1.放大電路設(shè)計(jì)目標(biāo)

 

在 選頻放大電路對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行放大檢波[1] 中一系列的設(shè)計(jì)中，如果直接將基于工字型的電感接入放大器的輸入端，則會(huì)引起電路的自激振蕩。其中的原因很可能是 高頻管的Cbc的存在形成的Hartley振蕩器[2] 。但是使用繞制副繞組將天線接入放大電路，不僅會(huì)使天線制作變得麻煩，也會(huì)降低了系統(tǒng)的增益。下面則測(cè)試使用2SK241高頻管組成的前級(jí)LNA對(duì)來自于天線信號(hào)直接進(jìn)行放大。

 

2.晶體管2SK241

 

2SK241[3] 是由東芝生產(chǎn)的FET低噪聲高頻信號(hào)放大器。它的主要信號(hào)如下圖所示：

 

▲ 2SK241的基本參數(shù)

 

▲ 2SK241測(cè)試參考電路

 

之所以選擇這個(gè)三極管，還是由于之前在遵照由柃木憲次所著的《高頻電路設(shè)計(jì)與制作》，對(duì)于其中的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐中購買了2SK241晶體管，所以手邊有2SK241晶體管。下面基于它進(jìn)行測(cè)試。

 

▲ 高頻電路設(shè)計(jì)與制作

 

02 基本測(cè)試

 

1.靜態(tài)測(cè)試

 

測(cè)試電路如圖所示：

 

▲ 靜態(tài)測(cè)試電路

 

（1）工作電流

 

在工作電壓為+12V的時(shí)候，工作電流為 Id=4.2mA 。T1漏極工作點(diǎn)為4.86V。

 

通過 DH1766可編程直流電源[4] 改變輸出2SK241的工作電源，同時(shí)讀出輸出電流。可以得到上述電流的工作電流與電壓之間的關(guān)系。

 

▲ 工作電壓與工作電流

 

可以看到在 工作電壓的時(shí)候，輸出與Vcc之間基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。時(shí)，對(duì)應(yīng)的，對(duì)應(yīng)的電阻：

 

 

（2）輸入阻抗

 

使用 NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀[5] 測(cè)量2SK241的輸入阻抗。

 

 ◎  150kHz輸入阻抗： 

 

   電阻(kΩ)：555.04

   并聯(lián)電容(pF)：9.4

 

▲ NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果

 

由于測(cè)量的輸入阻抗還包括有偏置電阻360k歐姆，所示實(shí)際上2SK241在150kHz的輸入阻抗為：1.024MΩ。

 

2.放大接收天線

 

使用上述電路對(duì)于自行繞制的工字型電感組成的150kHz的諧振電路信號(hào)進(jìn)行放大。

 

▲ 自行繞制的工字型電感

 

（1）工字型電感參數(shù)

 

 ◎  工字型電感參數(shù)（150kHz）： 

 

   電感(uH)：1064.5

   電阻(Ω)：6.69

   品質(zhì)因子(Q)：149.9

 

▲ 使用NanoVNA測(cè)量工字型電感參數(shù)

 

（2）諧振電容

 

在工作頻率下對(duì)應(yīng)的諧振電容為：1.06nF

 

選擇一個(gè)標(biāo)稱為102的陶瓷電容，使用NanoVNA測(cè)量在150kHz下的參數(shù)：

 

 ◎  在150kHz電容參數(shù)： 

 

   電容(pF)：985.8

   串聯(lián)電阻(Ω)：22.75

   品質(zhì)因子(Q)：47.31

 

 

▲ 并聯(lián)諧振電容測(cè)量結(jié)果

 

根據(jù)上述測(cè)量的LC，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的諧振頻率：

 

 

（3）測(cè)量LC并聯(lián)諧振阻抗

 

利用NanoVNA測(cè)量LC并聯(lián)阻抗。

 

 ◎  LC并聯(lián)諧振參數(shù)： 

 

   諧振頻率(kHz)：156

   電阻(kΩ)：46.476

   品質(zhì)因子(Q)：46.325

 

▲ LC并聯(lián)諧振阻抗測(cè)量

 

可以看到由于所選用的電容（0.9858nF）所需要的電容（1.06nF），所以還需要并聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償電容為：。

 

重新選擇兩個(gè)電容，分別是 51pf,22pf進(jìn)行并聯(lián)，將諧振頻率調(diào)整到150kHz。如下是NanoVNA測(cè)量諧振對(duì)應(yīng)的阻抗。

 

▲ 測(cè)量諧振LC的阻抗

 

根據(jù)前面測(cè)量2SK241對(duì)應(yīng)的輸入端口還有 9.4pF的并聯(lián)電容，因此，將上述諧振回路連入2SK241放大電路的時(shí)候，需要減少10pF左右。為此，需要使用20pF可調(diào)電容來調(diào)整諧振頻率。

 

下圖中綠色便是一個(gè)最大為55pF可調(diào)電容器。

 

▲ 匹配有可調(diào)電容的諧振回路

 

