ADALM2000實(shí)驗(yàn)：變壓器耦合放大器

目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)旨在帶您熟悉變壓器耦合放大器的阻抗匹配操作。

背景知識(shí)

升降壓變壓器的基本定義是一種將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為比原電壓更高（升壓）或更低（降壓）的器件。此外還有可用于將電路與地隔離的變壓器，這種變壓器被稱(chēng)為隔離變壓器。本文將側(cè)重討論變壓器的另一種用途，即用于匹配電路阻抗以實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

請(qǐng)看圖1所示的電路。該電路是變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器，它類(lèi)似于普通的放大器電路，但與集電極負(fù)載中的變壓器相連。

圖1 變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器

在此設(shè)置中，R1和R2建立分壓偏置，而發(fā)射極電阻器R3用于穩(wěn)定偏置。發(fā)射極旁路電容C2用于防止發(fā)射極電路內(nèi)發(fā)生負(fù)反饋。

僅當(dāng)放大器輸出阻抗等于負(fù)載阻抗R_L (R4)時(shí)，從功率放大器傳輸?shù)截?fù)載的功率才是最大的。這符合最大功率傳輸定理。讓放大器的輸出阻抗與輸出器件的阻抗相匹配很有必要，能夠盡可能放大其傳輸?shù)捷敵銎骷墓β?。這可利用具有適當(dāng)匝數(shù)比的降壓變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

變壓器輸入和輸出電阻之比就等于變壓器匝數(shù)比的平方：

由此得出計(jì)算反射阻抗的方程，其中：

■   n為降壓變壓器的初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)之比

■   R_LP為初級(jí)中的反射阻抗

A類(lèi)功率放大器的效率約為30%；而采用變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器，效率可提高到50%。除了更高效率之外，變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器還有其他優(yōu)點(diǎn)：

■   基極或集電極電阻中無(wú)信號(hào)功率損失。

■   可實(shí)現(xiàn)出色的阻抗匹配。

■   高增益。

■   提供直流隔離。

圖2 變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器

但這種配置并不完美，其缺點(diǎn)如下：

■  相對(duì)而言，對(duì)低頻信號(hào)的放大較弱。

■   變壓器會(huì)引入嗡嗡聲。

■   變壓器體積龐大，價(jià)格昂貴。

■   頻率響應(yīng)較差。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線(xiàn)套件

■   一個(gè)NPN晶體管(2N3904)

■   一個(gè)10 kΩ電阻

■   一個(gè)20 kΩ電阻

■   一個(gè)100 Ω電阻

■   一個(gè)10μF電容

■   一個(gè)1μF電容

■   一臺(tái)HPH1-0190L/1400L六繞組變壓器

硬件設(shè)置

構(gòu)建圖1所示的電路；參考圖2。使用ADALM2000提供的+5 V和-5 V電源。

程序步驟

設(shè)置信號(hào)發(fā)生器通道1產(chǎn)生500 mV、100 Hz正弦波（0 V偏置）。在示波器上監(jiān)視兩個(gè)通道。結(jié)果應(yīng)與圖3類(lèi)似。

圖3 變壓器耦合型A類(lèi)功率放大器的輸入與輸出電壓

問(wèn)題

在上述實(shí)驗(yàn)中，我們使用了匝數(shù)比為1:1的變壓器。如果嘗試將變壓器的匝數(shù)比改為2:1，會(huì)發(fā)生什么？

您可以在學(xué)子專(zhuān)區(qū)論壇上找到問(wèn)題答案。

作者簡(jiǎn)介

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab^?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加入的ADI公司，目前擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，以及克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他對(duì)30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品做出了直接或間接貢獻(xiàn)，并擁有13項(xiàng)專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。