测试MPF102构成的直耦级联放大电路验证电路稳定性

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。

§01 JFET级联放大

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 **[1] ，以及  对比BF245、2SK30A，2SK160A与 2SK241 对于150kHz导航信号放大关系[2] 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[3] 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[4] 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 。

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[5] 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[6]  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[7] 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[8] 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[9] 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

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

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

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[10] 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

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[11] .

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

1.基本结论

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[11]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

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

（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 。

参考资料

[1]**一款N-沟道耗尽型JFET晶体管  MPF102 **: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116591146

[2]对比BF245、2SK30A，2SK160A与 2SK241 对于150kHz导航信号放大关系: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116402576

[3]哈特莱自激振荡: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116372637

[4]图解电路设计与制作系列的高频电路设计与制作: 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]超声波测距测速升压可调中周: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116144062

编辑：hfy