单管150kHz放大器

01 选频放大电路

1.电路设计目标

设计这个150kHz选频放大电路是为了将在 第十六届全国大学智能汽车竞赛[1] 中的节能信标组中，用于电磁导航对于 无线充电信号[2] 进行放大。

在 节能信标无线感应定位测试：200kHz[3] 中，在距离无线信标1米左右的距离内，对于几种不同的电感接收无线信号进行了初步测试，可以看到不同的电感接收方案所获得的交流信号的幅值在几十毫伏左右。那么如果距离远（比如在5米左右）这个电压信号可能就会降低到几百个微伏。因此需要对接收到的信号进行有效的放大。

 ◎ 设计选频放大器指标：

   中心频率：150kHz

   选频带宽：2kHz，对应的选频回路的Q值为75。

   信号增益：40dB以上，也就是能够将在5米距离处的感应信号放大到几百mV。

2.放大框架

虽然100kHz信号不算很高，借助于DSP器件可以完成软件选频信号处理。但是考虑到第16届智能车竞赛中用于节能信标组的控制器是来自于Infineon公司的MCU，它对应的ADC主频采集以及处理能力与DSP还是有一定的差距，所以下面选择使用全模拟电路实现选频放大电路的设计。

为了简单起见，测试基于高频NPN晶体管 9018的小型号高频放大电路。选频回路采用 超声波测距升压可调中周[4] 加谐振电容的方式完成选频放大。

由于电路的频率较低，所以放大电路在 面包板上进行测试[5] ，虽然 为什么面包板不能够做射频电路实验[6] ，但对于150kHz的放大器进行测试还是可以的。

3.基本放大电路

利用NPN高频小功率放大晶体管9018组成选频放大电路。

（1）设置工作点Rb

调整Rb使得T1的工作电流在10mA左右。

▲ 基本放大电路

下图是使用 测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块[7] 测量实验中9018的基本参数。

▲ 9018测量基本参数

根据测量9018三极管的的参数，可以大体计算在时，对应的工作电阻的大小：

在实际电路中，选择。

（2）谐振电容C2

调节中周，根据 超声波测距测速升压可调中周倒车雷达变频器传感器1:10[3] ，可以知道中周的电感L1的调整范围大约为 5mH～10mH 。所以选择。根据，选择100pf，51pf两个电容并联，形成C2。使用SmartTweezer实测并联电容为154.4pF。失配的部分，通过调整中周来达到150kHz的谐振。

下图是用于调整中周磁帽使得谐振发生在150kHz。

▲ 调整谐振的电路

使用 数字变成信号源DG1062[8] 输出 145kHz～155kHz 正弦波扫描谐振回路。调整中周磁帽，使得输出电压达到最高。

调整完之后，通过扫描频率测量谐振频率曲线如下图所示：

▲ 对于测试谐振回路扫频结果

02 放大电路测试

1.搭建实验电路

在面包板上搭建了测试电路。电路中的晶体管为9018， 基级电阻为51kΩ。

▲ 面包板上搭建的测试电路

（1）确定工作点

施加+5V的工作电流，可以测量到工作电流：8.4mA。

 ◎ 电路的工作点：

   Vbe : 0.760V

   Vce: 4.86V

   Ic:8.4mA

下图给出了实际测量到的工作电压VCC，与Ic之间的关系：

▲ 不同的VCC与Ic之间的关系

使用线性拟合上面测量数据曲线：

2.测量输入、输出阻抗

（1）测量输入阻抗

使用 DG8SAQ矢量网络分析[9] 仪测试放大电路输入阻抗。使用1uF电容连接矢量网络分析端口与9018的输入。

在150kHz下，对应的阻抗为：

 ◎ 150kHz输入阻抗：

   

   

▲ 输入阻抗测试

（2）测量输出阻抗

将330欧姆通过1uF连接到地，对输入端口进行阻抗匹配。使用 DG8SAQ 矢量网络分析[8] 测量中周副线圈的阻抗。

 ◎ 150kHz阻抗：

   

   

▲ 输出阻抗曲线（140 ~ 160kHz）

3.测量放大增益

（1）无输入输出匹配

直接将DG1062产生的150kHz正弦信号，通过1uF施加在9018基极。在中周输出直接施加1.2k欧姆负载，测量输出交流电压。

● 设置工作电压：+12V；

● 输出负载：1.2k

▲ 输入电压与输出电压

▲ 输入信号与增益

（2）倍压检波

在副边使用倍压整流将接收到的信号转换成直流信号，施加负载电阻为10kΩ。

▲ 进行倍压整流

▲ 输入电压与倍压整流输出电压

4.测量幅频特性

▲ 不同频率下输出电压

参考资料

[1]第十六届全国大学智能汽车竞赛: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[2]无线充电信号: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/115040882

[3]节能信标无线感应定位测试：200kHz: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198

[4]超声波测距升压可调中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062

[5]面包板上进行测试: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106161919

[6]为什么面包板不能够做射频电路实验: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/106103762

[7]测试电阻电容 二三极管的好帮手 晶体管测试显示模块: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109223139

[8]DG1062: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110824422

[9]DG8SAQ矢量网络分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116189783