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基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

發布時間：2021-07-12 來源：卓晴責任編輯：wenwei

【導讀】在選頻放大電路對於150kHz導航信號進行放大檢波[1] 中一係列的設計中，如果直接將基於工字型的電感接入放大器的輸入端，則會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] 。但是使用繞製副繞組將天線接入放大電路，不僅會使天線製作變得麻煩，也會降低了係統的增益。下麵則測試使用2SK241高頻管組成的前級LNA對來自於天線信號直接進行放大。

1.放大電路設計目標

在選頻放大電路對於150kHz導航信號進行放大檢波[1] 中一係列的設計中，如果直接將基於工字型的電感接入放大器的輸入端，則會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] 。但是使用繞製副繞組將天線接入放大電路，不僅會使天線製作變得麻煩，也會降低了係統的增益。下麵則測試使用2SK241高頻管組成的前級LNA對來自於天線信號直接進行放大。

2.晶體管2SK241

2SK241[3] 是由東芝生產的FET低噪聲高頻信號放大器。它的主要信號如下圖所示：

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 2SK241的基本參數

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 2SK241測試參考電路

之所以選擇這個三極管，還是由於之前在遵照由柃木憲次所著的《高頻電路設計與製作》，對於其中的內容進行實踐中購買了2SK241晶體管，所以手邊有2SK241晶體管。下麵基於它進行測試。

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 高頻電路設計與製作

02 基本測試

1.靜態測試

測試電路如圖所示：

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 靜態測試電路

（1）工作電流

在工作電壓為+12V的時候，工作電流為 Id=4.2mA 。T1漏極工作點為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係。

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▲ 工作電壓與工作電流

可以看到在工作電壓

的時候，輸出與Vcc之間基本上呈現線性關係。

時，對應的

，對應的電阻：

（2）輸入阻抗

使用 NanoVNA矢量網絡分析儀[5] 測量2SK241的輸入阻抗。

◎ 150kHz輸入阻抗：

電阻(kΩ)：555.04

並聯電容(pF)：9.4

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▲ NanoVNA矢量網絡分析結果

由於測量的輸入阻抗還包括有偏置電阻360k歐姆，所示實際上2SK241在150kHz的輸入阻抗為：1.024MΩ。

2.放大接收天線

使用上述電路對於自行繞製的工字型電感組成的150kHz的諧振電路信號進行放大。

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▲ 自行繞製的工字型電感

（1）工字型電感參數

◎ 工字型電感參數（150kHz）：

電感(uH)：1064.5

電阻(Ω)：6.69

品質因子(Q)：149.9

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▲ 使用NanoVNA測量工字型電感參數

（2）諧振電容

在工作頻率

下對應的諧振電容為：1.06nF

選擇一個標稱為102的陶瓷電容，使用NanoVNA測量在150kHz下的參數：

◎ 在150kHz電容參數：

電容(pF)：985.8

串聯電阻(Ω)：22.75

品質因子(Q)：47.31

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▲ 並聯諧振電容測量結果

根據上述測量的LC，可以計算出對應的諧振頻率：

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（3）測量LC並聯諧振阻抗

利用NanoVNA測量LC並聯阻抗。

◎ LC並聯諧振參數：

諧振頻率(kHz)：156

電阻(kΩ)：46.476

品質因子(Q)：46.325

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▲ LC並聯諧振阻抗測量

可以看到由於所選用的電容（0.9858nF）所需要的電容（1.06nF），所以還需要並聯電容進行補償。補償電容為：

。

重新選擇兩個電容，分別是 51pf,22pf進行並聯，將諧振頻率調整到150kHz。如下是NanoVNA測量諧振對應的阻抗。

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▲ 測量諧振LC的阻抗

根據前麵測量2SK241對應的輸入端口還有 9.4pF的並聯電容，因此，將上述諧振回路連入2SK241放大電路的時候，需要減少10pF左右。為此，需要使用20pF可調電容來調整諧振頻率。

下圖中綠色便是一個最大為55pF可調電容器。

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▲ 匹配有可調電容的諧振回路

03 放大導航信號

1.接收電路

下圖給出了接收電路的基本形式。

根據【2-2-3】測量接收天線諧振阻抗，它的並聯阻抗為46.47kΩ，【2-1-2】測量2SK241放大電路在150kHz下輸入阻抗為超過1MΩ。

為了達到阻抗匹配，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，下麵直接將諧振回路接入T1的柵極。雖然此時，輸入阻抗不匹配，但可以達到放大器的SNR最大化。

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▲ 接收電路

2.接收波形

將信號燈無線發送線圈放置在距離測試電路板3米的距離，打開發送狀態，測量到此時T1的漏極輸出電壓波形如下圖所示。

◎ T1漏極信號測量值：

交流信號有效值(V)：0.669

直流信號(V)：4.97

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▲ 測量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對肖特基二極管完成。負載R2取10k歐姆。根據整流電路對應的阻抗是多少？[6] 實驗可以知道，此時倍壓整流電路對外阻抗大約是R2的一半，也就5k歐姆，小於T1的輸出阻抗（R1）。

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▲ 加入倍壓整流電路

（1）T1漏極波形

如下為倍壓整流時對應T1漏極信號波形：

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▲ 倍壓整流時對應T1漏極信號波形

（2）輸出直流電壓

無線線圈信號源距離測試電路2.5米左右，對應的輸出倍壓整流直流電壓：672mV。將信號源搬移到5米距離，倍壓整流輸出為65.9mV。如果將信號源靠近測試電路，輸出倍壓整流電壓會超過5V。

※ 測試總結

1.基本結論

本文設計了基於高頻信號放大FET 2SK241 150kHz高頻放大電路。相比之前基於基於超聲波升壓中周構建的150kHz的單管選頻放大電路[7] 具有更高的增益。對比在選頻放大電路對於150kHz導航信號進行放大檢波[1] 測量得到的檢波結果，在遠距離（大於3米）的情況下，輸出倍壓檢波幅值大了近10倍左右。

基於FET2SK241隻需要借助於接收諧振回路便可以的完成對接收信號的放大，可以避免在使用LC選頻放大帶來的調節麻煩。同時也可以避免電路出現自激振蕩的情況。

2.設計參考

參考電路在【3-3】中給出了。其中具體參數：

（1）繞製接收線圈

在討論工字型接收線圈天線不同匝數對於低頻定位信號檢測影響：150kHz導航信號[8] 接收線圈製作的參數。繞製所需要的一個大型的工字型磁骨架。它的外形和參數如下：

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 工字型磁芯

◎ 工字型磁芯:

直徑：14mm

高：19.mm

頂、底厚度：3mm

基於2SK241的導航150kHz信號的高頻放大檢波

▲ 使用Litz線繞製120匝之後的電感

◎ 測量實際電感參數：

NanoVNA測量結果：

SmartTweezer測量結果：

（2）電路其它參數

FET晶體管：2SK241，靜態電流4mA

可調電容：51pF

倍壓整流肖特基管：BAT54

參考資料

[1]選頻放大電路對於150kHz導航信號進行放大檢波: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矢量網絡分析儀:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116295857

[6]整流電路對應的阻抗是多少？:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113618551

[7]基於超聲波升壓中周構建的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對於低頻定位信號檢測影響：150kHz導航信號:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116304763

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