测试基于2SK241的150kHz的导航信号高频放大器

Posted 2021-05-19 卓晴

简 介： 也许沿用历史上基于JFET完成直放式收音机设计是对于智能车竞赛中150kHz低频信号接收检波的最好方式。这里也回省去了很多后期的调谐放大之麻烦和危险。如果你印象中还有童年完收音机的印象的话，那么就看看下面的介绍是否还能够给你更多的愉悦的感觉。

关键词： AM，JFET，150kHz导航信号，智能车竞赛

 

01 高频信号放大

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1.放大电路设计目标

  在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 中一系列的设计中，如果直接将基于工字型的电感接入放大器的输入端，则会引起电路的自激振荡。其中的原因很可能是 高频管的Cbc的存在形成的Hartley振荡器 。但是使用绕制副绕组将天线接入放大电路，不仅会使的天线制作变得麻烦，也会降低了系统的增益。下面则测试使用2SK241高频管组成的前级LNA对来自于天线信号直接进行放大。

下面是 2SK241中文资料 。

2.晶体管2SK241

   2SK241 是由东芝生产的FET低噪声高频信号放大器。它的主要信号如下图所示：

^{▲ 2SK241的基本参数}

^{▲ 2SK241测试参考电路}

  之所以选择这个三极管，还是由于之前在遵照由柃木宪次所著的《高频电路设计与制作》这本书，对于其中的内容进行实践中购买了这本2SK241，所以手边有2SK241晶体管。下面基于它进行实验。

^{▲ 高频电路设计与制作}

3.其它基于JFET的AM接收机

在 无线广播相关信号（收音机）的发射与接收 给出了若干基于JFET的AM收音机的电路类型。下面给出供参考。

^{▲ 基于MPF102 倍压整流收音机}

^{▲ 单管收音机2}

^{▲ 单管收音机3}

^{▲ 两管收音机}

 

02 基本测试

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1.静态测试

  测试电路如图所示：

^{▲ 静态测试电路}

（1）工作电流

  在工作电压为+12V的时候，工作电流为 4.2mA 。

  通过 DH1766可编程直流电源 改变输出2SK241的工作电源，同时读出输出电流。可以得到上述电流的工作电流与电压之间的关系。

^{▲ 工作电压与工作电流}

  可以看到在 工作电压$V_{CC}=4V$的时候，输出与Vcc之间基本上呈现线性关系。$V_{CC}=4V$时，对应的$I_D=2.162mA$，对应的电阻：$$R_d=\frac{V_{CC}}{I_D}=\frac{4}{2.162}=1.85k\Omega$$

（2）输入阻抗

  使用 NanoVNA矢量网络分析仪 测量2SK241的输入阻抗。

150kHz输入阻抗：

电阻(kΩ)：555.04
并联电容(pF)：9.4

^{▲ NanoVNA矢量网络分析结果}

  由于测量的输入阻抗还包括有偏置电阻360k欧姆，所示实际上2SK241在150kHz的输入阻抗为：1.024MΩ。

2.放大接收天线

  使用上述电路对于自行绕制的工字型电感组成的150kHz的谐振电路信号进行放大。

^{▲ 自行绕制的工字型电感}

（1）工字型电感参数

工字型电感参数（150kHz）：

电感(uH)：1064.5
电阻(Ω)：6.69
品质因子(Q)：149.9

^{▲ 使用NanoVNA测量工字型电感参数}

（2）谐振电容

  在工作频率$f_0=150kHz$下对应的谐振电容为：$$C_0=\frac{1}{{\left(2\pi f_0\right)}^2\cdot L_0}=\frac{1}{{\left(2\pi \cdot 150k\right)}^2\cdot 1064.5\mu }=1.06nF$$

  选择一个标称为102的陶瓷电容，使用NanoVNA测量在150kHz下的参数：

在150kHz电容参数：

电容(pF)： 985.8
串联电阻(Ω)：22.75
品质因子(Q)：47.31

^{▲ 并联谐振电容测量结果}

  根据上述测量的LC，可以计算出对应的谐振频率：$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_0{C}_0}}=\frac{1}{2\pi \sqrt{1064.5\mu \cdot 985.8p}}=155.364kHz$$

（3）测量LC并联谐振阻抗

  利用NanoVNA测量LC并联阻抗。

LC并联谐振参数：

谐振频率(kHz)：156
电阻(kΩ)：46.476
品质因子(Q)：46.325

^{▲ LC并联谐振阻抗测量}

  可以看到由于所选用的电容（0.9858nF）所需要的电容（1.06nF），所以还需要并联电容进行补偿。补偿电容为：$1.06-0.9858=74.2pF$。

  重新选择两个电容，分别是 51pf,22pf进行并联，将谐振频率调整到150kHz。如下是NanoVNA测量谐振对应的阻抗。

^{▲ 测量谐振LC的阻抗}

  根据前面测量2SK241对应的输入端口还有 9.4pF的并联电容，因此，将上述谐振回路连入2SK241放大电路的时候，需要减少10pF左右。为此，需要使用20pF可调电容来调整谐振频率。

