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    直接耦合級聯(lián)放大

    發(fā)布時間:2021-06-03 來源:卓晴 責任編輯:wenwei

    【導讀】使用兩個JFET構成直接耦合級聯(lián)放大,可以穩(wěn)定的工作在輸入和輸出都是電感負載的情況下,而不發(fā)生自激振蕩。本文通過測試 MPF102 構成的直耦級聯(lián)放大電路,驗證了這種電路的穩(wěn)定性。對于環(huán)形磁芯,工字型磁芯,帶有屏蔽的中周變壓器以及表貼電感進行測試,驗證在環(huán)境磁芯,表貼電感都可以避免電路由于外部磁耦合而產生自激振蕩。
     
    §01 JFET級聯(lián)放大
     
    討論這個問題一個主要來源是在前面  **一款N-溝道耗盡型JFET晶體管  MPF102 **[1] ,以及  對比BF245、2SK30A,2SK160A與 2SK241 對于150kHz導航信號放大關系[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(xiàn)了 哈特萊自激振蕩[3] 的情況。但作為JFET的  2SK241 卻不會,那么普通的JFET安裝 2SK241  構成級聯(lián)放大器,是否也可以獲得穩(wěn)定高增益的高頻放大效果呢?
     
    1.級聯(lián)JFET放大電路
       
    2SK241  表面上看起來是一個FET,但從內部構造來看則為兩個FET。這兩個FET形成級聯(lián)。下面是來自 圖解電路設計與制作系列的高頻電路設計與制作[4] 一書中給出的FET  2SK241 的內部結構,如下圖所示:
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-1-1 級聯(lián)型FET  **2SK241** 內部結構
      
    在其中級聯(lián)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只有 0.035pf 。
     
    2.直耦級聯(lián)電路調研
      
    使用  JFET cascade 在BING檢索放大電路。在 80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER[5] 顯示了一個基于 U1994E的級聯(lián)放大電路。它采用了輸入、輸出雙調諧回路完成 80MHz 放大電路。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-2-1 基于U1994E的級聯(lián)FET放大電路
      
    在  Cascode amplifier[6]  對于 基于 FET 級聯(lián)放大電路進行了進一步的討論,通過級聯(lián),減少了放大電路輸入輸出之間的耦合,增大了電路的帶寬。更重要的是給出了實際級聯(lián)工作的電路。如下圖所示:
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-2-2- 實際級聯(lián)放大電路
      
    在上圖中,對于 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(lián)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。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-2-3 帶有中和電容的直耦級聯(lián)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(lián)FET放大電路。其中 Q2 的偏執(zhí)電壓用來設置整個放大電路的增益控制。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-2-4 200MHz直耦級聯(lián)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制(AGC)方面的應用。其中包括了使用三級電路的串聯(lián)可以實現(xiàn)高達100dB的增益控制。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖1-2-5 兩款直耦級聯(lián)射頻放大電路
     
    3.實驗電路
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    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
      
    在面包板上搭建的實驗電路板,使用DH1766提供工作的電壓, +12V。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    在面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直接耦合級聯(lián)放大,在頻率下直接耦合級聯(lián)放大,對應的感抗為
     
    直接耦合級聯(lián)放大
     
    2.電路靜態(tài)
      
    對于面包板上的實驗電路測量對應的靜態(tài)工作點。具體數(shù)值為:
     
     ◎ 電路靜態(tài)工作點: 
     
       工作電流:4.7mA
       Q1 的 Vds:0.318V
       Q2 的 Vds:+12V
     
    3.電路動態(tài)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(wěn)定的!
      
    作為對比,將上面直耦級聯(lián)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。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    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:
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖2-3-2 直耦級聯(lián)電路放大150kHz導航信號
      
    使用 FLUKE45[10] 數(shù)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 替換上面的級聯(lián) 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,特別是對于10mH工字型的電感,測試電路是否可以穩(wěn)定工作。
     
    (1)使用工字型10mH電感
     
     ◎ 電感基本參數(shù)(10kHz): 
     
       電感量L0:9.819mH
       串聯(lián)電阻R0:42.93Ω
      
    通電后,電路出現(xiàn)了強烈的振蕩。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖2-4-1-2 電路產生了強烈的振蕩
      
    由于距離近,增益高,即使將工字型電感彎折使其與天線電感形成90°的位置關系,也會形成強烈的振蕩。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖2-4-1-3 將工字型電感彎折與天線形成90°
     
    (2)使用中周
      
    為了抑制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] .
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    超聲波升壓中周變壓器
      
    經(jīng)過測量,它的副邊的基本參數(shù)為:
     
     ◎ 中周副邊參數(shù): 
     
       電感L2:10.79mH
       串聯(lián)電阻Rs:22.98Ω
      
    接上帶有屏蔽的中周之后,電路處在臨界振蕩的狀態(tài)。使用FLUKE45測量交流值為  0.050Vrms 。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    圖2-4-2-1 電路處在臨界振蕩過程中
      
    對于150kHz的導航信號放大之后的波形如下
      
    測量交流信號的有效值:1.022V
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    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(wěn)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(shù)(10kHz): 
     
       電感量:1.239mH
       串聯(lián)等效電阻:29.75Ω
      
    將表貼電感(1mH)焊接在插針上,便于在面包板上進行測試實驗。
     
    直接耦合級聯(lián)放大
    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(wěn)定,不自激振蕩。測試對應的交流電壓為 80.34mV 。
      
    打開無線節(jié)能充電線圈,將發(fā)射線圈放置在附近2米距離。測量放大后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 對于150kHz導航信號放大關系: 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]圖解電路設計與制作系列的高頻電路設計與制作: 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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