC谐振式振动传感器的工艺流程25
4.1 加工所需关键工艺 (25)
4.1.1 光刻 (25)
4.1.2 薄膜淀积 (25)
4.1.3 离子注入 (26)
4.1.4 腐蚀 (26)
4.1.5 静电键合技术 (26)
4.1.6 合金 (26)
4．2 LC谐振式振动传感器工艺流程 (26)
4.3 传感器的封装 (30)
4.3.1 封装形式 (30)
4.3.2 封装中需要注意的问题 (30)
5 总结与展望 32
5.1 总结 (32)
5.2 展望 (32)
参考文献29
致谢 35
１绪言
1.1课题研究的背景及意义
随着硅微加工技术的不断成熟，硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位，小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向，其应用也已逐步扩展到了工业和航天技术等领域[1-2]。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求，微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配；对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。目前已发展了多种高温环境下使用的加速度传感器，但是整体效果并不理想，与国外相比我们的技术还差很多，缺少耐超高温（600℃以上）的传感器产品，而且稳定性较差。由于航空发动机结构复杂，传感器经常处于高温、高压、腐蚀等恶劣环境，能够满足上述要求的新型加速度传感器必须能耐高温、能用于发动机内部、能够有效防止油雾和电磁等环境干扰、能有长时间稳定工作的可靠性。其中高温测量技术是航空发动机测量的最关键技术之一，也是目前影响超高速飞行器及相关武器发展的瓶颈。高温环境下加速度测量技术不仅在航天领域急需解决，在工业、军事、发电等领域也有广泛的应用[3]。
本课题主要介绍了一种LC 谐振式加速度传感器的高温测量技术，以实现高温加速度测量为主要目标，以非接触无源信号传输测试技术为主要思路，以高温悬臂梁结构制备为关键技术，以温度——冲击——振动测试系统为基础平台，最终形成完整的基于LC 谐振原理的耐高温加速度传感器理论、设计、测试表征和结构制备技术体系，并通过热防护处理实现传感器的超高温测量目的。为核电、飞机引擎监测等实际应用中要求的超高温加速度测量需求打下坚实的理论和技术支撑。利用厚膜工艺和MEMS 技术探索传感器芯片的批量化生产技术，针对传感器材料的选择和装配结构的设计，提出了高温环境下加速度传感器设计方法。该方案的进一步实施有助于国内耐高温传感器产品的技术创新，有助于提高超高温环境下加速度测量的稳定性、便携性。
1.2国内外研究现状
传感器技术是一项快速发展的高新技术，它是新技术革命和信息社会的重要技术基础，已被许多工业发达国家列为国家科技和国防技术发展的重点内容。正是由于世界各国的普遍重视和投入开发，传感器技术发展速度非常迅猛。人们在利用先进电子技术提高现有传感器性能、降低其成本的同时，也在寻求传感器技术发展的新途径，研制开发
各种基于新原理、新材料、新工艺的高精度、微型集成化、智能化、数字化的新型传感器[4]。
自1987 年第四届国际固态传感器和执行器会议以来，由微加工技术与传统的传感器技术结合创立了微机械传感器和微执行器，开拓了微电子机械系统（MEMS）新领域。
20世纪60年代，MEMS技术就开始应用于压力传感器、压电加速度传感器等领域。直到1995年，微机电系统MEMS振动传感器在结构安全检测中还没有报道。基于结构安全检测的迫切需求，加速度计、压敏或电容感应原理得到了极大的关注。可是，高能耗和精密的微机械技术成为研究工作的明显障碍。当前广泛应用的微振动传感器中，大都是基于电容式或压电式的工作原理，传感器在工作中会产生电流或电压，因此无法用于电磁环境的振动监测。能否在恶劣的条件下测量振动参数的能力已经越来越受到关注[5-6]。针对此问题，在一些文献和报道中提出了一些光振动传感器，由于采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，因此可以在强电磁干扰下完成传统传感器难以完成的某些参量的测量。已报道的光振动传感器有光纤连接式的也有硅基集成式的。
微传感器是微电子机械系统的一个较大分支，也是今天最广泛使用的MEMS器件，它是目前最为成功且最具有实用性的微机电装置。而微振动传感器的研究一直是微传感器研究的一个重点。由于微振动传感器振动敏感芯片是微振动传感器发展水平的重要标志，因而微振动传感器振动敏感芯片的研究成为微振动传感器研究中最为活跃的部分。振动传感测试技术从上世纪初一直发展到今天，经过几代科学工作者几十年的不断探索与研究，正逐步走向完善，而相对应的传感测试方法与种类也在不断发展和成熟。
目前基于悬臂梁结构的先进传感器主要有4种：1．光纤悬臂梁式振动传感器；2．压阻式硅微型加速度传感器；3．基于MEMS技术的微电容加速度传感器；4．SiO2波导微光机械振动/加速度传感器。[7-8]
1.3本设计主要研究的内容
本文主要目标为设计LC谐振式振动传感器，介绍了加速度传感器、电容式微加速度传感器以及谐振式振动传感器的原理，给出了两个可行的谐振式振动传感结构方案。用ANSYS 软件对谐振式传感器进行了力学结构的设计和仿真，同时设计了所需要的工艺过程，对可选用的材料进行了讨论。该传感器采用LC耦合谐振原理实现传感器与检测电路之间的非接触式信号传输。
2LC 谐振式振动传感器的设计
2.1传感器整体设计思路
2.1.1电容式传感器的常见检测电路
在充分研究了电容式传感器原理及其检测电路的基础上，我们设计出LC 谐振式加速度传感器，其本质是在电容传感器的基础上添加一个电感元件。通过检测谐LC 振点来测试传感器受到的加速度变化，因此在介绍LC 谐振式传感器的设计原理之前，需要了解电容传感器的工作原理及其常见的几种检测电路。图 2.1 为设计的加速度传感器原理图。
图2.1 涂有环氧介质的极距变化型电容传感器
电容传感器的常用检测电路有交流电桥电路、运算放大式电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等，下面就几种对本设计有重要参考意义的两种电路进行介绍。
（1）谐振电路
谐振电路是电容式传感器的一种重要检测电路，原理图如图 2.2 所示。电容传感器的电容与电感、电感组成谐振回路。当传感器受到加速度影响发生变化时，电容值也发生变化，通过互感线圈耦合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。谐振回路的阻抗发生相应变化，并被转换成电压或电流输出，经过放大、检波即可得到输出。
图2.2 谐振电路原理框图
（2）调频电路
这种电路主要是将传感器电容、电感元件配合放大器组成一个振荡器谐振电路。该电路使用电路谐振原理，传感器的电容元件作为振荡器谐振回路的一部分。当被测物体发生位移变化使传感器电容量变化时，通过载波的方式将传感器信号（位移、加速度、
压力等）以调频的方式载波到高频载波信号上，调频振荡器的重要功能是提供载频信号，经过限幅、鉴频、放大等电路将信号输出。由于振荡器主要是受电容器的电容调制影响，实现了电容到频率的转换，因此称之为调频电路。
2.１.2加速度信号传输的实现
传感器的信号是通过高频载波的方式进行传播，也就是将所要传递的信号附加在高频振荡波形上。由于波长等于光速与频率的比值，频率越高，波长越短，一般电磁波波长是天线尺寸的倍数，因此使用高频信号可以减小天线（电感线圈）的尺寸，从而提高传感器的集成度。加速度信号是以载波的形式调制到高频波中，载波一般包括调频和调幅两种方式。需要注意的是载波信号需要使用高频信号，而调制信号必须是相对的低频，这样才能保证传输信号的准确性。
