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基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波

發(fā)布時間:2021-07-12 來源:卓晴 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在 選頻放大電路對于150kHz導(dǎo)航信號進(jìn)行放大檢波[1] 中一系列的設(shè)計中,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,不僅會使天線制作變得麻煩,也會降低了系統(tǒng)的增益。下面則測試使用2SK241高頻管組成的前級LNA對來自于天線信號直接進(jìn)行放大。
 
1.放大電路設(shè)計目標(biāo)
 
在 選頻放大電路對于150kHz導(dǎo)航信號進(jìn)行放大檢波[1] 中一系列的設(shè)計中,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,不僅會使天線制作變得麻煩,也會降低了系統(tǒng)的增益。下面則測試使用2SK241高頻管組成的前級LNA對來自于天線信號直接進(jìn)行放大。
 
2.晶體管2SK241
 
2SK241[3] 是由東芝生產(chǎn)的FET低噪聲高頻信號放大器。它的主要信號如下圖所示:
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 2SK241的基本參數(shù)
 
基于2SK241的導(dǎo)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,還是由于之前在遵照由柃木憲次所著的《高頻電路設(shè)計與制作》,對于其中的內(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)行測試。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 高頻電路設(shè)計與制作
 
02 基本測試
 
1.靜態(tài)測試
 
測試電路如圖所示:
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 靜態(tài)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(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。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 工作電壓與工作電流
 
可以看到在 工作電壓基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波的時候,輸出與Vcc之間基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波時,對應(yīng)的基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波,對應(yīng)的電阻:
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
 
(2)輸入阻抗
 
使用 NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀[5] 測量2SK241的輸入阻抗。
 
 ◎  150kHz輸入阻抗: 
 
   電阻(kΩ):555.04
   并聯(lián)電容(pF):9.4
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ NanoVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果
 
由于測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
 
使用上述電路對于自行繞制的工字型電感組成的150kHz的諧振電路信號進(jìn)行放大。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 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
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 使用NanoVNA測量工字型電感參數(shù)
 
(2)諧振電容
 
在工作頻率基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波下對應(yīng)的諧振電容為:1.06nF
 
選擇一個標(biāo)稱為102的陶瓷電容,使用NanoVNA測量在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
 
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 并聯(lián)諧振電容測量結(jié)果
 
根據(jù)上述測量的LC,可以計算出對應(yīng)的諧振頻率:
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
 
(3)測量LC并聯(lián)諧振阻抗
 
利用NanoVNA測量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
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ LC并聯(lián)諧振阻抗測量
 
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:基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波。
 
重新選擇兩個電容,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測量諧振對應(yīng)的阻抗。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 測量諧振LC的阻抗
 
根據(jù)前面測量2SK241對應(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最大為55pF可調(diào)電容器。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 匹配有可調(diào)電容的諧振回路
 
03 放大導(dǎo)航信號
 
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】測量接收天線諧振阻抗,它的并聯(lián)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(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,輸入阻抗不匹配,但可以達(dá)到放大器的SNR最大化。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 接收電路
 
2.接收波形
 
將信號燈無線發(fā)送線圈放置在距離測試電路板3米的距離,打開發(fā)送狀態(tài),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
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 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(fù)載R2取10k歐姆。根據(jù) 整流電路對應(yīng)的阻抗是多少?[6] 實(shí)驗(yàn)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,小于T1的輸出阻抗(R1)。
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 加入倍壓整流電路
 
(1)T1漏極波形
 
如下為倍壓整流時對應(yīng)T1漏極信號波形:
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 倍壓整流時對應(yīng)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(yīng)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(jié)
 
1.基本結(jié)論
 
本文設(shè)計了基于高頻信號放大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。對比在 選頻放大電路對于150kHz導(dǎo)航信號進(jìn)行放大檢波[1] 測量得到的檢波結(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接收信號的放大,可以避免在使用LC選頻放大帶來的調(diào)節(jié)麻煩。同時也可以避免電路出現(xiàn)自激振蕩的情況。
 
2.設(shè)計參考
 
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)對于低頻定位信號檢測影響:150kHz導(dǎo)航信號[8] 接收線圈制作的參數(shù)。繞制所需要的一個大型的工字型磁骨架。它的外形和參數(shù)如下:
 
基于2SK241的導(dǎo)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
 
基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
▲ 使用Litz線繞制120匝之后的電感
 
 ◎ 測量實(shí)際電感參數(shù):
 
   NanoVNA測量結(jié)果:基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
   SmartTweezer測量結(jié)果:基于2SK241的導(dǎo)航150kHz信號的高頻放大檢波
 
(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]選頻放大電路對于150kHz導(dǎo)航信號進(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)對于低頻定位信號檢測影響:150kHz導(dǎo)航信號:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116304763
 
 
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