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單管150kHz放大器

發(fā)布時(shí)間:2021-08-06 來源:卓晴 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)這個(gè)150kHz選頻放大電路是為了將在 第十六屆全國(guó)大學(xué)智能汽車競(jìng)賽[1] 中的節(jié)能信標(biāo)組中,用于電磁導(dǎo)航對(duì)于 無線充電信號(hào)[2] 進(jìn)行放大。
 
01 選頻放大電路
 
1.電路設(shè)計(jì)目標(biāo)
 
設(shè)計(jì)這個(gè)150kHz選頻放大電路是為了將在 第十六屆全國(guó)大學(xué)智能汽車競(jìng)賽[1] 中的節(jié)能信標(biāo)組中,用于電磁導(dǎo)航對(duì)于 無線充電信號(hào)[2] 進(jìn)行放大。
 
在 節(jié)能信標(biāo)無線感應(yīng)定位測(cè)試:200kHz[3] 中,在距離無線信標(biāo)1米左右的距離內(nèi),對(duì)于幾種不同的電感接收無線信號(hào)進(jìn)行了初步測(cè)試,可以看到不同的電感接收方案所獲得的交流信號(hào)的幅值在幾十毫伏左右。那么如果距離遠(yuǎn)(比如在5米左右)這個(gè)電壓信號(hào)可能就會(huì)降低到幾百個(gè)微伏。因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行有效的放大。
 
 ◎ 設(shè)計(jì)選頻放大器指標(biāo):
 
   中心頻率:150kHz
   選頻帶寬:2kHz,對(duì)應(yīng)的選頻回路的Q值為75。
   信號(hào)增益:40dB以上,也就是能夠?qū)⒃?米距離處的感應(yīng)信號(hào)放大到幾百mV。
 
2.放大框架
 
雖然100kHz信號(hào)不算很高,借助于DSP器件可以完成軟件選頻信號(hào)處理。但是考慮到第16屆智能車競(jìng)賽中用于節(jié)能信標(biāo)組的控制器是來自于Infineon公司的MCU,它對(duì)應(yīng)的ADC主頻采集以及處理能力與DSP還是有一定的差距,所以下面選擇使用全模擬電路實(shí)現(xiàn)選頻放大電路的設(shè)計(jì)。
 
為了簡(jiǎn)單起見,測(cè)試基于高頻NPN晶體管 9018的小型號(hào)高頻放大電路。選頻回路采用 超聲波測(cè)距升壓可調(diào)中周[4] 加諧振電容的方式完成選頻放大。
 
由于電路的頻率較低,所以放大電路在 面包板上進(jìn)行測(cè)試[5] ,雖然 為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn)[6] ,但對(duì)于150kHz的放大器進(jìn)行測(cè)試還是可以的。
 
3.基本放大電路
 
利用NPN高頻小功率放大晶體管9018組成選頻放大電路。
 
(1)設(shè)置工作點(diǎn)Rb
 
調(diào)整Rb使得T1的工作電流在10mA左右。
 
單管150kHz放大器
▲ 基本放大電路
 
下圖是使用 測(cè)試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測(cè)試顯示模塊[7] 測(cè)量實(shí)驗(yàn)中9018的基本參數(shù)。
 
單管150kHz放大器
▲ 9018測(cè)量基本參數(shù)
 
根據(jù)測(cè)量9018三極管的單管150kHz放大器的參數(shù),可以大體計(jì)算在單管150kHz放大器時(shí),對(duì)應(yīng)的工作電阻單管150kHz放大器的大小:
 
單管150kHz放大器
 
在實(shí)際電路中,選擇單管150kHz放大器。
 
(2)諧振電容C2
 
調(diào)節(jié)中周,根據(jù) 超聲波測(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周倒車?yán)走_(dá)變頻器傳感器1:10[3] ,可以知道中周的電感L1的調(diào)整范圍大約為  5mH~10mH 。所以選擇單管150kHz放大器。根據(jù)單管150kHz放大器,選擇100pf,51pf兩個(gè)電容并聯(lián),形成C2。使用SmartTweezer實(shí)測(cè)并聯(lián)電容為154.4pF。失配的部分,通過調(diào)整中周來達(dá)到150kHz的諧振。
 