2.１.3振动信号远距离传输的实现
（1）互感原理
振动信号的非接触式传输使用线圈的互感原理如图 2.3，在线圈的附近放置另一个线圈，当线圈中的电流发生变化时，能在线圈中产生感应电动势的现象叫做互感现象。同样，线圈电流的变化又可以反过来影响的电势。利用互感原理，当次级回路中容值变化时，初级回路的干路电流随之变化，因此电路的干路电流也会随之改变。
图2.3 传感器耦合信号传输原理
(2.1)
本设计中主要考虑的是对的反作用，即传感器电路在靠近线圈时会对初级回路产生什么影响，以及如何测量这一变化。
（2）LC 谐振原理
本文的传感器在设计上主要利用了LC 互感谐振原理。通过扫频电路检测次级线圈的谐振点，当传感器达到谐振时，并联谐振电路的阻抗最大，进而计算出加速度的值。因此本文设计的传感器也可称为互感耦合双谐振式传感器。如图 2.4 所示。R 为干路的总阻抗，包括电感阻抗、电容阻抗，为电压源电压，ω 为电源角频率。电路的输入阻抗为
Z=|Z|(2.2)
，可以得到输入阻抗的模和幅角分别为
若令Xω
ω
Z（ω
）(2.3)
ω
ω
ω(2.4) 由式（2.4）可见，当X=ωL-1/ωC=0 时，即有 =0。此时我们就说电路发生了谐振。干路电流为
(2.5)
I
ω
ω
当达到谐振点，电路的电流最大，因此发射的电磁波功率最大，从而可以实现远距离的信号无线传输。
图2.4 串联谐振电路
（3）互感耦合双谐振电路的调谐方法
为了获得较理想的非接触信号传输效果，发射电路使用串联谐振，而接收电路使用并联谐振。由于两个线圈回路中都具有L 和C，因此两个回路都能发生谐振，且谐振频率一致，故称为互感耦合双谐振回路，如图2.5。
图2.5 双谐振原理图
2.2微机械加速度计的模型
2.2.1微机械加速度计的力学模型
微机械加速度传感器一般由敏感质量块m 借助于一个或多个弹性元件附于固定支架上[9]。依据动力学原理，微机械加速度传感器经典力学模型可等效为图 2.6 所示的质量-弹簧-阻尼器力学系统。这是一个典型的二阶连续时间系统。此模型中，弹簧相当于微机械加速度传感器的悬臂梁，其有效弹簧常数（即刚度系数）为k ；气体阻尼系数为D；m 为敏感质量块的质量。当质量m 受到一静态加速度a 时，可等效为一反方向的惯性力F（F = ma）作用于该质量上，同时，由于惯性力F 使质量块产生运动位移x，导致弹性梁弯曲，生成方向相反的弹簧力（=kx）。当惯性力F与弹簧力相等时，将质量块拉回并达到平衡位置，系统恢复到平衡状态。因此有稳态方程式F =，则质量块产生的位移为：
(2.6)
图2.6 加速度计经典力学模型
2.2.2 微机械加速度计的数学模型
若设敏感质量块m 感受到的加速度为a ，在惯性力作用下产生的相对于支架的位移为x ，由此可得惯性敏感质量m 的二阶动态微分方程为：
(2.7)
令a=K ω y(t)，换算成为二阶系统的线性动态微分方程的一般形式为：
ω
ω ω
(2.8)
ω
,
ω
,Q=
ω
(2.9)
式中，y(t)为输入，x(t)为输出， 为系统阻尼比，ω 为无阻尼自然频率、折转频率或系统带宽（ω , 以Hz 为单位），K 为一个系数因子。由此可导出二阶系统传递函数为
2
22)()()(s s s K
s Y s X s H ωδ++==
(2.10) 式中s 为拉普拉斯变换的复变量，令s=j ω，则可导出系统的频响函数如下： ω ω
ω
ω
ω ω ω ω
(2.11)
令式中的分母为零即可解出系统的两个极点如下：
ω ω
ω ω
(2.12)
一般物理可实现系统的阻尼 和带宽ω 均大于零，当 0 < <1时，系统称为欠阻尼；当 =1时称为临界阻尼；当 >1时称为过阻尼。 2.3 微机械电容式加速度计与电容改变方式的原理 2.3.1 微机械电容式加速度计的工作原理
微机械电容式加速度计在进行加速度测量时，是通过检测电容的变化来进行加速度检测的。一般首先把加速度信号转化为位移信号，但由于输出位移太小，需要转换为电容变化信号，再把电容变化信号放大滤波并进行同步解调转化为直流电压输出，这种通过电信号间接测量加速度信号的方法，既避免了直接获取加速度信号的困难，又有利于通过电信号实现加速度的高精度测量。
但由于微机械尺寸很小，所以形成的位移和电容量都非常微弱。若敏感质量与固定
电极只形成单边电容结构，则受环境干扰影响太大，得不到较高的精度。为提高精度，最重要的措施就是采用差动电容测量方式。差动测量的两个电容，由于在相同的环境下受到的外界干扰躁声基本一样，所以可以通过相减消除或抑制共模的环境变化因素影响，把绝大部分干扰躁声排除掉，可以大幅提高信躁比，所以电容式微机械加速度计广泛采用差动电容结构[10]。
一般，加速度传感器由三部分组成：一是弹性敏感元件，它将外界的加速度转换成机械变形量（如应力、应变等）；二是实现电参数测量的元件，即将机械变形量转化为电阻、电容、电感等的变化量，然后通过检测电参数的变化量来实现对加速度的测量；三是壳体及辅助结构。本文所提出的差分电容式微加速度传感器的结构。如图2.7所示
图2.7 传感器的主视图和俯视图
该传感器采用三明治结构。中间部分为单晶硅制作的传感器芯片，上下夹层为Pyrex 玻璃，并在真空条件下使用阳极键合技术将其封装在一起[11-13]。传感器的弹性敏感元件为对称的“四梁－质量块”结构，通过中间质量块对加速度的敏感性，将外界的加速度信号转换成质量块的位移量，质量块相对上下极板间的距离将发生变化，致使一个电容值增加，另一个电容值减小。通过检测电容量的变化来实现对加速度值的测量。由于采用了对称结构，消除了横向效应的影响。而且四悬臂梁结构在质量产生位移时，基本上只有四个梁产生弯曲变形，质量块基本上保持不变，从而消除了电容动极板各点位移量不同所引起的输出非线性问题。
2.3.2电容的改变方式与工作原理
由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，当假定电容极板间隙远远小于极板边长时，可以不考虑其边缘效应，其电容的近似计算公式为：
C=(2.13) 其中，为两个极板介质的介电常数，S 为两个极板相对有效面积，d 为两个极板间的距离。由公式可知，改变电容C 的方法有三种，其一为改变两个极板间的间距d ；其二为改变形成电容的有效面积S ；其三为改变介质的介电常数。通过改变极板间的间距而改变电容进行加速度测量的称为变极距式电容加速度传感器。
图2.8 间距改变电容
图 2.8是变极距型电容的结构示意图。图中1、2 为固定极板，3 为质量块形成的可动极板，介质的介电常数为，极板间的有效面积为S ，为初始平衡状态下可动极板与固定电极的间距（简称极距），其位移变化是由输入加速度引起的。极板2、3 和1、3 之间分别形成差动电容、（= == /S）。当可动极板 3 受到向左的加速度a 时，可以等效为受到一向右的惯性力F ，导致质量块产生向右的位移x，极距发生如下变化：
,(2.14) 从而引起差动电容发生变化：
=(2.15) 对上式进行泰勒级数展开可得：
(2.16) 同理：=(2.17)
(2.18) 因此该结构的电容增量为：
(2.19) 该式说明与x不是线性关系。但当x,略去高阶小项，可得
(2.20) 由式可认为在x很小时，ΔC 与x是线性的。该式表明，敏感质量由于加速度造成的微小位移x可以转化为差动电容的变化Δ C ，而且两电容的差值Δ C与位移量x成正比。根据式（2.20），可以得到变极距型电容加速度计输入加速度a与双边电容变化量ΔC 的关系为：
(2.21)
ω
因此不同的加速度输入就对应不同的电容变化，只要把电容的变化通过测量电路转换成输出电压信号，就可以用来表征被测加速度的大小。
