ADALM2000實驗：變壓器耦合放大器

目標

本次實驗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

升降壓變壓器的基本定義是一種將輸入的交流電壓轉換為比原電壓更高（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，這種變壓器被稱為隔離變壓器。本文將側重討論變壓器的另一種用途，即用于匹配電路阻抗以實現最大功率傳輸。

請看圖1所示的電路。該電路是變壓器耦合型A類功率放大器，它類似于普通的放大器電路，但與集電極負載中的變壓器相連。

圖1 變壓器耦合型A類功率放大器

在此設置中，R1和R2建立分壓偏置，而發射極電阻器R3用于穩定偏置。發射極旁路電容C2用于防止發射極電路內發生負反饋。

僅當放大器輸出阻抗等于負載阻抗R_L (R4)時，從功率放大器傳輸到負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到輸出器件的功率。這可利用具有適當匝數比的降壓變壓器來實現。

變壓器輸入和輸出電阻之比就等于變壓器匝數比的平方：

由此得出計算反射阻抗的方程，其中：

■   n為降壓變壓器的初級與次級匝數之比

■   R_LP為初級中的反射阻抗

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

■   基極或集電極電阻中無信號功率損失。

■   可實現出色的阻抗匹配。

■   高增益。

■   提供直流隔離。

圖2 變壓器耦合型A類功率放大器

但這種配置并不完美，其缺點如下：

■  相對而言，對低頻信號的放大較弱。

■   變壓器會引入嗡嗡聲。

■   變壓器體積龐大，價格昂貴。

■   頻率響應較差。

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   一個NPN晶體管(2N3904)

■   一個10 kΩ電阻

■   一個20 kΩ電阻

■   一個100 Ω電阻

■   一個10μF電容

■   一個1μF電容

■   一臺HPH1-0190L/1400L六繞組變壓器

硬件設置

構建圖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

設置信號發生器通道1產生500 mV、100 Hz正弦波（0 V偏置）。在示波器上監視兩個通道。結果應與圖3類似。

圖3 變壓器耦合型A類功率放大器的輸入與輸出電壓

問題

在上述實驗中，我們使用了匝數比為1:1的變壓器。如果嘗試將變壓器的匝數比改為2:1，會發生什么？

您可以在學子專區論壇上找到問題答案。

作者簡介

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab^?、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士學位，以及克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他對30多款數據轉換器產品做出了直接或間接貢獻，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。