下圖是用于調(diào)整中周磁帽使得諧振發(fā)生在150kHz。
 
單管150kHz放大器
▲ 調(diào)整諧振的電路
 
使用 數(shù)字變成信號(hào)源DG1062[8] 輸出  145kHz~155kHz 正弦波掃描諧振回路。調(diào)整中周磁帽,使得輸出電壓達(dá)到最高。
 
調(diào)整完之后,通過掃描頻率測(cè)量諧振頻率曲線如下圖所示:
 
單管150kHz放大器
▲ 對(duì)于測(cè)試諧振回路掃頻結(jié)果
 
02 放大電路測(cè)試
 
1.搭建實(shí)驗(yàn)電路
 
在面包板上搭建了測(cè)試電路。電路中的晶體管為9018, 基級(jí)電阻為51kΩ。
 
單管150kHz放大器
▲ 面包板上搭建的測(cè)試電路
 
(1)確定工作點(diǎn)
 
施加+5V的工作電流,可以測(cè)量到工作電流:8.4mA。
 
 ◎ 電路的工作點(diǎn):
 
   Vbe : 0.760V
   Vce: 4.86V
   Ic:8.4mA
 
下圖給出了實(shí)際測(cè)量到的工作電壓VCC,與Ic之間的關(guān)系:
 
單管150kHz放大器
▲ 不同的VCC與Ic之間的關(guān)系
 
使用線性擬合上面測(cè)量數(shù)據(jù)曲線:

單管150kHz放大器
 
2.測(cè)量輸入、輸出阻抗
 
(1)測(cè)量輸入阻抗
 
使用 DG8SAQ矢量網(wǎng)絡(luò)分析[9] 儀測(cè)試放大電路輸入阻抗。使用1uF電容連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析端口與9018的輸入。
 
在150kHz下,對(duì)應(yīng)的阻抗為:
 
 ◎ 150kHz輸入阻抗:
   
單管150kHz放大器
   
單管150kHz放大器
▲ 輸入阻抗測(cè)試
 
(2)測(cè)量輸出阻抗
 
將330歐姆通過1uF連接到地,對(duì)輸入端口進(jìn)行阻抗匹配。使用 DG8SAQ 矢量網(wǎng)絡(luò)分析[8] 測(cè)量中周副線圈的阻抗。
 
 ◎ 150kHz阻抗:
   
單管150kHz放大器
   
單管150kHz放大器
▲ 輸出阻抗曲線(140 ~ 160kHz)
 
3.測(cè)量放大增益
 
(1)無輸入輸出匹配
 
直接將DG1062產(chǎn)生的150kHz正弦信號(hào),通過1uF施加在9018基極。在中周輸出直接施加1.2k歐姆負(fù)載,測(cè)量輸出交流電壓。
 
●    設(shè)置工作電壓:+12V;
●    輸出負(fù)載:1.2k
 
單管150kHz放大器
▲ 輸入電壓與輸出電壓
 
單管150kHz放大器
▲ 輸入信號(hào)與增益
 
(2)倍壓檢波
 
在副邊使用倍壓整流將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào),施加負(fù)載電阻為10kΩ。
 
單管150kHz放大器
▲ 進(jìn)行倍壓整流
 
單管150kHz放大器
▲ 輸入電壓與倍壓整流輸出電壓
 
4.測(cè)量幅頻特性
 
單管150kHz放大器
▲ 不同頻率下輸出電壓
 
參考資料
 
[1]第十六屆全國(guó)大學(xué)智能汽車競(jìng)賽: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008
[2]無線充電信號(hào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115040882
[3]節(jié)能信標(biāo)無線感應(yīng)定位測(cè)試:200kHz: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198
[4]超聲波測(cè)距升壓可調(diào)中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062
[5]面包板上進(jìn)行測(cè)試: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106161919
[6]為什么面包板不能夠做射頻電路實(shí)驗(yàn): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762
[7]測(cè)試電阻電容 二三極管的好幫手 晶體管測(cè)試顯示模塊: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109223139
[8]DG1062: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110824422
[9]DG8SAQ矢量網(wǎng)絡(luò)分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116189783
 
 
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