JFET直耦级联放大电路：MPF102，2SK102

Posted 2021-05-22 卓晴

简 介： 使用两个JFET构成直接耦合级联放大，可以稳定的工作在输入和输出都是电感负载的情况下，而不发生自激振荡。本文通过测试 MPF102 构成的直耦级联放大电路，验证了这种电路的稳定性。对于环形磁芯，工字型磁芯，带有屏蔽的中周变压器以及表贴电感进行测试，验证在环境磁芯，表贴电感都可以避免电路由于外部磁耦合而产生自激振荡。

关键词： 级联放大，JFET，150kHz导航信号

 

§01 JFET级联放大

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  讨论这个问题一个主要来源是在前面 **一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102 ** ，以及 对比BF245、2SK30A，2SK160A与 2SK241 对于150kHz导航信号放大关系 实验中多次碰到，利用电感作为漏极负载，提高JFET射频放大器增益的时候，电路出现了 哈特莱自激振荡 的情况。但作为JFET的 2SK241 却不会，那么普通的JFET安装 2SK241 构成级联放大器，是否也可以获得稳定高增益的高频放大效果呢？

1.级联JFET放大电路

   2SK241 表面上看起来是一个FET，但从内部构造来看则为两个FET。这两个FET形成级联。下面是来自 图解电路设计与制作系列的高频电路设计与制作 一书中给出的FET 2SK241 的内部结构，如下图所示：

^{▲ 图1-1-1 级联型FET **2SK241** 内部结构}

  在其中级联结构中，第二个FET的输入阻抗比较低，因此所形成的电压量小，由此从第一个FET的g-d反馈电容中影响到输入级的信号量也就减少了。正是因为这个原因，这就是的整体的反向电容只有 0.035pf 。

  那么利用在**一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102 **中的 MPF102 一次构成上述级联结构，是否也会形成于 2SK241 相同的放大电路，并且电路不会产生振荡呢？

2.直耦级联电路调研

  使用 JFET cascade 在BING检索放大电路。在 80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER 显示了一个基于 U1994E的级联放大电路。它采用了输入、输出双调谐回路完成 80MHz 放大电路。

^{▲ 图1-2-1 基于U1994E的级联FET放大电路}

  在 Cascode amplifier 对于 基于 FET 级联放大电路进行了进一步的讨论，通过级联，减少了放大电路输入输出之间的耦合，增大了电路的带宽。更重要的是给出了实际级联工作的电路。如下图所示：

^{▲ 图1-2-2 实际级联放大电路}

  在上图中，对于 Q2 的栅极使用了 R4，R5进行了偏置，建立起电路工作的电流工作点。

  Cascade amplifier circuit 显示了一个带有中和电容直耦级联FET高频放大电路。它的输入和输出也同样采用了双调谐电路。C3在输出与输入之间构建了负反馈的中和电路。

^{▲ 图1-2-3 带有中和电容的直耦级联放大电路}

  TI的应用笔记 AN-32 FET Circuit Application 中给出了200MHz直耦级联FET放大电路。其中 Q2 的偏执电压用来设置整个放大电路的增益控制。

^{▲ 图1-2-4 200MHz直耦级联FET放大电路}

  The Hybrid Cascode — A General Purpose AGC IF Amplifier 则进一步讨论了这种电路在自动增益控制（AGC）方面的应用。其中包括了使用三级电路的串联可以实现高达100dB的增益控制。

^{▲ 图1-2-5 两款直耦级联射频放大电路}

3.实验电路

  下图是组成的测试实验电路。由$L_1,C_1,C_2$组成接收150kHz的高频导航信号的谐振天线，$L_2$是扼流圈（2.127mH）负载，使用环形磁环自绕组成。元器件的制作均与 **一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102 ** 制作相同。

^{▲ 图1-3-1- 测试实验电路}

  请注意，上述电路中没有按照【图1-2-2】通过电阻建立他的电流工作点。

 

§02 测试结果

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1.搭建实验电路

  在面包板上搭建的实验电路板，使用DH1766提供工作的电压， +12V。

^{▲ 在面包板上搭建的实验电路板}

  上述电路中对应的扼流圈的电感$L_2=2.123mH$，在频率$f_0=150kHz$下，对应的感抗为$$X_0=2\pi f_0{L}_2=2001\Omega$$

