对比BF2452SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系

Posted 2021-05-19 卓晴

摘 要： 由于直接对于谐振天线进行放大，需要高频放大器能够有较高的阻抗，并且具有很宽的稳定运行条件。通过对比BF245，2SK30A 组成对于150kHz信号放大检波，可以看到它们所组成的电路在放大性能方面都不如2SK241。

关键字： 无线节能，导航信号，150kHz，放大检波

 

§01 JFET高频放大器

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1.设计背景

  为了能够对于 第十六届全国大学生智能车竞赛 中的 无线节能信标中的150kHz 充电和导航信号进行放大和检波。测试了 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路 ，它主要具有以下几个缺点：

• 由于使用中周变压器作为选频LC回路，实测电路体积比较大；
• 直接将接收天线接入放大回路，会产生 电感三点式自激振荡 ;
• 调节比较麻烦。

  在测试基于2SK241的150kHz的高频放大器 实验了利用2SK241组成的高频放大+倍压检波的电路，完成对于场地内的150kHz的导航信号进行检测电路。发现它的性能远高于基于中周选频放大电路。

  由于导航信号150kHz属于低频，因此下面测试一下基于几款普通JFET来完成对于150kHz信号放大检波的性能。

2.JFET晶体管

  现在手边有的JFET三极管包括有以下三个。

（1）2SK160A

  根据 2SK160A数据手册 可以知道它的重要应用与RF和AF的放大器。

^{▲ 2SK160A 基本参数}

^{▲ 2SK160A 基本参数}

（2）BF245

BF245数据手册 给出了BF245的主要参数：

^{▲ BF245主要参数}

^{▲ BF245主要参数}

（3）2SK30A

2SK30A 数据手册 给出了它的主要参数。

^{▲ 2SK30A 主要基本参数}

^{▲ 2SK30A 主要基本参数}

（4）MPF102

MPF102数据手册 显示MPF102是一款N沟道耗尽型 VHF射频放大晶体管。

^{▲ MPF102基本参数}

^{▲ MPF102转移导纳}

→ 参数分析

根据上面三个JFET的参数分析，可以看到他们都适合对于RF信号进行放大。作为放大增益的参数前向转移导纳：$\left|y_{fs}\right|$，BT245 在三个JFET中最大。

 

§02 测试BF245

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1.电路工作点设计

由于BF245的前向导纳参数$\left|y_{fs}\right|$比较大，当$V_{gs}=0$时，对应的$R_{ds}$很小，通过数字万用表测量$R_{ds}=28.3\Omega$。

  需要通过在源极接入电阻来设置电路工作点。

（1）测试电路

  下图是进行测试电路。通过调节R2的取值来设置T1的工作点。

^{▲ 测试电路}

（2）测试结果

工作参数：

R1：100kΩ
R3：0Ω
VCC：+12V

  测量R2电阻从10欧姆变化到1k欧姆，对应的工作电流情况。

【表2-1-2 不同Rds对应工作电流】

电阻(100)	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10
工作电路(A)	0.024229	0.015406	0.011443	0.009157	0.007647	0.006557	0.005753	0.005132	0.004639	0.004260

^{▲ 不同的R2下对应的Id}

^{▲ 不同的Vgs下对应的Id}

（3）选定R2=510Ω

  选定R2为510欧姆，测试T1的工作点为。

T1的工作点：

源极电压Vs：3.753V
静态工作电流Id：8.1mA
栅极电压：0V

  选择源极旁路电容C1的容值为1uF，对应$f_0=150k$Hz对应的容抗为：$$X_c=\frac{1}{2\pi f\cdot C_1}=\frac{1}{2\pi \times 150k\cdot 1\mu }=1.06\Omega$$

2.扼流电感

  在测试基于2SK241的150kHz的高频放大器使用了1.7kΩ作为T1的漏极负载，这会消耗一部分可用的电压。为此选择扼流电感作为T1的负载。希望扼流电感对应的阻抗大于2kΩ。

  在$f_0=150kHz$下，对应$X_L=2k\Omega$的电感量：$$L_0=\frac{X_L}{2\pi f_0}=\frac{2k}{2\pi \cdot 150k}=2.12mH$$

  手边有如下的环形电感，电感值:$L=2.785mH$。

^{▲ 环形电感}

  选择环形电感，避免使用工字型电感是为了避免扼流圈与天线之间形成耦合。

3.放大整流

（1）电路图

  放大整流电路如下图所示：

^{▲ 放大整流电路}

（2）面包板上的测试电路

^{▲ 测试电路}

（3）输出波形与电压

  将信标无线发射线圈放置在测试电路2米的距离。测量所得到的T1的漏极波形如下图所示。 倍压整流电压为：603.7mV。

^{▲ T1漏极的电压波形}

  将无线发送线圈的关闭。此时依然能够在T1的漏极测量到相应的波形信号。倍压检波输出依然有43.56mV。

^{▲ T1漏极的电压波形}

  这说明在扼流线圈与接收线圈中存在耦合形成电路的自激振荡.

