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墨滴

卓晴

2021/04/30  阅读:45  主题:自定义主题1

基于NanoVNA调整150kHz选频放大电路

01 量放大电路输入输出阻抗


放大电路的输入、输出阻抗,反映了放大电路对于前级放大电路的影响(接受能量)以及对于后级放大电路的输出能力。通常情况下,需要通过 阻抗匹配(Impedance Matching) 来使得放大电路获得最大功率增益(获得最大功率传输、减小信号反射)。

1.什么是阻抗匹配?

电路的输入输出阻抗(复阻抗)包括纯电阻(复阻抗的实部)以及电抗(感抗或者容抗)部分。根据 最大功率传输定理[1] ,当信号源的电阻与负载电阻相等,信号源的电抗与负载电抗相反,传输功率最大。也就是负载的电抗与信号源的电感互为共轭关系时,功率实现最大传输。

▲ 通过变压器获得阻抗匹配
▲ 通过变压器获得阻抗匹配

2.为什么要阻抗匹配

对于高频电路来讲,阻抗匹配不仅可以保证信号的能量在传输系统中得到最大的传输和增益,同时也会降低信号的失真和电路的损耗。

随着信号频率的增加,对于阻抗匹配所需要的误差也会越来越降低。如果发生阻抗不匹配,则会因为信号在负载上的反射引起很多问题:比如信号增益降低、失真、噪声增加、损耗增加、信噪比增加等。

3.前面测量问题

选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[2] 中,设计了对于 全国大学生智能车竞赛[3] 中的 节能信标组[4] 中的导航信号,也是用于无线电能传输的功率信号,150kHz电磁波进行接收放大检波。其中使用了在 中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试[5] 中对于单管LC选频放大电路的输入输出阻抗测试结果,大约是100Ω左右。但这个结果说实在的与通常情况下NPN晶体管高频放大电路对应的输入、输出阻抗不太符合。

比如,根据所使用的 2SC1815晶体管数据手册[6] 中给出的 晶体管的h参数[7] 表格中给出了晶体管不同工作电流下的阻抗:

▲ 2SC1815 h参数
▲ 2SC1815 h参数

 ◎ 工作在1mA下h参数:
   hie:输入阻抗,4kΩ
   hoe:输出阻抗:4μs,对应250kΩ

 ◎ 工作电流10mA下h参数:
   hie:输入阻抗:720Ω
   输出阻抗:40μs:25kΩ

因此上述误差猜测来自于所使用的测量模块: DG8SAQ网络矢量分析仪[8]

4.解决方案

使用昨天刚刚到货的 NanoVNA 网络矢量分析仪[9] 重新对于 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路[10] 测试对应的输入输出阻抗。来验证是否属于测量模块所带来的问题。

02 于NanoVNA测量电路阻抗


1.测量输入阻抗

(1)工作电流10mA

 ◎ 测量条件:
   工作电压:+6V
   基极偏置电阻:94kΩ
   工作电流:10mA

使用NanoVNA,通过1uF电容施加在2SC1815的基极,此时工作电流变为:1mA左右,测量结果如下:

 ◎ 150kHz频率点对应的输入阻抗:
   电阻:1008欧姆
   电容:1.9nF

▲ 在10mA工作电流下的hie
▲ 在10mA工作电流下的hie

(2)工作电流2.5mA

 ◎ 测量条件:
   工作电压:+6V
   基极偏置电阻:360kΩ
   工作电流:2.5mA

使用NanoVNA,通过1uF电容施加在2SC1815的基极,此时工作电流变为:1mA左右,测量结果如下:

 ◎ 150kHz频率点对应的输入阻抗:
   电阻:2702欧姆
   电容:1.1nF

▲ 工作电流2.5mA下输入阻抗
▲ 工作电流2.5mA下输入阻抗

(3)工作电流5mA

 ◎ 测量条件:
   工作电压:+12V
   基极偏置电阻:360kΩ
   工作电流:5.5mA

使用NanoVNA,通过1uF电容施加在2SC1815的基极,此时工作电流变为:1mA左右,测量结果如下:

 ◎ 150kHz频率点对应的输入阻抗:
   电阻:1461欧姆
   电容:2.16nF

▲ 工作电流 5.5mA下输入阻抗
▲ 工作电流 5.5mA下输入阻抗

2.测量输出阻抗

(1)调整谐振

使用三个51pf电容并联组成谐振电容,并联在 超声波测距升压可调中周[11] 的原边,使用NanoVNA测量副边的阻抗。调节中周的磁帽,使得阻抗最大发生在150kHz。

测试中周并没有接入放大电路,谐振点(150kHz)的阻抗为:6.486kΩ。

▲ 测量中周副边的阻抗
▲ 测量中周副边的阻抗

(2)接入放大电路

接入放大电路之后,发现阻抗马上发生了变化。此时,在输入端加上1.5kΩ电阻用于匹配输入电阻。(注意,这个问题到后来的确产生了很大的令人感到疑惑的地方。)