敏感电容的加速度输入灵敏度为：
(2.22)
ω
由式（2.20）可见该种加速度计的灵敏度与固有频率ω、标称电容大小以及电容初始间距有关。敏感质量越大，弹性刚度越小，标称电容越大，极距越小，则其灵敏度也就越高。
2.4 LC 谐振式振动传感器设计
2.4.1芯片材料的选择
SiC材料是典型的第三代半导体材料，由于原子键合能强，具有非常高的机械强度，良好的温度稳定性和弹性性能，这使得它成为高可靠性MEMS器件、耐高温传感器件的最好材料[14]。SiC的弹性参数和断裂韧度都具有非常高的值。表2.1中是集中常见的半导体材料特性参数对比。从中可以看出SiC具有极高的熔点。而从传统的工程应用来看，SiC材料常用作高温环境下的轴承材料，在其升华之前的温度下都具有非常好的机械性能。
表2.1 几种常见半导体材料的特性参数对比
2.4.2电感的设计
厚膜技术可以很容易地制造出微型电阻、电容和电感。用于高频的片上电感一般为螺旋结构，如图2.9所示为设计的螺旋形电感的单元版图。使用Protel DXP 软件绘制螺旋线，电感直径5mm，线宽0.2mm 线圈总匝数为 4 圈，为了增加电感的匝数，而又不能使电感的总尺寸太大而影响最终传感器尺寸，可以做多层掩模结构。
图2.9 平面螺旋电感
为了研究最佳的电感结构以及确定传感器的谐振点，需要精确地计算出电感线圈的感抗，常用到的比较准确的计算方法是Gleason 方程，对于平面环形螺旋电感来说电感系数L 可以用下式估算为
(2.23)
其中A=（线圈外径+线圈内径）/4，单位是 m，C=（线圈外径-线圈内径）/2，N 是线圈的匝数。
我们制作了内径20mm外径40mm匝数为10，理论电感值为4000nH。
2.4.3电容的设计
电容传感器元件采用MEMS 工艺制造，其原理是，当传感器受到加速度作用时，
质量块会受惯性力影响，由于质量块的内表面具有导电层，与电感线圈中心的圆片组成一个电容，当电容两极板之间间距发生变化，电容值也随之变化，由于电感值是恒定不变的，因此LC 回路的谐振频率发生变化，由检测电路检测这一变化，经调理电路输出加速度信号，如图2.10。
图2.10 电容传感器的原理
两极板间的电容计算公式为
(2.24)
空气的介电常数可以近似为1，所以式（2.24）可以化简为
(2.25)
根据平板电容关系式可知加速度载荷引起的极板间距 d 的变化必然会使电容 C 发生相应的变化。如果 1减少△ 1，则电容 C 将会有相应的增量△C,因此电容值变为
(2.26)
Δ
Δ
电容的相对变化为
Δ (2.27)
ΔΔ
Δ
其中N=(2.28) 当A<<1时，可以分解为
Δ(2.29) 高次项对数据结果影响很小，如果忽略公式中的高次项，可以简化为
Δ(2.30) 由式（2.30）可以看出，N 是影响灵敏度和线性的一个系数。N 的大小取决于介电层的厚度比和固体介质的介电常数。如果把厚度比作为变量，N 作为参变量，由以上
分析可以看出N 将随着的增大而增大，选用合适的固定介质的厚度和介电常数，可以得到最佳的线性和高灵敏度。考虑到电感线圈的内径的限制，我们把电容极板的半径设计在9mm，以此为模型，得到电容的初始值约为11.26pF，假设施加1个大气压，可以计算得到电容值变化到15pF。
2.4.4 悬臂梁结构设计
本文中的传感器设计变量为：梁的长度（l），梁的宽度（W），梁的厚度（），质量块的宽度（B），质量块的长度（L），质量块的厚度（）。
对四梁中的两个梁构成了一个双悬臂梁结构，对沿y 方向的加速度为 a 作用时进行分析，其受力变形如图 2.11 所示。当悬臂梁自由端的质量块敏感外界加速度作用时，将其感受到的加速度转变成惯性力，使悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，压阻元件上产生的应变为，扩散电阻条的值发生变化，使电桥失去平衡，从而输出与外界加速度成正比的电压值。
图 2.11 双悬臂梁加速度传感器结构图
传感器在加速度 a 作用下产生的惯性力为：F = ma/2 (2.31) 悬臂梁根部所受到的应力为：
(2.32)
式中m －质量块的质量（kg ）；a－加速度（g ）；－梁的厚度（m ）；l －支撑梁的长度（m ）；x－压阻元件距梁根部的距离（m ）；－梁截面的惯性矩。
对于矩形截面的梁有：
/12 (2.33) 其中W －梁的宽度；H －梁中间挖空的宽度。
悬臂梁根部所受到的应变为：
(2.34)
根据悬臂梁根部所能承受的最大应变，可以计算出相应的最大作用力为：
(2.35)
此时双悬臂梁自由端的挠度y 为：
(2.36)
传感器的结构灵敏度为单位加速度作用下质量块的位移：
=||/a=(2.37) 梁可以近似为单自由度振动的系统，传感器的固有频率：
(2.38)
在微传感器制作中，总是希望在微机械加工所达到的技术水平范围内，尽可能缩小传感器尺寸，然而又确保传感器有足够高的灵敏度、线性度和频率特性[15]，灵敏度决定器件的输出特性。若不考虑阻尼，器件的使用频带由结构的固有频率决定。增加梁长度和减小梁厚度是提高传感器灵敏度的有效手段，但是增加梁长度与减小传感器单元尺寸，提高固有频率和集成度相矛盾，减小梁厚度与降低工艺难度相矛盾，因此必须权衡考虑。由式（2.37）可知，支撑梁厚度并不是影响灵敏度的主要因素，因此在对梁结构尺寸有要求的场合下，可以适当改变梁宽度，而不至于对灵敏度有太大的影响。
3 LC 谐振式振动传感器的理论分析与计算
近年来由于电子计算机的应用和计算方法的新进展，有限元分析方法已被广泛用于工程领域。由于微加速度传感器的高度集成化、结构尺寸小以及加工工艺对结构的限制，使得其设计成为一项复杂的任务。本章将利用有限元软件 ANSYS 对所提出的微电容式加速度传感器进行理论分析与计算[16-17]。 3.1 传感器的有限元建模与分析
本章采用有限元软件 ANSYS 对差分电容式微加速度传感器的力学特性进行分析。如图3.1分别为四梁和二梁的敏感结构。
图3.1 四梁和二梁的加速度计敏感结构
3.2 “四梁－质量块”的静力学分析
最终确定结构参数如表3.1所示：
表3.1 “四梁－质量块”的参数
梁长 质量块长 质量块宽350 m
1300 m
1300 m 为了准确模拟微电容式加速度传感器的工作原理，采用了有限元分析软件 ANSYS 12.0 对传感器进行了力学特性分析。分析采用的单元为 SOLID45；分析采用的材料为碳化硅。参数如下表：
表3.2 SiC 的材料参数 ( m - N -kg)
通过计算，得出理其论值如表3.3：
X
Y Z
MAY 13 2013
15:44:45
X
Y
Z
MAY 22 2013
17:33:44
表3.3 “四梁－质量块”的理论值
经过 ANSYS 仿真的结果：
图3.2 该结构下的应力云图和位移云图
可以通过 ANSYS 通用后处理器查看分析结果。这里通过显示等效应（V onMises stress ）等直线判断各个参数对结构的影响，分析结构各部位的应力分布情况，如图 3.2 所示。X 方向最大应力SMX=1.067MPa ，而碳化硅的断裂韧度为3.3MPa ，从而可知满足要求。
3.3 “四梁－质量块”模态分析
微电容式加速度传感器本身是一个质量－弹性梁系统，在外界加速度作用下振子发生振动，应用模态分析的理论对结构进行动态特性的分析，了解频率响应对加速度传感器特性的影响。在结构设计时应使系统的频响范围足够宽，而结构的谐振频率是影响频响范围的重要因素。利用 ANSYS 软件中有限元模态分析的方法能够计算出该结构的谐振频率和模态振型。
MN
MX
X
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.23704.35556.47408.5926.711119MAY 22 2013
