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直接耦合級(jí)聯(lián)放大

發(fā)布時(shí)間:2021-06-03 來源:卓晴 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】使用兩個(gè)JFET構(gòu)成直接耦合級(jí)聯(lián)放大,可以穩(wěn)定的工作在輸入和輸出都是電感負(fù)載的情況下,而不發(fā)生自激振蕩。本文通過測(cè)試 MPF102 構(gòu)成的直耦級(jí)聯(lián)放大電路,驗(yàn)證了這種電路的穩(wěn)定性。對(duì)于環(huán)形磁芯,工字型磁芯,帶有屏蔽的中周變壓器以及表貼電感進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證在環(huán)境磁芯,表貼電感都可以避免電路由于外部磁耦合而產(chǎn)生自激振蕩。
 
§01 JFET級(jí)聯(lián)放大
 
討論這個(gè)問題一個(gè)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(duì)比BF245、2SK30A,2SK160A與 2SK241 對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)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(shí)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(huì),那么普通的JFET安裝 2SK241  構(gòu)成級(jí)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(jí)聯(lián)JFET放大電路
   
2SK241  表面上看起來是一個(gè)FET,但從內(nèi)部構(gòu)造來看則為兩個(gè)FET。這兩個(gè)FET形成級(jí)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:
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-1-1 級(jí)聯(lián)型FET  **2SK241** 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  
在其中級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中,第二個(gè)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(gè)FET的g-d反饋電容中影響到輸入級(jí)的信號(hào)量也就減少了。正是因?yàn)檫@個(gè)原因,這就是的整體的反向電容只有 0.035pf 。
 
2.直耦級(jí)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(gè)基于 U1994E的級(jí)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。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-2-1 基于U1994E的級(jí)聯(lián)FET放大電路
  
在  Cascode amplifier[6]  對(duì)于 基于 FET 級(jí)聯(lián)放大電路進(jìn)行了進(jìn)一步的討論,通過級(jí)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(jí)聯(lián)工作的電路。如下圖所示:
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-2-2- 實(shí)際級(jí)聯(lián)放大電路
  
在上圖中,對(duì)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(gè)帶有中和電容直耦級(jí)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。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-2-3 帶有中和電容的直耦級(jí)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(jí)聯(lián)FET放大電路。其中 Q2 的偏執(zhí)電壓用來設(shè)置整個(gè)放大電路的增益控制。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-2-4 200MHz直耦級(jí)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(dòng)增益控制(AGC)方面的應(yīng)用。其中包括了使用三級(jí)電路的串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100dB的增益控制。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-2-5 兩款直耦級(jí)聯(lián)射頻放大電路
 
3.實(shí)驗(yàn)電路
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖1-3-1- 測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路
  
請(qǐng)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(cè)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。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
在面包板上搭建的實(shí)驗(yàn)電路板
  
上述電路中對(duì)應(yīng)的扼流圈的電感直接耦合級(jí)聯(lián)放大,在頻率下直接耦合級(jí)聯(lián)放大,對(duì)應(yīng)的感抗為
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
 
2.電路靜態(tài)
  
對(duì)于面包板上的實(shí)驗(yàn)電路測(cè)量對(duì)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(dòng)態(tài)特性
 
(1)測(cè)量Q2的漏極電壓
 
使用示波器測(cè)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(duì)比,將上面直耦級(jí)聯(lián)重新改換成單個(gè) MPF102 共源放大,此時(shí)電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的自激振蕩。如下是測(cè)量得到的電路漏極電壓波形。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖2-3-1 使用單個(gè) **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(hào)
  
將無線充電電源放置在附近2米距離,測(cè)量電路Q2的漏極電壓波形:
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖2-3-2 直耦級(jí)聯(lián)電路放大150kHz導(dǎo)航信號(hào)
  
使用 FLUKE45[10] 數(shù)字萬用表的交流電壓檔測(cè)量Q2漏極交流電壓有效值,大小為 0.478Vrms。
  
作為對(duì)比,使用 2SK241 替換上面的級(jí)聯(lián) MPF102 ,可以測(cè)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(hào)放大幅值,提高扼流圈的電感值,測(cè)試不同形式的電感,特別是對(duì)于10mH工字型的電感,測(cè)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。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
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(huì)形成強(qiáng)烈的振蕩。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
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(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周[11] .
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
超聲波升壓中周變壓器
  
經(jīng)過測(cè)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(cè)量交流值為  0.050Vrms 。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖2-4-2-1 電路處在臨界振蕩過程中
  
對(duì)于150kHz的導(dǎo)航信號(hào)放大之后的波形如下
  
測(cè)量交流信號(hào)的有效值:1.022V
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
圖2-4-2-1 放大150kHz的導(dǎo)航信號(hào)
 
※ 測(cè)試結(jié)果總結(jié)
 
1.基本結(jié)論
  
測(cè)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(cè)距測(cè)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(cè)試表貼電感
  
測(cè)試表貼電感是否會(huì)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(cè)試實(shí)驗(yàn)。
 
直接耦合級(jí)聯(lián)放大
焊接到PIN 100mil上的1mH表貼電感
 
(2)測(cè)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(cè)試對(duì)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(cè)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(duì)比BF245、2SK30A,2SK160A與 2SK241 對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)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(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062
 
 
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