  使用 一款DIY矢量网络分析仪:NanoVNA 测量 上面环形对应的扼流的参数。

在150kHz下电感参数：

Ls：940.7uH
Rs：646.4Ω
|z|：1097.26Ω
Q：1.372

^{▲ 使用NanoVNA测量电感电感量}

  对比在10kHz下使用SmartTweezer测量的电感数值与NanoVNA测量在150kHz下测量电感的数值相差很大，说明该电感应用的频率范围小于10kHz。

2.电路静态

  对于面包板上的实验电路测量对应的静态工作点。具体数值为：

电路静态工作点：

工作电流：4.7mA
Q1 的 Vds：0.318V
Q2 的 Vds：+12V

3.电路动态特性

（1）测量Q2的漏极电压

  使用示波器测量Q2的漏极电压波形，电路没有自激振荡。电路是稳定的！

  作为对比，将上面直耦级联重新改换成单个 MPF102 共源放大，此时电路产生强烈的自激振荡。如下是测量得到的电路漏极电压波形。

^{▲ 图2-3-1 使用单个 **MPF102** 进行共源放大，电路产生自激振荡}

（2）接收150kHz导航信号

  将无线充电电源放置在附近2米距离，测量电路Q2的漏极电压波形：

^{▲ 图2-3-2 直耦级联电路放大150kHz导航信号}

  使用 FLUKE45 数字万用表的交流电压档测量Q2漏极交流电压有效值，大小为 0.478Vrms。

  作为对比，使用 2SK241 替换上面的级联 MPF102 ，可以测量输出的交流电压的有效值为 0.439Vmrs。

4.提高扼流圈电感值

  为了提高信号放大幅值，提高扼流圈的电感值，测试不同形式的电感，特别是对于10mH工字型的电感，测试电路是否可以稳定工作。

（1）使用工字型10mH电感

电感基本参数(10kHz)：

电感量L0：9.819mH
串联电阻R0：42.93Ω

^{▲ 图2-4-1-1 将Q2的扼流圈改成10mH的工字型电感}

  通电后，电路出现了强烈的振荡。

^{▲ 图2-4-1-2 电路产生了强烈的振荡}

  由于距离近，增益高，即使将工字型电感弯折使其与天线电感形成90°的位置关系，也会形成强烈的振荡。

^{▲ 图2-4-1-3 将工字型电感弯折与天线形成90°}

（2）使用中周

  为了抑制电磁耦合造成的电路自激振荡，使用 超声波测距测速升压可调中周 .

^{▲ 超声波升压中周变压器}

  经过测量，它的副边的基本参数为：

中周副边参数：

电感L2：10.79mH
串联电阻Rs：22.98Ω

  接上带有屏蔽的中周之后，电路处在临界振荡的状态。使用FLUKE45测量交流值为 0.050Vrms 。

^{▲ 图2-4-2-1 电路处在临界振荡过程中}

  对于150kHz的导航信号放大之后的波形如下

  测量交流信号的有效值： 1.022V

^{▲ 图2-4-2-1 放大150kHz的导航信号}

 

※ 测试结果总结

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1.基本结论

  通过搭建 MPF102 直接耦合级联电路，验证了这种电路与 2SK241 一样可以工作在输出，输入都是电感的情况，不会发生 Hartley自激振荡 ，电路处在稳定工作状态。此时输出扼流电感采用的环形电感。

  测试了工字型电感作为负载，电路中存在着强烈的磁耦合，产生剧烈的振荡。使用带有屏蔽外壳的超声波测距测速升压可调中周可以消除电磁耦合，电路可以稳定的工作。

2.测试表贴电感

  测试表贴电感是否会产生耦合，造成电路振荡。

（1）准备标贴电感

电感基本参数(10kHz)：

电感量：1.239mH
串联等效电阻：29.75Ω

^{▲ 表贴电感}

  将表贴电感（1mH）焊接在插针上，便于在面包板上进行测试实验。

^{▲ 焊接到PIN 100mil上的1mH表贴电感}

  下面使用NanoVNA测量表贴电感的参数，在150kHz下的基本参数：

NanoVNA测试电感参数：

Ls：957.7uH
Rs：56.25
|z|：904.39
Q：16.05

^{▲ 使用NanoVNA测量表贴电感的参数}

（2）测试标贴电感

  使用表贴电感接入电路，电路稳定，不自激振荡。测试对应的交流电压为 80.34mV 。

  打开无线节能充电线圈，将发射线圈放置在附近2米距离。测量放大后的电压交流有效值为 1.469Vrms 。

^{▲ 使用标贴电感作为负载}

  另外，在 色环电感外部磁场泄露 中测试了色环电感用于扼流圈是否会产生磁场耦合振荡。通过调整电感的方向，可以抑制电路产生磁耦合振荡。在色环电感与天线垂直的时候，可以减少因为由于磁耦合负反馈造成电路的增益下降。

 

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  ■ 相关文献链接:

• 一款N-沟道耗尽型JFET晶体管 MPF102
• 对比BF245、2SK30A，2SK160A与 2SK241 对于150kHz导航信号放大关系
• 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
• 图解电路设计与制作系列的高频电路设计与制作
• 80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER
• Cascode amplifier
• Cascade amplifier circuit
• AN-32 FET Circuit Application
• The Hybrid Cascode — A General Purpose AGC IF Amplifier
• FLUKE45
• 超声波测距测速升压可调中周倒车雷达变频器传感器1:10
• 色环电感外部磁场泄露
• 本博文被推文引用的公众号-TSINGHUAZHUOQING
• 本博文被推文引用的公众号-电子森林