17:22:39
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.463E-03.695E-03.926E-03.001158.001389MAY 22 2013
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LC谐振放大器（D题） 目录 摘要 (2) 一、方案论证与比较 (3) 1、总体设计方案 (3) 2、衰减器部分方案与选择 (3) 3、LC谐振选频网络 (3) 4、AGC自动增益控制 (4) 二、硬件单元电路部分 (4) 1、固定衰减器 (4) 2、LC谐振 (4) 3、固定增益放大 (5) 4、AGC可控增益放大 (5) 三、理论分析与计算 (6) 1、LC谐振部分参数 (6) 2、系统总增益 (6) 3、带宽与矩形系数 (7) 四、测试方案与测试结果及分析 (7) 1、调试与测试所用仪器 (7)
2、测试条件` (7) 3、测试方法、测试数据及测试结果分析 (7) 五、总结 (9) 六、参考文献 (9) 七、附录 (10) LC谐振放大器（D题） 摘要 本系统以硬件电路为主体，主要由双π衰减电路、LC谐振放大电路、固定增益模块、AGC自动增益控制模块组成。双π衰减电路作为衰减器部分完成 =15MHz为中心频率，带40 2dB的衰减量；LC谐振放大电路主要是选出以f 宽为300kHz的频带；固定增益模块实现一定的增益以保证电路有大于等于40dB 的固定增益；AGC自动增益控制模块实现大于40dB的控制范围。整个系统在低压、低功耗的条件下实现高频小信号的传输，放大器增益大于80dB，且在最大增益情况下尽可能减小矩形系数K 。 1.0r 关键词：双π衰减电路；LC谐振放大；AGC自动增益控制；
一、方案论证与比较 1、总体设计方案 本系统设计完全由硬件电路实现，具体框图如图1-1所示： 2、衰减器部分方案与选择 方案一、采用现成的集成产品衰减器。此方案不合本课题宗旨，故不采用。 方案二、采用有源衰减电路。采用高频带运算放大器（如OPA642）搭建反向衰减电路，合理选择电阻阻值使其衰减倍数为40dB 。但由于题目要求衰减器部分特性阻抗为50Ω，用运放搭建该衰减电路难以实现。 方案三、采用无源衰减网络。该部分由纯电阻搭建，有两种基本电路模型T 型、Π型网络。 如上图（a ）为T 型网络，（b ）为Π型网络。若衰减器的电压衰减倍数N=(2 1U U ) 和特性阻抗给定，则元件参数可由（2-1）式或（2-1）式决定。 对T 型网络有 R 1=N Z 21N * 2 c - 1 1* c 2-+=N N Z R （2-1） 对Π型网络有 R 1=1 1-N * c +N Z 1 2* 2 c 2-=N N Z R （2-2） 通常这种无源衰减网络接于信号源与负载之间，这种由纯电阻元件组成的四 端网络，其特性阻抗、衰减值都是与频率无关的常数，相移等于零。 综上，我们选择方案三，搭建一个双Π型网络。 3、LC 谐振选频网络 方案一、采用单级调谐放大器，即单级LC 谐振网络。
前言 (1) 1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2) 1.1工作原理 (2) 1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2) 2高频压控振荡器电路设计 (4) 2.1设计的资料及设备 (4) 2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4) 2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (4) 2.4实验电路的基本参数 (5) 2.5实验电路原理图 (6) 3高频压控振荡器电路的仿真 (7) 3.1M ULTISIM软件简介 (7) 3.2M ULTISIM界面介绍 (8) 3.2.1电路仿真图 (9) 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (9) 3.3典型点的频谱图 (9) 4高频压控振荡器电路实现与分析 (16) 4.1实验电路连接 (16) 4.2实验步骤 (16) 4.3实验注意事项 (18) 4.4硬件测试 (19) 5心得体会 (21) 参考文献 (22)
压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。 压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。 压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。在这段历史当中。VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。 对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。
年全国电子设计大赛d题 l c谐振放大器设计报告 Prepared on 22 November 2020
全国电子设计大赛 LC谐振放大器 方案设计报告 2011-9-3 课题名称：LC谐振放大器 指导老师：孙继昌 小组成员：朱培军，赵磊，蔡翔 目录 摘要 (3) Abstract (3) 一、系统方案 (5) 1、整体方案的论证与比较 (5) 2、系统设计方案 (6) 二、设计与论证 (6) 1、理论分析 (6) 三、单元电路的分析 (10) 1、系统组成 (10) 2、衰减器模块的设计 (11) 3、“高感磁芯”选频模块的设计 (12) 4、运放级联放大模块的设计 (13) 四、系统测试 (14) 1、使用的仪器和设备 (14)
五、过程中遇到的困难和注意事项 (14) 六、参考文献 (15) 附录（元件清单、电路图） (16) 摘要 本文采用自制的电源对系统供电，系统经过衰减器后，输入信号通过“高感磁芯”（具有高品质因数）构成的选频网络选择出符合题目要求的频率（15MHZ）与带宽（300KHZ），且此选频网络对信号有一定的放大作用；再将得到的信号经过双运放OPA2354正向放大接入以达到放大60DB 以上的指标。 完成以上基本要求后就是对发挥部分的操作（此题发挥部分基本上为对几根要求部分指标的提高）；在设计系统时满足LC谐振放大器低压、低功耗。 关键字：衰减器、选频网络、LC谐振、高品质因数、低压、低功耗 Abstract In this paper, homemade power supply system, the system through the attenuator, the input signal through the “high sense of core”(high quality factor) consisting of frequency-selective network choose topics that meet the requirements of frequency (15MHZ) and bandwidth (300KHZ), and this election has a certain frequency network signal amplification; then get the signal through the OPA2354 dual op amp in order to achieve positive amplification amplified 60DB access more indicators.
