§01 JFET級聯(lián)放大

 

討論這個問題一個主要來源是在前面  **一款N-溝道耗盡型JFET晶體管  MPF102 **^[1] ，以及  對比BF245、2SK30A，2SK160A與 2SK241 對于150kHz導(dǎo)航信號放大關(guān)系^[2] 實(shí)驗(yàn)中多次碰到，利用電感作為漏極負(fù)載，提高JFET射頻放大器增益的時候，電路出現(xiàn)了 哈特萊自激振蕩^[3] 的情況。但作為JFET的  2SK241 卻不會，那么普通的JFET安裝 2SK241  構(gòu)成級聯(lián)放大器，是否也可以獲得穩(wěn)定高增益的高頻放大效果呢？

 

1.級聯(lián)JFET放大電路

   

2SK241  表面上看起來是一個FET，但從內(nèi)部構(gòu)造來看則為兩個FET。這兩個FET形成級聯(lián)。下面是來自 圖解電路設(shè)計(jì)與制作系列的高頻電路設(shè)計(jì)與制作^[4] 一書中給出的FET  2SK241 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

 

圖1-1-1 級聯(lián)型FET  **2SK241** 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

  

在其中級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，第二個FET的輸入阻抗比較低，因此所形成的電壓量小，由此從第一個FET的g-d反饋電容中影響到輸入級的信號量也就減少了。正是因?yàn)檫@個原因，這就是的整體的反向電容只有 0.035pf 。

 

2.直耦級聯(lián)電路調(diào)研

  

使用  JFET cascade 在BING檢索放大電路。在 80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER^[5] 顯示了一個基于 U1994E的級聯(lián)放大電路。它采用了輸入、輸出雙調(diào)諧回路完成 80MHz 放大電路。

 

圖1-2-1 基于U1994E的級聯(lián)FET放大電路

  

在  Cascode amplifier^[6]  對于 基于 FET 級聯(lián)放大電路進(jìn)行了進(jìn)一步的討論，通過級聯(lián)，減少了放大電路輸入輸出之間的耦合，增大了電路的帶寬。更重要的是給出了實(shí)際級聯(lián)工作的電路。如下圖所示：

 

圖1-2-2- 實(shí)際級聯(lián)放大電路

  

在上圖中，對于 Q2 的柵極使用了 R4，R5進(jìn)行了偏置，建立起電路工作的電流工作點(diǎn)。

  

Cascade amplifier circuit^[7] 顯示了一個帶有中和電容直耦級聯(lián)FET高頻放大電路。它的輸入和輸出也同樣采用了雙調(diào)諧電路。C3在輸出與輸入之間構(gòu)建了負(fù)反饋的中和電路。

 

圖1-2-3 帶有中和電容的直耦級聯(lián)放大電路

  

TI的應(yīng)用筆記  AN-32 FET Circuit Application^[8] 中給出了200MHz直耦級聯(lián)FET放大電路。其中 Q2 的偏執(zhí)電壓用來設(shè)置整個放大電路的增益控制。

 

圖1-2-4 200MHz直耦級聯(lián)FET放大電路

  

The Hybrid Cascode — A General  Purpose AGC IF Amplifier^[9] 則進(jìn)一步討論了這種電路在自動增益控制（AGC）方面的應(yīng)用。其中包括了使用三級電路的串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100dB的增益控制。

 

圖1-2-5 兩款直耦級聯(lián)射頻放大電路

 

3.實(shí)驗(yàn)電路

 

圖1-3-1- 測試實(shí)驗(yàn)電路

  

請注意，上述電路中沒有按照【圖1-2-2】通過電阻建立他的電流工作點(diǎn)。

 

§02 測試結(jié)果

 

1.搭建實(shí)驗(yàn)電路

  

在面包板上搭建的實(shí)驗(yàn)電路板，使用DH1766提供工作的電壓， +12V。

 

在面包板上搭建的實(shí)驗(yàn)電路板

  

上述電路中對應(yīng)的扼流圈的電感，在頻率下，對應(yīng)的感抗為

 

 

2.電路靜態(tài)

  

對于面包板上的實(shí)驗(yàn)電路測量對應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)。具體數(shù)值為：

 

 ◎ 電路靜態(tài)工作點(diǎn)： 

 

   工作電流：4.7mA

   Q1 的 Vds：0.318V

   Q2 的 Vds：+12V

 

3.電路動態(tài)特性

 

（1）測量Q2的漏極電壓

 

使用示波器測量Q2的漏極電壓波形，電路沒有自激振蕩。電路是穩(wěn)定的！

  

作為對比，將上面直耦級聯(lián)重新改換成單個 MPF102 共源放大，此時電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的自激振蕩。如下是測量得到的電路漏極電壓波形。

