一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102

Posted 2021-05-19 卓晴

简 介： 博文对于刚刚购买到的JFET三极管MPF102的基本特性进行测量，测试它是否合适作为150kHz导航信号的晶体管放大电路。通过实验测试，它的高频放大性能接近2SK241，但是具有较大的输入电容。

通过实验验证，适当增加倍压整流负载电阻阻值，可以有效提高倍压整流输出电压的数值。

关键词： JFET，导航信号放大，Yfs

 

§01 JFET晶体三极管

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1.研究背景

  在前几天的 测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器 中讨论了使用JFET三极管放大在 全国大学生智能车竞赛 中的 信标节能组 的150kHz的无线导航信号。相比于 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路 ，使用JFET组成的电路不仅简介，而且增益大，稳定性高。

  在 对比BF245、2SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系 中对于手边的几款不同JFET晶体管进行了测试，以期找到增益更高的JFET三极管。但结果发现还是2SK241的效果最好。

  在另外的网络文中，看到MPF102晶体管的应用，根据 MPF102数据手册 可以知道它是一款N-沟道耗尽型JFET晶体管。适合用于VHF高频信号放大。

2.MPF102基本参数

  下面是根据MPF102数据手册得到的MPF102的基本参数。

^{▲ MPF102基本参数}

^{▲ MPF102小信号参数}

 

§02 对MPF102基本测试

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1.数字万用表电阻档测试

  数字万用表：DM3068，采用它的电阻档对于MPF102进行测量。

测量各管脚电阻：

Rds： 38.6Ω
Rsd：41.1Ω
Rgs：1.91MΩ
Rsg：∞Ω
Rgd：1.91MΩ
Rdg：∞Ω

^{▲ 插在面包板上的MPF102}

2.数字万用表二极管档测试

  使用DM3068二极管档测试MPF102各管脚之间的电压。

各管脚二极管导通电压：

Vgs： 0.721V
Vsg： 断开
Vgd： 0.720V
Vdg：断开

3.测试Vds与Ids

  测试不同Vgs下对应的Vds 与Ids之间的关系。

（1）Vgs=0V

^{▲ 不同Vds下对应的Ids}

  为了对比，下面是对应2SK241Vds与Ids之间的关系。显示了它与MPF102之间两点明显的区别：

• 饱和电流： 2SK241小于MPF102
• 横流区，2SK241输出电阻比MPF102大。

^{▲ 2SK241不同Vds下对应的Ids}

4.反向栅极电压与漏极电流

  测量JFET的反相电流与漏极饱和电流之间的关系。

（1）MPF102

^{▲ 反向栅极电压与漏极电流}

（2）2SK241

^{▲ 2SK241反向栅极电压与漏极电流}

  简单对比上面MPF102与2SK241反向电压与漏极电流之间的关系，可以看到MPF102的前向转移导纳要大于2SK241。

 

§03 组成放大电路

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1.放大电路

  下图是来自于 测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器 的高频电路放大电路。将其中的R1更换成2mH的环形电感。 将T1更换成 MPF102。

^{▲ 放大电路示意图}

  在面包板上搭建测试电路。

2.电路工作波形

  通电+9V之后，电路开始自激振荡。此时工作电流： Id=12.3mA 。

^{▲ 面包板上的实验电路}

  这个现象与 对比BF245、2SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系 现象一样，具体自激振荡的原因在 如鲠在喉的电路 - 当BJT的负载和输入都呈电感特性时的 Hartley振荡器 进行了讨论。

^{▲ Vd自激振荡波形}

 

※ 测试结论

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  通过前面测试对于MPF102的基本特性进行了检测。便于它的Crv比较大，所以直接用于构成以扼流圈为负载的放大电路，电路会出现Hartlay三点式电感振荡。振荡频率与输入天线谐振频率相同。

  所以此电路只能够形成以电阻为负载的高频放大电路。

  需要合理通过设置Rs来获得比较好的工作点以及负载电阻，从而可以获得较大的放大增益。

 

§04 带有偏置放大电路

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1.实验电路

  通过施加源极对地电阻Rs，来获得恰当的工作点。如下图所示：

^{▲ 实验电路}

^{▲ 搭建在面包板上的测试电路}

2.测量接收波形

  将信号灯无线发送线圈放置周围2米左右，测量漏极电压波形。下面是MPF102漏极输出波形。

^{▲ 漏极电压}

  作为对照，将MPF102替换成2SK241，测量得到波形为：

^{▲ 2SK241放大波形}

  明显使用2SK241所获得放大波形远大于MPF102。但是这与前面测量2SK241的前向转移导纳小于MPF102的数值是矛盾的。

  那么造成这种现象的原因可能是：它们对应的输入阻抗不同，可能造成前面接收天线衰减不同。

3.测量MPF102，2SK241输入阻抗

（1）测量输入阻抗

  使用 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA 测量MPF102，2SK241输入阻抗。

MPF102 输入阻抗：

电阻（Ω）：-1786.kΩ
电容（pF）：22.3

2SK241 输入阻抗：

电阻（Ω）：353.78kΩ
电容（pF）：7.47

（2）补偿电容

  使用102,203电容组成谐振容。对应电容为：0.952nF，可以使用55pF的电容补偿，再加上MPF102的输入电容，可以达到谐振。

  下面测量MPF102漏极电呀波形。

^{▲ MPF102漏极电压波形}

  作为对比，将MPF102替换成2SK241，对应的电压波形为：

^{▲ 2SK241漏极电压波形}

  由此可以看，这其中最主要原因是输入电容引起天线谐振的改变。

4.增加上倍压整流

  在T1的漏极增加倍压整流电路。测量输出电压。MPF102，倍压整流输出最大直流电压：275mV。作为对比，替换成2SK241之后，输出最大电压为300mV。如果将倍压整流的电阻更换成51k欧姆，2SK241的输出变成971mV。

  因此，提高接收输出的数值，可以适当增加负载阻抗来获得。如果将倍压整流输出电阻去掉，输出的电压可以超过2V。

 

※ 实验总结 ※

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  测试了MPF102 JFET的放大功能。通过实际测，它的前向传输导纳大于2SK241。

  但是在构成放大电路的时候，MPF102的放大性能基本接近与2SK241。并没有显示出他大的转移导纳的大的效果。

  MPF102由于具有比较大的反向电容，这使得它对于输入天线谐振有较大的影响。

  通过实验测试，可以看到，如果适当增加倍压整流的负载电阻，可以有效提高输出整流电压信号的幅值。

 

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  ■ 相关文献链接:

• 测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器
• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 节能信标无线感应定位测试：200kHz
• 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路
• 对比BF245、2SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系
• MPF102数据手册
• 如鲠在喉的电路 - 当BJT的负载和输入都呈电感特性时的 Hartley振荡器

 

※ 附属Python程序 ※

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1.测试Vds，Ids程序

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2021-05-10
#
# Note:
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from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *

setv = linspace(0, 9, 100)
idim = []

printf("Begin to measure...")
dh1766volt(0)
time.sleep(1)

for v in setv:
    dh1766volt(v)
    time.sleep(1)
    curr = dh1766curr()
    printff(v, curr)

    idim.append(curr)
    tspsave('measure2', setv=setv, idim=idim)

dh1766volt(0)

plt.plot(setv, idim)
plt.xlabel("Voltage(V)")
plt.ylabel("Current(A)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
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