▌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 中的节能信标组中，用于电磁导航对于 无线充电信号 进行放大。

在 节能信标无线感应定位测试：200kHz 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 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 ，虽然 为什么面包板不能够做射频电路实验 ，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 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hFE=121h_{FE} = 121hFE=121的参数，可以大体计算在IC=10mAI_C = 10mAIC=10mA时，对应的工作电阻RbR_bRb的大小：

Rb=+5V−0.6510mA/hFE=hFE⋅4.3510mA=52.6kΩR_b = {{ + 5V - 0.65} \over {10mA/h_{FE} }} = h_{FE} \cdot {{4.35} \over {10mA}} = 52.6k\OmegaRb=10mA/hFE+5V−0.65=hFE⋅10mA4.35=52.6kΩ

在实际电路中，选择Rb=51kΩR_b = 51k\OmegaRb=51kΩ。

（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 ，可以知道中周的电感L1的调整范围大约为 5mH～10mH 。所以选择L1=7mHL_1 = 7mHL1=7mH。根据f0=150kHzf_0 = 150kHzf0=150kHz，所以选择C2 为：C2=1(2πf0)2⋅L1=1(2π×150kHz)2⋅7mH=0.161nFC_2 = {1 \over {\left( {2\pi f_0 } \right)^2 \cdot L_1 }} = {1 \over {\left( {2\pi \times 150kHz} \right)^2 \cdot 7mH}} = 0.161nFC2=(2πf0)2⋅L11=(2π×150kHz)2⋅7mH1=0.161nF

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 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：
IC=2.04VCC−0.03mAI_C = 2.04V_{CC} - 0.03\,\,\,\,mAIC=2.04VCC−0.03mA

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 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：

Z=358.52Ω−i⋅134.63ΩZ = 358.52\Omega - i \cdot 134.63\OmegaZ=358.52Ω−i⋅134.63Ω
∣Z∣=386.22Ω\left| Z \right| = 386.22\Omega∣Z∣=386.22Ω
Cs=7.387nF,Q=0.4006Cs = 7.387nF,\,\,Q = 0.4006Cs=7.387nF,Q=0.4006

^{▲ 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 测量中周副线圈的阻抗。

150kHz阻抗：

Z=62.04Ω−i⋅66.04ΩZ = 62.04\Omega - i \cdot 66.04\OmegaZ=62.04Ω−i⋅66.04Ω
∣Z∣=90.613Ω\left| Z \right| = 90.613\Omega∣Z∣=90.613Ω
Cs=16.065nF,Q=1.065Cs = 16.065nF,\,\,Q = 1.065Cs=16.065nF,Q=1.065

^{▲ 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}

▌04 实验总结

最后测试的结果，存在以下几点问题：

输出的幅频特性并没有达到选频的目标，感觉距离谐振的要求相差很大；
输入输出没有进行阻抗匹配，造成现在的增益距离40db还有一定的距离；
为什么最后一遍的频率扫描，输出的电压波动这么大，什么原因造成的。

最终，还需要通过使用实际的接受线圈，对于发射场内的各部分的电压进行实际检测，确定是否能够正确的用于电磁导航。

▓ 补充说明

针对上面的问题，在 中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试 进行了补充实验，发现其中主要是有亮点原因造成：

从信号与到测试面包板之间的同轴电缆之间的连接接头的牢固程度；
所选择的9018性能不好，也许是因为在+12V的偏置下，对应的功耗偏大造成三极管发热，或者是所购买到的9018的晶体管的质量有问题。更换为8050，C1815就好了。

后期工作包括：

中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试
选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波
分析无线充电线圈在自绕工字型电感中的感应电动势
基于NanoVNA调整150kHz选频放大电路

■ 相关文献链接:

第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21
节能信标无线感应定位测试：200kHz
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
面包板上的高频放大电路
为什么面包板不能够做射频电路实验？
测试电阻电容二三极管的好帮手晶体管测试显示模块
DG1062可编程信号源
DG8SAQ 矢量网络分析
中心频率为150kHz的选频放大检波电路补充测试
用于计算无线充电中LCC补偿网络器件参数的小程序
选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波

※ 博文附件 ※

1.扫频程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-04-27
#
# Note:
#============================================================from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *fdim = linspace(145, 155, 100)
vdim = []dg1062open()
dg1062freq(1, 145000)
time.sleep(2)for f in fdim:dg1062freq(1, f*1000)time.sleep(1)vdim.append(meterval()[0])printf(f)tspsave('measure', fdim=fdim, vdim=vdim)plt.plot(fdim, vdim)
plt.xlabel("Frequency(kHz)")
plt.ylabel("Voltage(V)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

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