03 放大導(dǎo)航信號(hào)

 

1.接收電路

 

下圖給出了接收電路的基本形式。

 

根據(jù)【2-2-3】測(cè)量接收天線諧振阻抗，它的并聯(lián)阻抗為46.47kΩ，【2-1-2】測(cè)量2SK241放大電路在150kHz下輸入阻抗為超過1MΩ。

 

為了達(dá)到阻抗匹配，可以使用1:4的升壓變壓器，將諧振電路接入T1柵極。為了簡單起見，下面直接將諧振回路接入T1的柵極。雖然此時(shí)，輸入阻抗不匹配，但可以達(dá)到放大器的SNR最大化。

 

▲ 接收電路

 

2.接收波形

 

將信號(hào)燈無線發(fā)送線圈放置在距離測(cè)試電路板3米的距離，打開發(fā)送狀態(tài)，測(cè)量到此時(shí)T1的漏極輸出電壓波形如下圖所示。

 

 ◎  T1漏極信號(hào)測(cè)量值： 

 

   交流信號(hào)有效值(V)：0.669

   直流信號(hào)(V)：4.97

 

▲ 測(cè)量2SK241的漏極輸出波形

 

3.接入倍壓整流電路

 

將T1的漏極的輸出電路連接倍壓整流電路。整流采用BAT54對(duì)肖特基二極管完成。負(fù)載R2取10k歐姆。根據(jù) 整流電路對(duì)應(yīng)的阻抗是多少？[6] 實(shí)驗(yàn)可以知道，此時(shí)倍壓整流電路對(duì)外阻抗大約是R2的一半，也就5k歐姆，小于T1的輸出阻抗（R1）。

 

▲ 加入倍壓整流電路

 

（1）T1漏極波形

 

如下為倍壓整流時(shí)對(duì)應(yīng)T1漏極信號(hào)波形：

 

▲ 倍壓整流時(shí)對(duì)應(yīng)T1漏極信號(hào)波形

 

（2）輸出直流電壓

 

無線線圈信號(hào)源距離測(cè)試電路2.5米左右，對(duì)應(yīng)的輸出倍壓整流直流電壓：672mV。將信號(hào)源搬移到5米距離，倍壓整流輸出為65.9mV。如果將信號(hào)源靠近測(cè)試電路，輸出倍壓整流電壓會(huì)超過5V。

 

※ 測(cè)試總結(jié)

 

1.基本結(jié)論

 

本文設(shè)計(jì)了基于高頻信號(hào)放大FET 2SK241 150kHz高頻放大電路。相比之前基于 基于超聲波升壓中周構(gòu)建的150kHz的單管選頻放大電路[7] 具有更高的增益。對(duì)比在 選頻放大電路對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行放大檢波[1] 測(cè)量得到的檢波結(jié)果，在遠(yuǎn)距離（大于3米）的情況下，輸出倍壓檢波幅值大了近10倍左右。

 

基于FET2SK241只需要借助于接收諧振回路便可以的完成對(duì)接收信號(hào)的放大，可以避免在使用LC選頻放大帶來的調(diào)節(jié)麻煩。同時(shí)也可以避免電路出現(xiàn)自激振蕩的情況。

 

2.設(shè)計(jì)參考

 

參考電路在【3-3】中給出了。其中具體參數(shù)：

 

（1）繞制接收線圈

 

在 討論工字型接收線圈天線不同匝數(shù)對(duì)于低頻定位信號(hào)檢測(cè)影響：150kHz導(dǎo)航信號(hào)[8] 接收線圈制作的參數(shù)。繞制所需要的一個(gè)大型的工字型磁骨架。它的外形和參數(shù)如下：

 

▲ 工字型磁芯

 

 ◎ 工字型磁芯:

 

   直徑：14mm

   高：19.mm

   頂、底厚度：3mm

 

▲ 使用Litz線繞制120匝之后的電感

 

 ◎ 測(cè)量實(shí)際電感參數(shù)：

 

   NanoVNA測(cè)量結(jié)果：

   SmartTweezer測(cè)量結(jié)果：

 

（2）電路其它參數(shù)

 

FET晶體管：2SK241，靜態(tài)電流4mA

可調(diào)電容：51pF

倍壓整流肖特基管：BAT54

 

 

參考資料

 

[1]選頻放大電路對(duì)于150kHz導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行放大檢波:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116274717

[2]高頻管的Cbc的存在形成的Hartley振蕩器:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116372637

[3]2SK241:https://html.alldatasheet.com/html-pdf/30633/TOSHIBA/2SK241/245/1/2SK241.html

[4]DH1766可編程直流電源:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110821452

[5]NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116295857

[6]整流電路對(duì)應(yīng)的阻抗是多少？:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113618551

[7]基于超聲波升壓中周構(gòu)建的150kHz的單管選頻放大電路:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116196406

[8]討論工字型接收線圈天線不同匝數(shù)對(duì)于低頻定位信號(hào)檢測(cè)影響：150kHz導(dǎo)航信號(hào):https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116304763

 

 

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