高频电子线路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器的设计 2014年1月10日
目录 一、设计任务与要求 (1) 二、设计方案 (1) 2.1电感反馈式三端振荡器 (1) 2.2电容反馈式三端振荡器 (2) 2.3克拉波电路振荡器 (3) 2.4西勒电路振荡器 (4) 三、设计内容 (5) 3.1LC振荡器的基本工作原理................................................ . (5) 3.2西勒电路原理图及分析 (6) 3.2.1振荡原理 (7) 3.2.2静态工作点的设置 (7) 3.3西勒振荡器原理图 (8) 3.4 仿真结果与分析 (8) 3.4.1软件简介 (8) 3.4.2进行仿真 (9) 3.4.3仿真结果分析 (11) 四、总结 (11) 五、主要参考文献 (13)
一、设计任务与要求 在本课程设计中，为了熟悉《高频电子线路》课程，着眼于LC正弦波振荡器的分析和研究。通过对电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）、电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析、对比和讨论，以达到课程设计的目的和要求。在课程设计中，为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。 本课程设计中要求设计的正弦波振荡器能够输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为10~20MHz。本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。但通过仿真得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。 二、设计方案 通过对高频电子线路相关知识的学习，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）等。其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。由所学知识可知，西勒电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。 下面对几种振荡器进行分析论证： 2.1电感反馈式三端振荡器 电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图所示:
LC谐振放大器设计报告 （D题） 内容摘要： 本文介绍了LC谐振放大器的设计原理，分析了有可能影响LC 谐振放大器的因素以及采取的针对性措施。在此设计中我们运用衰减器来减小输入电压的值进而方便了放大器电路的测量。中周电感和聚酯电容来提取频率为15MHz的波。用三极管来放大电路，并使用其他措施来减小电路误差。整个系统的-3dB带宽为300kHz。在较低的外部电压下，放大器电路的整体功耗很小。 关键词：LC谐振放大器衰减器中周电感 第一章绪论 1.1：设计任务 设计并制作一台LC谐振放大器。设计的大体示意图如下所示：
1.2：设计要求 1.2.1：基本要求 （1）衰减器指标：衰减量40±2dB，特性阻抗50Ω，频带与放大器相适应。 （2）放大器指标： (a）谐振频率：f0=15MHz；允许偏差±100KHz； (b）增益：不小于60dB； (c）-3dB带宽：2Δf0.7=300KHz；带内波动不大于2dB； (d）输入电阻：Rin=50Ω； (e）失真：负载电阻为200Ω，输出电压1v时，波形无明显失真。（3）放大器使用3.6v稳压电源供电（电源自备）。最大不允许超过360mW， 尽可能减小功耗。 1.2.2：发挥部分 （1）在-3dB 带宽不变条件下，提高放大器增益到大于等于80dB。（2）在最大增益情况下，尽可能减小矩形系数Kr0.1。
（3）设计一个自动增益控制（AGC）电路。AGC控制范围大于40dB。AGC控制范围为20lg(Vomin/Vimin)-20lg(Vomax/Vimax) (dB)。（4）其他。 附录：图二是LC谐振放大器的特性曲线，矩形系数Kr0.1=2Δf0.1/2Δf0.7 第二章方案的比较与论证 本系统主要有以下几个模块：自制电源衰减器LC谐振放大器等三大功能模块。 2.1自制电源模块： 方案一：线性稳压源。采用效率较高的串联电路，尤其是采用集成三端稳压器，输出电压波纹小，可靠性高，性价比高。可为后面的谐振放大电路提供不失真保障。 方案二：开关稳压电源。此方案效率高，但电路复杂，开关稳压
高频电子线路课程设计报告设计题目：高频正弦信号发生器 2015年 1月 6 日
目录 一、设计任务与要求 (1) 二、设计方案 (1) 2.1电感反馈式三端振荡器 (2) 2.2电容反馈式三端振荡器 (2) 2.3克拉波电路振荡器 (6) 三、设计内容 (8) 3.1LC振荡器的基本工作原理 (8) 3.2克拉泼电路原理图 (9) 3.2.1振荡原理 (9) 3.3克拉泼振荡器仿真 (10) 3.4.1软件简介 (10) 3.4.2进行仿真 (10) 3.4.3电容参数改变对波形的影响 (11) 四、总结 (17) 五、主要参考文献 (18) 六、附录.................................................................................... .. (18)
一、设计任务与要求 为了熟悉《高频电子线路》课程中所学到的知识，在本课程设计中，我和队友（石鹏涛、甘文鹏）对LC正弦波振荡器进行了分析和研究。通过对几种常见的振荡器（电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器、改进型电容反馈式振荡器）进行分析论证，我们最终选择了克拉泼振荡器。 在本次课程设计中，设计要求产生10～20Mhz的振荡频率。振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我们选用的仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。 最后我们利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，如改变电容的参数，分析对电路产生的影响等，再考虑输出频率和振幅的稳定性，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。 二：设计方案 通过学习高频电子线路的相关知识，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路）等。通过老师所讲和查阅相关资料可知，克拉泼振荡电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用改进型电容反馈式--克拉泼电路振荡器。 下面对几种振荡器进行分析论证： 2.1电感反馈式三端振荡器
2011年全国大学生电子设计竞赛 设计报告 题目：LC谐振放大器 (D题) 队号：512077
LC 谐振放大器 摘要：本系统以高频小信号LC 谐振放大电路为核心，设计制作了振荡频率为15MHz 的谐振放大器。系统第一部分输入信号通过π型电阻网络衰减电路实现信号衰减dB 240±的功能，同时完成电路阻抗匹配，使信号能够很好的传给下一级放大电路。综合考虑功耗、通频带、选择性噪声影响及工作稳定等因素，第二部分设计了两级高频小信号单调谐放大电路相串联来完成60dB 的放大。每级高频小信号放大电路均采用分立元件搭建而成，使用三极管S9018作为高频放大管，谐振负载采用LC 并联谐振回路。通过各个模块间的配合使用，实现了谐振频率达15MHz ，上下偏差不超过100KHz ，并且系统带宽为KHz f 30027.0=?，带内波动不大于dB 2，同时又降低了整个系统的成本及提高了系统的可实现性。总的来说，本系统基本符合指标的要求。 关键词：衰减器 谐振回路 高级小信号放大 阻抗匹配
目录 一、系统方案论证 (4) 1、衰减器方案论证 (4) 2、LC谐振放大器方案论证 (4) 二、理论分析与计算 (4) 三、电路设计 (5) 1、衰减电路设计 (5) 2、LC谐振放大电路设计 (6) 四、系统测试 (7) 1、放大性能测试 (7) 2、通频带测试 (8) 3、矩形系数 (9) 4衰减电路测试 (10) 五、总结 (10)
