§01 JFET級聯放大

 

討論這個問題一個主要來源是在前麵  **一款N-溝道耗盡型JFET晶體管  MPF102 **^[1]
，以及  對比BF245
、2SK30A
，2SK160A與 2SK241 對於150kHz導航信號放大關係^[2] 實驗中多次碰到，利用電感作為漏極負載，提高JFET射頻放大器增益的時候，電路出現了 哈特萊自激振蕩^[3] 的情況。但作為JFET的  2SK241 卻不會，那麼普通的JFET安裝 2SK241  構成級聯放大器
，是否也可以獲得穩定高增益的高頻放大效果呢？

 

1.級聯JFET放大電路

   

2SK241  表麵上看起來是一個FET，但從內部構造來看則為兩個FET。這兩個FET形成級聯。下麵是來自 圖解電路設計與製作係列的高頻電路設計與製作^[4] 一書中給出的FET  2SK241 的內部結構，如下圖所示：

 

圖1-1-1 級聯型FET  **2SK241** 內部結構

  

在其中級聯結構中，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。正是因為這個原因，這就是的整體的反向電容隻有 0.035pf 。

 

2.直耦級聯電路調研

  

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

 

圖1-2-1 基於U1994E的級聯FET放大電路

  

在  Cascode amplifier^[6]  對於 基於 FET 級ji聯lian放fang大da電dian路lu進jin行xing了le進jin一yi步bu的de討tao論lun
，通tong過guo級ji聯lian，減jian少shao了le放fang大da電dian路lu輸shu入ru輸shu出chu之zhi間jian的de耦ou合he
，增zeng大da了le電dian路lu的de帶dai寬kuan。更geng重zhong要yao的de是shi給gei出chu了le實shi際ji級ji聯lian工gong作zuo的de電dian路lu。如ru下xia圖tu所suo示shi：

 

圖1-2-2- 實際級聯放大電路

  

在上圖中
，對於 Q2 的柵極使用了 R4，R5進行了偏置，建立起電路工作的電流工作點。

  

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

 

圖1-2-3 帶有中和電容的直耦級聯放大電路

  

TI的應用筆記  AN-32 FET Circuit Application^[8] 中給出了200MHz直耦級聯FET放大電路。其中 Q2 的偏執電壓用來設置整個放大電路的增益控製。

 

圖1-2-4 200MHz直耦級聯FET放大電路

  

The Hybrid Cascode — A General  Purpose AGC IF Amplifier^[9] 則進一步討論了這種電路在自動增益控製（AGC）方麵的應用。其中包括了使用三級電路的串聯可以實現高達100dB的增益控製。

 

圖1-2-5 兩款直耦級聯射頻放大電路

 

3.實驗電路

 

圖1-3-1- 測試實驗電路

  

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。

 

§02 測試結果

 

1.搭建實驗電路

  

在麵包板上搭建的實驗電路板，使用DH1766提供工作的電壓， +12V。

 

在麵包板上搭建的實驗電路板

  

上述電路中對應的扼流圈的電感，在頻率下，對應的感抗為

 

 

2.電路靜態

  

對於麵包板上的實驗電路測量對應的靜態工作點。具體數值為：

 

 ◎ 電路靜態工作點： 

 

   工作電流：4.7mA

   Q1 的 Vds：0.318V

   Q2 的 Vds：+12V

 

3.電路動態特性

 

（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。電路是穩定的！

  

作為對比，將上麵直耦級聯重新改換成單個 MPF102 共源放大，此時電路產生強烈的自激振蕩。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** 進行共源放大，電路產生自激振蕩

 

（2）接收150kHz導航信號

  

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 直耦級聯電路放大150kHz導航信號

  

使用 FLUKE45^[10] 數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 替換上麵的級聯 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，特別是對於10mH工字型的電感，測試電路是否可以穩定工作。

 

（1）使用工字型10mH電感

 

 ◎ 電感基本參數(10kHz)： 

 

   電感量L0：9.819mH

   串聯電阻R0：42.93Ω

  

通電後
，電路出現了強烈的振蕩。

 

圖2-4-1-2 電路產生了強烈的振蕩

  

由於距離近
，增益高，即使將工字型電感彎折使其與天線電感形成90°的位置關係

，也會形成強烈的振蕩。

 

圖2-4-1-3 將工字型電感彎折與天線形成90°

 

（2）使用中周

  

為了抑製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中周^[11] .

 

超聲波升壓中周變壓器

  

經過測量，它的副邊的基本參數為：

 

 ◎ 中周副邊參數： 

 

   電感L2：10.79mH

   串聯電阻Rs：22.98Ω

  

接上帶有屏蔽的中周之後
，電路處在臨界振蕩的狀態。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

  

對於150kHz的導航信號放大之後的波形如下

  

測量交流信號的有效值：1.022V

 

圖2-4-2-1 放大150kHz的導航信號

 

※ 測試結果總結

 

1.基本結論

  

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

 

2.測試表貼電感

  

測試表貼電感是否會產生耦合，造成電路振蕩。

 

（1）準備標貼電感

 

 ◎ 電感基本參數(10kHz)： 

 

   電感量：1.239mH

   串聯等效電阻：29.75Ω

  

將表貼電感（1mH）焊接在插針上，便於在麵包板上進行測試實驗。

 

焊接到PIN 100mil上的1mH表貼電感

 

（2）測試標貼電感

 

使用表貼電感接入電路

，電路穩定，不自激振蕩。測試對應的交流電壓為 80.34mV 。

  

打開無線節能充電線圈
，將發射線圈放置在附近2米距離。測量放大後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 對於150kHz導航信號放大關係: 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]圖解電路設計與製作係列的高頻電路設計與製作: 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中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062

 

 

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