【導(dǎo)讀】使用兩個(gè)JFET構(gòu)成直接耦合級(jí)聯(lián)放大，可以穩(wěn)定的工作在輸入和輸出都是電感負(fù)載的情況下，而不發(fā)生自激振蕩。本文通過測(cè)試 MPF102 構(gòu)成的直耦級(jí)聯(lián)放大電路，驗(yàn)證了這種電路的穩(wěn)定性。對(duì)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(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)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(chǎn)生自激振蕩。
§01 JFET級(jí)聯(lián)放大
討論這個(gè)問題一個(gè)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(duì)比BF245、2SK30A，2SK160A與 2SK241 對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)放大關(guān)系[2] 實(shí)驗(yàn)中多次碰到，利用電感作為漏極負(fù)載，提高JFET射頻放大器增益的時(shí)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(huì)，那么普通的JFET安裝 2SK241 構(gòu)成級(jí)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(jí)聯(lián)JFET放大電路
2SK241 表面上看起來是一個(gè)FET，但從內(nèi)部構(gòu)造來看則為兩個(gè)FET。這兩個(gè)FET形成級(jí)聯(lián)。下面是來自 圖解電路設(shè)計(jì)與制作系列的高頻電路設(shè)計(jì)與制作[4] 一書中給出的FET 2SK241 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
圖1-1-1 級(jí)聯(lián)型FET **2SK241** 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
在其中級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，第二個(gè)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(gè)FET的g-d反饋電容中影響到輸入級(jí)的信號(hào)量也就減少了。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，這就是的整體的反向電容只有 0.035pf 。
2.直耦級(jí)聯(lián)電路調(diào)研
使用 JFET cascade 在BING檢索放大電路。在 80_MHz_CASCODE_AMPLIFIER[5] 顯示了一個(gè)基于 U1994E的級(jí)聯(lián)放大電路。它采用了輸入、輸出雙調(diào)諧回路完成 80MHz 放大電路。
圖1-2-1 基于U1994E的級(jí)聯(lián)FET放大電路
在 Cascode amplifier[6] 對(duì)于 基于 FET 級(jí)聯(lián)放大電路進(jìn)行了進(jìn)一步的討論，通過級(jí)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(shí)際級(jí)聯(lián)工作的電路。如下圖所示：
圖1-2-2- 實(shí)際級(jí)聯(lián)放大電路
在上圖中，對(duì)于 Q2 的柵極使用了 R4，R5進(jìn)行了偏置，建立起電路工作的電流工作點(diǎn)。
Cascade amplifier circuit[7] 顯示了一個(gè)帶有中和電容直耦級(jí)聯(lián)FET高頻放大電路。它的輸入和輸出也同樣采用了雙調(diào)諧電路。C3在輸出與輸入之間構(gòu)建了負(fù)反饋的中和電路。
圖1-2-3 帶有中和電容的直耦級(jí)聯(lián)放大電路
TI的應(yīng)用筆記 AN-32 FET Circuit Application[8] 中給出了200MHz直耦級(jí)聯(lián)FET放大電路。其中 Q2 的偏執(zhí)電壓用來設(shè)置整個(gè)放大電路的增益控制。
圖1-2-4 200MHz直耦級(jí)聯(lián)FET放大電路
The Hybrid Cascode — A General Purpose AGC IF Amplifier[9] 則進(jìn)一步討論了這種電路在自動(dòng)增益控制（AGC）方面的應(yīng)用。其中包括了使用三級(jí)電路的串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100dB的增益控制。
圖1-2-5 兩款直耦級(jí)聯(lián)射頻放大電路
3.實(shí)驗(yàn)電路
圖1-3-1- 測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路
請(qǐng)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(diǎn)。
§02 測(cè)試結(jié)果
1.搭建實(shí)驗(yàn)電路
在面包板上搭建的實(shí)驗(yàn)電路板，使用DH1766提供工作的電壓， +12V。
在面包板上搭建的實(shí)驗(yàn)電路板
上述電路中對(duì)應(yīng)的扼流圈的電感
，在頻率下
，對(duì)應(yīng)的感抗為
，在頻率下，對(duì)應(yīng)的感抗為
2.電路靜態(tài)
對(duì)于面包板上的實(shí)驗(yàn)電路測(cè)量對(duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)。具體數(shù)值為：
◎ 電路靜態(tài)工作點(diǎn)：
工作電流：4.7mA
Q1 的 Vds：0.318V
Q2 的 Vds：+12V
3.電路動(dòng)態(tài)特性
（1）測(cè)量Q2的漏極電壓
使用示波器測(cè)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(duì)比，將上面直耦級(jí)聯(lián)重新改換成單個(gè) MPF102 共源放大，此時(shí)電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的自激振蕩。如下是測(cè)量得到的電路漏極電壓波形。
圖2-3-1 使用單個(gè) **MPF102** 進(jìn)行共源放大，電路產(chǎn)生自激振蕩
（2）接收150kHz導(dǎo)航信號(hào)
將無線充電電源放置在附近2米距離，測(cè)量電路Q2的漏極電壓波形：
圖2-3-2 直耦級(jí)聯(lián)電路放大150kHz導(dǎo)航信號(hào)
使用 FLUKE45[10] 數(shù)字萬用表的交流電壓檔測(cè)量Q2漏極交流電壓有效值，大小為 0.478Vrms。
作為對(duì)比，使用 2SK241 替換上面的級(jí)聯(lián) MPF102 ，可以測(cè)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(hào)放大幅值，提高扼流圈的電感值，測(cè)試不同形式的電感，特別是對(duì)于10mH工字型的電感，測(cè)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(qiáng)烈的振蕩。
圖2-4-1-2 電路產(chǎn)生了強(qiáng)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(guān)系，也會(huì)形成強(qiáng)烈的振蕩。
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(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周[11] .
超聲波升壓中周變壓器
經(jīng)過測(cè)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(cè)量交流值為 0.050Vrms 。
圖2-4-2-1 電路處在臨界振蕩過程中
對(duì)于150kHz的導(dǎo)航信號(hào)放大之后的波形如下
測(cè)量交流信號(hào)的有效值：1.022V
圖2-4-2-1 放大150kHz的導(dǎo)航信號(hào)
※ 測(cè)試結(jié)果總結(jié)
1.基本結(jié)論
測(cè)試了工字型電感作為負(fù)載，電路中存在著強(qiáng)烈的磁耦合，產(chǎn)生劇烈的振蕩。使用帶有屏蔽外殼的超聲波測(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周[11]可以消除電磁耦合，電路可以穩(wěn)定的工作。
2.測(cè)試表貼電感
測(cè)試表貼電感是否會(huì)產(chǎn)生耦合，造成電路振蕩。
（1）準(zhǔn)備標(biāo)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(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
焊接到PIN 100mil上的1mH表貼電感
（2）測(cè)試標(biāo)貼電感
使用表貼電感接入電路，電路穩(wěn)定，不自激振蕩。測(cè)試對(duì)應(yīng)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(cè)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(duì)比BF245、2SK30A，2SK160A與 2SK241 對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)放大關(guān)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(shè)計(jì)與制作系列的高頻電路設(shè)計(jì)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(cè)距測(cè)速升壓可調(diào)中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062
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