一、系统方案论证 经过仔细地分析和论证，根据题目要求，将本次谐振放大器由分为两大部分：即衰减电路和LC 谐振放大电路。 1、衰减器方案论证 方案一：采用集成运放构成有源衰减器，但这种衰减器输出容易产生超调或振荡现象，这种衰减器用常于自动增益和斜率控制电路中，电路比较复杂，不容易实现。 方案二：采用π型电阻网络衰减器，这种衰减器又称为无源衰减器。利用这种衰减电路不仅可以对信号进行准确衰减而且还能进行阻抗匹配，从而提高测量准确度。π型衰减器可以在规定的频率范围内实现较理想阻抗变换而且π型衰减器尺寸小、成本低、功耗低、电路简单、易于实现等诸多优点。因此在本设计中，我们选择π型衰减器。 2、LC 谐振放大器方案论证 方案一：直接利用集成运算放大器构成高频谐振放大器对信号进行放大。这种放大电路具有体积小，电路结构简单等优点，但它对器件依赖性强，信号保真度差，而且价格昂贵，更为重要的是使用运放芯片后会大大提高电路的功耗，所以本设计不选择该方案。 方案二：利用分立元器件搭成高频小信号LC 谐振放大电路。采用S9018三极管作为高频放大管，LC 并联谐振回路作为谐振负载。考虑到放大倍数和通频带等因素，采用两级放大相串联的形式，每级放大35dB 。从放大器选择性的角度来看单谐回路的选择性不如双调谐回路，但是双调谐回路的调整相对比较麻烦，因此谐振负载仍采用单调谐回路。该种方案不仅价格便宜，电路简单，而且对于电路的调节也相对方便，因此我们选择方案二。 系统的总体框图如图1所示。 图1 系统总体框图 二、理论分析与计算 按基本要求增益需要达到60dB ，因此增益部分采用两级串联放大。每级放大电路均使用单谐振回路谐振放大电路的典型接法，其中采用9018作为高频放大管。该放大电路的静态工作点主要由2R 、2W R 、3R 、6R 和CC V 确定，利用这种分压偏置方式可以很好的稳定工作点。对于小信号高频放大，为防止出现在波
LC谐振放大器 摘要 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一，通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，而且通信距离越远，要求输出功率越大。所以为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。由于高频功率放大器的工作频率高，相对频带窄，所以一般采用选频网络作为负载回路。 本次设计先是对高频功率放大器有关理论知识作了一些简要的介绍，然后在性能指标分析基础上进行单元电路设计，最后设计出整体电路图，在软件中仿真验证是否达到技术要求，对仿真结果进行分析，最后焊接并调试电路。 关键词：高频谐振功率放大器谐振回路耦合回路工作状态
Abstract High frequency power amplifier is an important part of the equipment to send one of communication, circuit, in order to make up for in process of wireless transmission signal attenuation requirements with greater transmitter output power and communications, the farther the distance, the greater the output power requirements. So in order to get enough high frequency output power, must use high frequency power amplifier. Due to the high frequency power amplifier high frequency band, relatively narrow, so the general use of the web as a load circuit choose frequency. The first design of the high frequency power amplifier theory knowledge about some briefly introduced, and then the performance index analysis in based on the circuit design, and in the end the design unit circuit diagram, a whole in software simulation verify whether attain the technical requirements of the simulation results on analysis, the final installation and debugging circuit circuit. Keywords：High-frequency resonant power amplifier Resonant circuit Coupling Loop Working condition
2011年全国大学生电子设计竞赛 LC谐振放大器（D题） 【本科组】 吴诚志 王慎波 郑雷鸣 2011年9月3日
摘要 本文主要论述了基于2N2222A三极管的LC谐振放大器的具体设计与实现，信号通过T型电阻网络实现阻抗匹配，并进行衰减以便于检测。然后将输出信号送给选频网络进行选频，LC谐振放大电路对信号进行高增益放大并输出信号。该放大器能够对高频小信号进行1000倍以上的放大，中心频率为15MHz。通频带内增益平坦，功耗低，稳定性好。 关键词：2N2222A LC谐振放大中心频率增益 Abstract This paper mainly discusses the design and implementation of a LC resonant amplifier based on the 2N2222A transistor . The signal goes through the model T resistance network to realize impedance matching and decays in order to be convenient for detection. Then the output signal is transported to the frequency-selective network to choose frequency. The LC resonance amplifier circuit make a High-gain amplification and the output signal. The amplifier can expand signal with high frequency more than 1000 times, with center frequency of 15MHz. The signal increase flatly in the passband, the power loss is very low, and the system is very stability. Keywords: 2N2222A lc resonance amplifier center frequency gain
北方民族大学课程设计报告 院（部、中心）电气信息工程学院 姓名郭佳学号21000065 专业通信工程班级1 同组人员 课程名称通信电路课程设计 设计题目名称500KHz 电容三点式 LC 正弦波振荡器的设计起止时间2013.3.4 —— 2013.4.28 成绩 指导教师签名 北方民族大学教务处制
摘要 本次课设介绍了电容三点式高频振荡电路的设计方法，反馈振荡器的原理和分析 以及电容三点式电路参数的计算，并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作，振荡器电路。并以 500KHz的振荡器为例，利用 multisim 制作仿真的模型。 关键字：电容三点式振荡仿真
目录 目录 (3) 1、概述 (4) 2、三点式电容振荡器 (5) 2.1 反馈振荡器的原理和分析 (5) 2.2 电容三点式参数 (6) 2.3 设计要求 (8) 3、电路设计 (8) 4 、调试与总结 (10) 1 仿真 (10) 2、总结： (11) 5、心得体会 (11)