▲ 将中周接入放大电路之后出现阻抗发生很大的变化
▲ 将中周接入放大电路之后出现阻抗发生很大的变化

将谐振电容去掉,同时将中周磁帽外旋到最上端(原边:5.6mH),发现输入阻抗谐振曲线如下。

▲ 将谐振电容去掉之后,2SC1815输出阻抗
▲ 将谐振电容去掉之后,2SC1815输出阻抗

将NPN晶体管修改成9018高频管,工作电流为4.5mA。此时输出阻抗谐振点才能够调整到150kHz。

谐振点的电阻为:277Ω。

▲ 将谐振电容去掉之后,9018输出阻抗
▲ 将谐振电容去掉之后,9018输出阻抗

考虑到中周变压比为1:10,所以测量谐振点的电阻为277Ω,对应的原边则对应的27kΩ。对比【1-3】中对于2SC1815在10mA工作下,它的 hoe 大约为25kHz,因此推测 9018 晶体管在工作电流5mA左右为27kΩ左右。

03 入谐振天线


选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[2] 中制作的工字型自行绕制电感天线接入放大器。

1.直接接入放大电路

(1)谐振电容

根据 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[2] 对自行绕制电感测量,需要配5.4nF的谐振电容。使用两个10nF的电容并联作为谐振电容。考虑到前面测量放大电路输入寄生电容,输入基本上是处在谐振状态了。

(2)出现自激振荡

电路出现自激振荡。下图为9018 集电极的电压波形。可以判断电路中出现了间歇性振荡过程。

▲ 9018集电极电压波形
▲ 9018集电极电压波形

如果将天线谐振电容去掉,则电路出现稳定的等幅振荡。振荡频率为:417.5kHz。

▲ 9018集电极电压波形
▲ 9018集电极电压波形

2.通过副边接入放大电路

在工字型电感上绕制10匝作为副边,将其接入放大电路。电路不再震荡了。

但是,在旁边打开无线充电电容,电路并没有出现放大后的信号!

(1)重新测量中周副边阻抗

重新测量中周副边的阻抗,发现她们都已经没有谐振了。这说明在输入没有进行匹配,比如使用1.5k电阻的时候,电路输出阻抗也发生了很大的变化。

▲ 输出阻抗曲线
▲ 输出阻抗曲线

下面在副边加入放大电路的情况下,重新加入谐振电容,调整中周磁帽,使得输出阻抗出现谐振。

【Ⅰ.调节输出阻抗-1】

下面是调整的一种情况。但是加电之后,电路仍然出现了自激振荡。

▲ 测量输出阻抗
▲ 测量输出阻抗
▲ 9018集电极自激振荡的波形
▲ 9018集电极自激振荡的波形
【Ⅱ.调整输出阻抗-2】

通过重新调整中周磁帽,使得整个频率下降,从输出来看,输出呈现为电容特性,此时电路就不再振荡了。可以对150kHz进行放大检波。

▲ 调节磁帽测量中周副边的阻抗
▲ 调节磁帽测量中周副边的阻抗

对于距离2米外的无线充电线圈的检测幅值为:33.9mV。对照在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[2] 测量结果,检波信号的幅值增加了一倍。

3.重新直接接入电路

根据前面调试过程,可以看到通过调节中周,可以将原来振荡的电路调整到振荡。

下面将前面工字型电感天线再重新接入放大电路,测量输出阻抗。下面是测量得到的结果。

可以看到等效电阻始终小于0,对应的电路还处于振荡状态。

▲ 中周副边的阻抗
▲ 中周副边的阻抗

最后,无论怎么调整,都无法获得稳定的状态。

验结论


1.使用NanoVNA提高测量正确性

通过使用NanoVNA可以提高测试高频的工作状态的正确性,验证了使用NanoVNA测量得到的高频电路的输入阻抗与晶体管输入手册上是相符的。对于之前使用DG8ASQ测量得到的结果加以否定。

通过对于基于9018的选频电路测量,测量输出阻抗的大小与输入阻抗是否匹配有很大的关系。

■ 问题: 为什么在前面实验过程中对于9018输入进行阻抗匹配的时候,对于输出阻抗有这么大的影响呢?关于这个问题可能需要后面进一步探讨一下。

2.测量中周输出阻抗

(1)与输入匹配的关系

如果输入阻抗进行了匹配,比如使用1.5kΩ并联在输入端,则输出谐振阻抗发生了很大的变化。需要将谐振电容去掉才能够获得匹配的谐振频率。不知道为什么。

但当输入阻抗不匹配的时候,比如使用接收线圈接入,则反而输出阻抗与所设定的值比较匹配。

(2)确定稳定工作状态

通过测量输出阻抗,要求对应的实部大于零,电抗处于电容状态,电路才稳定。否则电路会出现振荡。

经过调整,可以活动在9018晶体管加上中周构成的放大电路,增益大大提高了。通过仔细调整中周,可以提高增加近10倍左右。比如在检测线圈2米附件,可以获得倍压整流139mV;1米距离1.9V;三米距离为95mV;4米距离:1.2mV。


参考资料

[1]

最大功率传输定理: https://www.electrical4u.com/maximum-power-transfer-theorem/

[2]

选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116274717

[3]

全国大学生智能车竞赛: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110253008

[4]

节能信标组: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113869198

[5]

中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116241819

[6]

2SC1815晶体管数据手册: https://datasheet.octopart.com/2SC1815-Y-Toshiba-datasheet-551633.pdf

[7]

晶体管的h参数: http://www.elecfans.com/yuanqijian/sanjiguang/20180106611547_2.html

[8]

DG8SAQ网络矢量分析仪: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116189783

[9]

NanoVNA 网络矢量分析仪: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116295857

[10]

基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116196406

[11]

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

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2021/04/30  阅读:45  主题:自定义主题1

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