4.扼流线圈改成电阻

  将扼流线圈修改成电阻。根据Vgs之间的电压为3.753V，所以Vds之间的电压为（12-Vgs=8.247V）。取T1工作点在Vds中电，也就是 4.124V，那么对应工作电流$I_d=8.1mA$下， 对应的漏极电阻$$R_D=\frac{4.124V}{8.1mA}=509.1\Omega$$

  取470欧姆作为T1漏极电阻。此时T1的工作点为：

T1的工作点：

Vd：8.28V
Vs：3.72V
Id：8mA

  此时T1的集电极就没有振荡信号了。打开无线节能线圈（2米距离），测量对应的波形。倍压整流输出为：119.9mV。

^{▲ T1漏极电压波形}

→ 测试总结

  通过上述测量，会发现，对于JFET 前向转移导纳比较大的BF245并没有能够发挥出它应由的高增益的特点。由于手边没有高电感值的电感，这使得为了形成很好的工作点，所选取的漏极电阻只能很小，这也就限制了增益的提高。

  将源极电阻Rs和漏极电阻Rd都更换为2.5kΩ，可以提高整个电路的增益。

T1的工作点：

Vd：7.58
Vs：4.41
Id：1.9mA

  倍压整流后的电压：267mA

^{▲ T1漏极对应的电压波形}

 

§03 测试2SK30A

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1.测试电路

  采用与测试基于2SK241的150kHz的高频放大器相同的电路。由于2SK30A输入电容与2SK241不同，需要通过调整C2来使得接收天线重新达到150kHz谐振。

T1工作点：

Vd：6.28V
Id：2.4mA

^{▲ 测试电路}

2.放大信号测量

  倍压整流输出信号幅值：279.8mV.

^{▲ T1漏极电压波形}

3.对比2SK241

  为了对比2SK30A与2SK241的增益，直接在上面的电路，将2SK30A更换成2SK241，对比放大检波输出。

  刚软成2SK241之后，重新调整C2使得接收天线达到谐振。放大波形如下图所示。倍压检波输出885.1mV。

^{▲ 2SK241漏极电压波形}

 

※ 实验结果总结 ※

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  通过对比BF245，2SK30A 组成对于150kHz信号放大检波，可以看到它们所组成的电路在放大性能方面都不如2SK241。

1.对2SK241电阻更换成扼流圈

  突发奇想，对于2SK241组成的电路，将它的2.5k电阻更换成2.75mH的扼流圈。也就是在【2-2】中所使用的扼流圈。电路居然没有振荡。而且电路的增益也略有增加。

^{▲ 利用环形电感作为扼流圈}

^{▲ T1漏极的电压波形}

  为什么对于BF245使用扼流圈电路会有震动，而使用2SK241没有振荡呢？也许这个答案需要由这两个三极管的反馈电容$C_{rss}$的大小差异。

两个JFET的反馈电容$C_{rss}$：

2SK241 ： $C_{rss}=0.035pF$
BF245： $C_{rss}=1.1pF$

  可以看到2SK241的反馈电容远远小于BF245对应的反馈电容。这个电容如果大了，就会形成Hartley电感三点式振荡器。这一点在 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 进行讨论过。

  为什么2SK241的反馈电容这么，这是由于它内部结构所决定：

  参加柃木宪次所著《高频电路设计与制作》书中所介绍，2SK241内部是级联结构，如下图所示。这就使得它反馈电容$C_{rss}$非常小。

^{▲ 2SK241内部级联结构}

2.难道我错了嘛？

今天(2021-05-05)在 21IC电子网上的一篇博文：无线广播相关信号（收音机）的发射与接收 看到了一些传统的基于单管收音机电路。就是基于MPF102（它的可替代晶体管就是BF245）的电路，这些电路在接收AM收音机的过程都表现良好。那么为什么在这里的实验没有达到想要的目标了呢？

下面截取一些上文中的插图：

^{▲ 单管收音机 1}

^{▲ 双管收音机}

 

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■ 相关文献链接:

• 信标节能电路模块第二版本调试-无线充电-2021-3-21
• 第十六届全国大学智能汽车竞赛竞速比赛规则
• 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路
• 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
• 测试基于2SK241的150kHz的高频放大器
• 2SK160A数据手册
• BF245数据手册
• 2SK30A 数据手册
• 21IC电子网上的一篇博文：无线广播相关信号（收音机）的发射与接收
• 一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102