1、概述 振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。 一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 f 0能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个 是反馈电压 U f和输入电压U i要相等，这是振幅平衡条件。二是U f和U i必须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振 幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面 ( 例如感应加热、介质加热等 ) 的用途也日益广阔。 正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常，按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负载型两种，前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 高频小信号谐振放大器设计 课程设计目的： ①巩固和运用在《高频电子线路》课程中所学的理论知识和实验技能； ②基本掌握常用高频电子电路的一般设计方法； ③提高设计能力和实验技能，通过动脑、动手解决实际问题； ④为以后从事通信电路设计、研制电子产品打下基础。 课程设计内容和要求 1.掌握高频小信号调谐放大器的工作原理； 2. 熟悉谐振回路的调谐方法及放大器动态工作状态的测试方法； 2. 掌握谐振放大器电压增益、通频带、选择性的定义、测试及计算方法。初始条件： ①电路板及元件，参数； ②高频，电路等基础知识； ③EWB仿真软件。 时间安排： 1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料； 2、课程设计时间为1周。 （1）确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天； （2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天； （3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要....................................................................... I Abstract ................................................... 错误！未定义书签。1高频小信号调谐放大器的原理分析.. (1) 1.1 小信号调谐放大器的主要特点 (1) 1.2 小信号调谐放大器的主要质量指标 (1) 1.2.1谐振频率 (1) 1.2.2谐振增益（Av） (1) 1.2.3通频带 (2) 1.2.4增益带宽积 (3) 1.2.5选择性 (3) 1.2.6噪声系数 (4) 1.3 晶体管高频小信号等效电路与分析方法 (4) 1.3.1单级单调谐回路谐振放大器电路原理 (5) 1.3.2多级单调谐回路谐振放大器 (6) 1.4 自激 (7) 1.5 多级放大器的设计原则 (8) 1.6 集成宽带放大电路 (9) 2高频小信号调谐放大器的设计与制作 (10) 2.1主要技术指标 (10) 2.2给定条件 (10) 2.3设计过程 (10) 2.3.1选定电路形式 (10) 2.3.2设置静态工作点 (11) 2.3.3谐振回路参数计算 (12) 2.3.4确定耦合电容与高频滤波电容 (13) 3高频小信号谐振放大器电路仿真实验 (14) 3.1仿真电路图 (14) 3.2测量并调整放大器的静态工作点 (14) 3.3谐振频率的调测与技术指标的测量 (15) 4 总结（心得体会） (17) 参考文献 (18)
天津天狮学院 《高频电子线路》设计报告 题目：高频谐振功率放大器 专业：（本14级电子信息工程 班级：2班 ：黄霞 总成绩： 天津天狮学院信息与自动化学院 2016年 5月 10 日
课程设计任务 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、采用晶体管完成一个高频谐振功率放大器的设计 2、电源电压V cc＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯， 3、工作频率f0＝6MHz 4、负载电阻R L＝75Ω时，输出功率P0≥100Mw，效率η>60％ 5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总
目录 摘要.................................................................................................................................................. I 1 高频功率放大器简介 (1) 1.1 高频功率放大器的分类 (1) 1.2 高频功率放大器的主要技术指标. (2) 1.3 功率放大器的三种工作状态 (2) 1.4 高频功率放大器的分析方法 (3) 2 放大器电路分析 (4) 2.1 谐振功放基本电路组成 (4) 2.2 集电极电流余弦脉冲分解 (5) 2.3 谐振功率放大器的动态特性 (7) 2.3.1 谐振功放的三种工作状态 (7) 2.3.2 谐振功率放大器的外部特性 (8) 3 单元电路的设计 (11) 3.1 丙类功率放大器的设计 (11) 3.1.1 放大器工作状态的确定 (11) 3.1.2谐振回路和耦合回路参数计算 (12) 3.2 甲类功率放大器的设计 (12) 3.2.1电路性能参数计算 (12) 3.2.2静态工作点计算 (14) 3.3 电路原理图 (14) 4 电路的安装与调试 (15) 5 课程设计心得体会 (16) 参考文献 (17) 附录1 (18)
2011年全国电子设计 大赛
LC谐振放大器（D题） 摘要 本设计采用三级管两级放大实现一个低压、低功耗的LC谐振放大器。该放大器实际上是一个高频小信号谐振放大器，其核心元件是高频小功率晶体管和LC并联谐振回路。无线通信接收设备的接收天线接收从空间传来的电磁波并感应出的高频信号的电压幅度是（μV）到几毫伏（mV），而接收电路中的检波器（或鉴频器）的输入电压的幅值要求较高，最好在1V左右。这就需要在检波前进行高频放大和中频放大。为此，高频小信号放大器，完成对天线所接受的微弱信号进行选择并放大，即从众多的无线电波信号中，选出需要的频率信号并加以放大，而对其它无用信号、干扰与噪声进行抑制，以提高信号的幅度与质量。 关键词：高频小功率晶体管 LC并联谐振回路高频小信号放大器 Abstract This design uses the level 3 tube two stage amplifier achieve a low pressure, low power consumption LC resonance amplifier. The amplifier is actually a high frequency amplifier, small signal resonance its core element is high frequency small power transistors and LC parallel resonant circuit. Wireless communication receiving equipment receiving antenna receive from space of electromagnetic waves came out and induction of high frequency signals of voltage amplitude is (u V) to several millivolt (mV), and the detectors receiving circuit (or is popularly used implement) input voltage amplitude the demand is higher, the best around 1 V. This needs to be in the detection of high frequency amplifier and before medium frequency amplifier. Therefore, high frequency amplifier, small signal of the antenna to complete a weak signal and amplified, namely to choose from so many of the radio signal, elected in the frequency of the signal and the need to be amplified, and for other useless signal, interference and noise control, in order to improve the signal amplitude and quality. Keywords: high frequency small power transistors LC parallel resonant frequency small signal amplifier circuit