  下图中绿色便是一个最大为55pF可调电容器。

^{▲ 匹配有可调电容的谐振回路}

 

03 放大导航信号

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1.接收电路

  下图给出了接收电路的基本形式。

  根据【2-2-3】测量接收天线谐振阻抗，它的并联阻抗为46.47kΩ，【2-1-2】测量2SK241放大电路在150kHz下输入阻抗为超过1MΩ。

  为了达到阻抗匹配，可以使用1:4的升压变压器，将谐振电路接入T1栅极。为了简单起见，下面直接将谐振回路接入T1的栅极。虽然此时，输入阻抗不匹配，但可以达到放大器的SNR最大化。

^{▲ 接收电路}

2.接收波形

  将信号灯无线发送线圈放置在距离测试电路板3米的距离，打开发送状态，测量到此时T1的漏极输出电压波形如下图所示。

T1漏极信号测量值：

交流信号有效值(V)： 0.669
直流信号(V)：4.97

^{▲ 测量2SK241的漏极输出波形}

3.接入倍压整流电路

  将T1的漏极的输出电路连接倍压整流电路。整流采用BAT54对肖特基二极管完成。负载R2取10k欧姆。根据 整流电路对应的阻抗是多少？ 实验可以知道，此时倍压整流电路对外阻抗大约是R2的一半，也就5k欧姆，与T1的输出阻抗（R1）基本相等。

^{▲ 加入倍压整流电路}

（1）T1漏极波形

  如下为倍压整流时对应T1漏极信号波形：

^{▲ 倍压整流时对应T1漏极信号波形}

（2）输出直流电压

  对应的输出倍压整流直流电压：672mV。

  将信号源搬移到5米距离，被压整流输出为65.9mV。

 

※ 测试总结

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1.基本结论

  本文设计了基于高频信号放大FET 2SK241 150kHz高频放大电路。相比之前基于 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路 具有更高的增益。对比在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波 测量得到的建波结果，在远距离（大于3米）的情况下，输出倍压检波幅值大了近10倍左右。

  基于FET2SK241只需要借助于接收谐振回路便可以的完成对接收信号的放大，可以避免在使用LC选频放大带来的调节麻烦。同时也可以避免电路出现自激振荡的情况。

  在 对比BF245、2SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系 中，考察了一些其他JFET来组成150kHz放大器方面的性能，发现都不如2SK241在组成高频放大检波方面方便。

  另外，对于上述直接对于谐振天线进行信号放大检波，是否需要对JFET的输入进行保护呢？毕竟这个谐振电压有可能会很大。在 对于150kHz导航信号放大检波天线保护电路 对此作了实验测试，发现不需要进行保护。

^{▲ 将无线节能线圈直接放置在接收谐振天线线圈上}

  下图显示了直接将无线充电线圈放置在谐振天线上，出现的峰峰值高度700V的谐振电压！

^{▲ 将发送天线放在接收电感上，出现的谐振电压}

2.设计参考

  参考电路在【3-3】中给出了。下面给出了更加一般设计电路：

^{▲ 设计一般参考电路}

其中具体参数：

（1）绕制接收线圈

  在 讨论工字型接收线圈天线不同匝数对于低频定位信号检测影响：150kHz导航信号 接收线圈制作的参数。绕制所需要的一个大型的工字型磁骨架。它的外形和参数如下：

^{▲ 工字型磁芯}

工字型磁芯:

直径：14mm
高：19.mm
顶、底厚度：3mm

^{▲ 使用Litz线绕制120匝之后的电感}

测量实际电感参数：

NanoVNA测量结果： $L_s=1006\mu H,R_s=3.5\Omega ,$
SmartTweezer测量结果： $L_s=1036\mu H,R_s=1.22\Omega ,$

（2）电路其它参数

• FET晶体管： 2SK241，静态电流4mA
• 可调电容： 51pF
• 倍压整流肖特基管：BAT54

 

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■ 相关文献链接:

• 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波
• 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
• 2SK241
• DH1766线性三路可编程直流电源
• 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA
• 整流电路对应的阻抗是多少？
• 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路
• 讨论工字型接收线圈天线不同匝数对于低频定位信号检测影响：150kHz导航信号
• 对比BF245、2SK30A，2SK160A与2SK241对于150kHz导航信号放大关系
• 对于150kHz导航信号放大检波天线保护电路
• 无线广播相关信号（收音机）的发射与接收