 

圖2-3-1 使用單個 **MPF102** 進(jìn)行共源放大，電路產(chǎn)生自激振蕩

 

（2）接收150kHz導(dǎo)航信號

  

將無線充電電源放置在附近2米距離，測量電路Q2的漏極電壓波形：

 

圖2-3-2 直耦級聯(lián)電路放大150kHz導(dǎo)航信號

  

使用 FLUKE45^[10] 數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量Q2漏極交流電壓有效值，大小為 0.478Vrms。

  

作為對比，使用 2SK241 替換上面的級聯(lián) MPF102 ，可以測量輸出的交流電壓的有效值為 0.439Vmrs。

 

4.提高扼流圈電感值

  

為了提高信號放大幅值，提高扼流圈的電感值，測試不同形式的電感，特別是對于10mH工字型的電感，測試電路是否可以穩(wěn)定工作。

 

（1）使用工字型10mH電感

 

 ◎ 電感基本參數(shù)(10kHz)： 

 

   電感量L0：9.819mH

   串聯(lián)電阻R0：42.93Ω

  

通電后，電路出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振蕩。

 

圖2-4-1-2 電路產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振蕩

  

由于距離近，增益高，即使將工字型電感彎折使其與天線電感形成90°的位置關(guān)系，也會形成強(qiáng)烈的振蕩。

 

圖2-4-1-3 將工字型電感彎折與天線形成90°

 

（2）使用中周

  

為了抑制電磁耦合造成的電路自激振蕩，使用 超聲波測距測速升壓可調(diào)中周^[11] .

 

超聲波升壓中周變壓器

  

經(jīng)過測量，它的副邊的基本參數(shù)為：

 

 ◎ 中周副邊參數(shù)： 

 

   電感L2：10.79mH

   串聯(lián)電阻Rs：22.98Ω

  

接上帶有屏蔽的中周之后，電路處在臨界振蕩的狀態(tài)。使用FLUKE45測量交流值為  0.050Vrms 。

 

圖2-4-2-1 電路處在臨界振蕩過程中

  

對于150kHz的導(dǎo)航信號放大之后的波形如下

  

測量交流信號的有效值：1.022V

 

圖2-4-2-1 放大150kHz的導(dǎo)航信號

 

※ 測試結(jié)果總結(jié)

 

1.基本結(jié)論

  

測試了工字型電感作為負(fù)載，電路中存在著強(qiáng)烈的磁耦合，產(chǎn)生劇烈的振蕩。使用帶有屏蔽外殼的超聲波測距測速升壓可調(diào)中周^[11]可以消除電磁耦合，電路可以穩(wěn)定的工作。

 

2.測試表貼電感

  

測試表貼電感是否會產(chǎn)生耦合，造成電路振蕩。

 

（1）準(zhǔn)備標(biāo)貼電感

 

 ◎ 電感基本參數(shù)(10kHz)： 

 

   電感量：1.239mH

   串聯(lián)等效電阻：29.75Ω

  

將表貼電感（1mH）焊接在插針上，便于在面包板上進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。

 

焊接到PIN 100mil上的1mH表貼電感

 

（2）測試標(biāo)貼電感

 

使用表貼電感接入電路，電路穩(wěn)定，不自激振蕩。測試對應(yīng)的交流電壓為 80.34mV 。

  

打開無線節(jié)能充電線圈，將發(fā)射線圈放置在附近2米距離。測量放大后的電壓交流有效值為 1.469Vrms 。

 

參考資料

 

[1]**一款N-溝道耗盡型JFET晶體管  MPF102 **: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116591146

[2]對比BF245、2SK30A，2SK160A與 2SK241 對于150kHz導(dǎo)航信號放大關(guān)系: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116402576

[3]哈特萊自激振蕩: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116372637

[4]圖解電路設(shè)計(jì)與制作系列的高頻電路設(shè)計(jì)與制作: http://bbs.eeworld.com.cn/thread-96449-1-1.html

[5]80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER: http://www.seekic.com/circuit_diagram/Amplifier_Circuit/80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER.html

[6]Cascode amplifier: https://www.circuitstoday.com/cascode-amplifier

[7]Cascade amplifier circuit: http://www.seekic.com/circuit_diagram/555_Circuit/Cascade_amplifier_circuit.html

[8]AN-32 FET Circuit Application: https://www.ti.com/lit/an/snoa620/snoa620.pdf

[9]The Hybrid Cascode — A General  Purpose AGC IF Amplifier: http://www.ka7exm.net/hycas/hycas_200712_qst.pdf

[10]超聲波測距測速升壓可調(diào)中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062

 

 

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