课程设计报告 课程名称: 高频电路设计 系别：工程技术系 专业班级：电信0901 学号： 姓名： 课程题目：高频谐振放大器设计（电容耦合输出） 完成日期： 指导老师：
设计过程： 1.确定电路形式。 2.设置静态工作点。 3.计算谐振回路的参数。 4.确定输入耦合回路及高频滤波电容。 5.电路的安装与调试。 课程设计（论文）课题任务书系：工程技术系专业：电子信息工程
设计任务说明 一、设计目的 1. 了解LC 串联谐振回路和并联谐振回路的选频原理和回路参数对回 路特性的影响； 2. 掌握高频单调谐放大器的构成和工作原理； 3. 掌握高频单调谐放大器的等效电路、性能指标要求及分析设计； 4. 掌握高频单调放大器的设计方案和测试方法。 二、主要技术指标及要求 1. 技术指标 已知：电源电压V V cc 12+=，负载电阻Ω=K R L 1条件下要求： 1) 中心频率MHz f 40= 2) 电压增益：75dB 2. 设计要求 1) 设计高频小信号谐振放大电路； 2) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； 3) 拟定测试方案和测试步骤； 4) 写出设计报告。
目录 第1章简述 (4) 1.1 论述 (4) 第2章总体方案 (5) 2.1 设计要求 (5) 2.2总体方案简述 (5) 第3章电路的基本原理及电路的设计 (6) 3.1主要性能指标及测试方法 (6) 3.2电路的设计与参数的计算 (8) 3.2.1电路的确定 (11) 3.2.2参数计算 (11) 第4章电路的仿真与调试 (13) 4.1 电路仿真 (13) 4.2 电路的安装与调试 (14) 第五章心得体会 (15) 5.1 心得体会 (15) 附录元件清单 (16)
高频电子线路课程设计说明书 题目：振荡器的设计 学生姓名： 学号： 院（系）： 专业：电子信息工程 指导教师：周丽丽 2015年1月5日
目录 1 选题背景 (1) 2 课程设计目的 (1) 3 课程设计题目描述和要求 (1) 3.1 课程设计题目描述 (1) 3.2 课程设计要求 (2) 4 课程设计报告内容 (2) 4.1 设计方案的论证： (2) 4.2 元器件参数的计算 (10) 4.3 仿真结果与分析 (12) 4.4 仿真注意事项 (18) 5 结论 (19) 附录 (21) 参考文献 (24)
振荡器设计 1 选题背景 振荡器（Oscillator）是一种能量转换装置。它的能量来源一般是直流形式（振荡器电路的直流供电电源）。经过振荡器转换后，此直流能量转换为一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出。这种电能的“转换”过程被称作“振荡”(Oscillation）。振荡器的作用是产生特定的输出信号，因此也常常被称为信号发生器（signal creator）。振荡器的类型繁多，按照振荡过程是否依赖于外部激励信号的参与，可以分为他激振荡器和自激振荡器；按照波形分类有正弦波振荡器和非正弦波振荡器；按照振荡器振荡频率的高低，可以分为低频振荡器、高频振荡器、超高频振荡器等；按照振荡器的选频元件分类，则有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。晶体振荡器作为电子设备的重要器件，对电子设备的总体性能指标起着非常重要的作用。本文介绍高频高精度正弦波振荡器的研制，高频高精度振荡器具有体积小、中心频率稳定、输出幅度稳定、频率稳定度高、非线性失真小的特点。振荡器是一种能自动的将直流能量转换成有一定波形的振荡器信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于无需外加激励信号就能产生具有一定频率，一定波形和一定振幅的交流信号。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛的应用。例如，在无线电通信、广播、电视设备中用来产生所需的载波信号和本地振荡信号；在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正弦波信号等。正弦波振荡器主要有决定振荡频率的选频网路和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是正反馈振荡器。高频正弦波振荡器可分为LC振荡器、石英晶体振荡器等。正弦波振荡器的主要性能指标是振荡频率的准确度和稳定度、振荡幅度的大小其稳定性、振荡波形的非线性失真、振荡器的输出功率和效率。 2 课程设计目的 设计一个石英晶体震荡器和一个电容式三端震荡器。设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。 3 课程设计题目描述和要求 3.1 课程设计题目描述 本次设计采用正弦波发生电路,正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。是模拟电子电路的一种重要形式。特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。这种特点称为“自激振荡”。波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。与放大器一样,震荡器也是一种能量转换器,但不同的是振荡器无需外部激励就能自动地将 直流电源提供的功率转换为指定的频率和振幅的交流信号功率输出。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有某种选频能力的无源网络组成。
LC谐振放大器（D题） 摘要 本系统采用低噪声、高增益三极管2SC3355搭建三级LC谐振放大电路，对经过π型电阻衰减网络衰减后的信号进行放大，接入自耦变压器-变压器耦合网络，很好地实现了信号的选频放大及级间交流耦合，末级采用一级NPN型高输出电流三极管9018组成电压跟随电路，实现阻抗匹配并驱动200Ω负载。设计中增加自动增益控制模块，最终实现了一个使信号谐振于15MHz的高增益、低功耗的LC谐振放大器。经测试，衰减后的信号经LC谐振放大模块增益可达85.1dB，功耗低，带宽、增益、矩形系数等指标均能够很好地达到或超过题目基本及发挥部分的要求。
1、系统方案 1.1 方案比较与选择 1.1.1 衰减器 方案一：选用集成的可控增益运算放大器，此方案3.6V 供电的高带宽芯片比较少，而且一般运放的功耗较大，不易满足题目对低功耗的要求。更重要的是，对于集成运放来说，受带宽增益积的限制，很难达到频带与放大器相适应的要求。 方案二：选用无源电阻衰减网络，具有组件少，电路简单，噪声小，幅度呈线性衰减，波形不会产生畸变等优点。 综上所述，我们采用方案二，选用π型对称衰减器，π型衰减器模型如图1所示。其中，衰减倍数(dB))50 1501log( 20-+=R R ,2500 11500022 -= R R R ,即可得出衰减网络每个电阻参数值。 图1 π型衰减器示意图 1.1.2 放大器增益放大 方案一：选用集成运算放大器，组成电路相对简单，且易于实现。但是，根据题目中对3.6V 供电、15MHz 的高频率、80dB 的高增益以及低功耗要求，运算放大器相对于由分立元件构建此类放大电路来说，谐振频率、增益、功耗等指标不易达到题目要求。 方案二：采用分立元件搭建，虽然电路的调节比较繁琐，调试困难，对元器件和布线的要求比较高。但同时它也相对存在很多优点，分立元件的组合具有灵活性，我们可以在满足题目基本指标要求的基础上，通过不断的调试更好地提高整机性能。 由方案一和二的比较可知，为了满足题目中多项指标要求，我们采用分立元件实现对信号的放大。三极管2SC3355具有噪声系数小、增益高、带宽大等特点，外加自耦变压器-变压器耦合网络，能够很好地满足题目中各项指标要求。因而我们采用此方案实现对经衰减器衰减后的信号进行高增益的选频放大。此外，我们选用NPN 型三极管9018搭建一级电压跟随电 路，实现阻抗匹配并利用它的高输出电流特性驱动200Ω负载。 1.1.3 自动增益控制 在本设计中，我们利用二极管IN60的PN 结单向导通特性以及RC 滤波网络的滤波作用将第三级放大电路输出信号经整流滤波，反馈至前级放大电路中，调节基极电位，从而改变三极管的静态工作点，进而调节放大倍数，实现当信号较强时，放大器的增益自动降低的功能。 1.2 方案描述 经过仔细地分析与论证，我们确定的方案系统主要由四大模块构成：衰减器、LC 谐振放大电路、自动增益控制电路以及供电电压为3.6V 的自制线性稳压源。系统的结构框图如图2所示，衰减器采用精密电阻搭建的π型网络，对输入信号进行衰减，衰减后的信号再经由分立元件搭建的LC 谐振放大电路进行选频放大，自动增益控制模块对系统的增益进行控制。本设计经过测试，均很好地实现了基本及发挥部分的指标要求。 2、理论分析与计算