Wysoce odporny niskoszumowy przedwzmacniacz dla S53WW 144 MHz

Robert S53WW jest świetnym projektantem sprzętu VHF. Na jego stronie znajdziecie też np. opis systemu antenowego 2m nadającego się na zawody oraz wysokiej jakości transwerter Javornik 144/14MHz. Poprosiłem go o zgodę na przetłumaczenie i opublikowanie tych artykułów. Robi wysłał mi to natychmiast, za co zasługuje na wielkie podziękowania. Stopniowo udostępnimy je wszystkie na stronie www.cq.sk . Ale jeśli nie chcesz czekać, odwiedź jego stronę http://lea.hamradio.si/~s53ww/.

Wstęp

Po dokładnej analizie różnych przedwzmacniaczy do mojego nowego 144/14 Transwerter MHz został ostatecznie z Infeonem BF998 MOS-FET. Miałem bardzo dobre doświadczenia ze starym BF-981, więc zacząłem testować BF998. Ten tranzystor jest tani, łatwo dostępny i ma bardzo dobre właściwości. Nie używałem GaAs FET, bo są trudne do zdobycia i drogie, podczas gdy różnice są minimalne.

Wynikało to jasno z analizy transwertera, co decyduje o ostatecznej wytrzymałości całego zespołu przedwzmacniacz (jeśli używasz miksera +17dBm z sygnałem oscylatora +20dBm, a następnie wzmacniacza z wyjściem IP3 > 36dBm i zaniedbujesz rezystancję HF TCVR)! ok, komercyjne odbiorniki HF nie powinny mieć złej odporności (IP3 w < +15dBm do + 25dBm, AOR-7030 do + 30dBm). W takim przypadku wyjście IP3 powinno być przynajmniej na tym poziomie (+30dBm). Hałas odbiorników HF jest na poziomie 16dB, w najlepszym przypadku około 13dB.

Jeśli oszacujemy tłumienie w kablu koncentrycznym ANT-XVRT na około 0,5 dB i wymagamy wynikowego współczynnika szumów na poziomie około 2,2 dB, dowiemy się, że wzmocnienie XVRT musi wynosić co najmniej 24 dB (o współczynniku szumów 1dB). Wynika, że, że IP3 musi być większy niż + 6dBm (=30dBm-24dB). Spełnienie tego wymogu nie jest łatwe ze względu na przedwzmacniacz.

Niskoszumowy przedwzmacniacz z równoległą kombinacją n razy BF998

Próba zainstalowania oryginalnego przedwzmacniacza z nowym BF998 nie przyniosła znaczącej poprawy. Miał zysk 26,5 dB, liczba szumów 0,8 dB, P1dB 17 dBm IP3 w 0 dBm. To nie są złe wartości, ale mogły być lepsze.

Pierwsze zdjęcie pokazuje wspólne połączenie przedwzmacniacza z dwubazowym MOSFETem pod względem maksymalnego wzmocnienia. Idss jest ustawiony na minimalny poziom hałasu (Idss jest podany w zakresie 2 do 18mA – zwykle pomiędzy 10 do 15mA). Cewka wejściowa L1 jest nawinięta na drut AgCu o średnicy 5mm 1,0mm; ma 6 nici o długości uzwojenia 11mm. Powinien być umieszczony co najmniej 2 mm nad ziemią i co najmniej 10 mm od metalowych części pudełka. Trymery pojemnościowe muszą być dobrej jakości. Diody (Infineon BAR63-04 lub BAR64-04 lub BAR14-1) służą do ochrony MOSFET. Nie mają prawie żadnego wpływu na poziom szumów ani odporność, ich spożycie w warunkach rzeczywistych jest pożądane. Najbardziej krytyczną częścią jest transformator TR1: powinien być nawinięty na dwuotworowy rdzeń o rozmiarze A7 z materiału U17 (epcos, dawniej Siemens&Matszuszita). Materiały innych producentów mogą być stosowane ze względu na obniżony zysk i P1dB. Nawijamy dwie nitki trifilarnie – zawsze jest lepszy niż autotransformator z 6 wątki (=2×3) uzwojenie pierwotne i gałąź na drugim wątku od zimnego końca (w praktyce są nawijane jako pierwsze 4 wątki, przez skręcenie drutów powstaje i zwija się gałąź 2 wątki). Zaciski TR1 muszą być skrócone do 5 mm i biegną blisko ziemi na płytce drukowanej, w przeciwnym razie mogą wystąpić oscylacje przy wysokich częstotliwościach.

Podczas eksperymentów znalazłem interesujące zaangażowanie FET (stosowany we wzmacniaczach NF), gdzie dwa identyczne FET połączone równolegle mają niższy poziom szumu niż jeden! Więc jeśli wybierzesz inny BF998 (musi mieć ten sam identyfikator, musi być wybrany), możesz wstać do 0,6dB NF, zysk 26,5dB i to samo lub gorzej (!?) IP3 w. Problem z IP3 rozwiązuje bardziej odpowiednia regulacja mocy wyjściowej – zamiast transformatora o przełożeniu 3:1 użyjemy 2:1. W ten sposób osiągamy wydajność + 28,5 dBm IP3 (P1dB to + 19dBm). Ogólne połączenie LNA n razy z BF998 pokazano na następnym rysunku (osiągnięte wartości podane są w tabeli).

Oczywiście wypróbowałem też cztery BF998 (kto by nie?) – liczba szumów jest zmniejszona do 0,5dB, zysk pozostaje 26,5dB (po ustawieniu na minimalną wartość szumów) ma wyjście IP3 i +34dBm. Aby osiągnąć tę wartość IP3, należy zmienić stosunek TR1 na 1,3:1. Gałąź L1 znajduje się w środku uzwojenia (w trzecim wątku). W pierwszej próbie wzmacniacz oscylował powyżej 3,5GHz, co nie wpłynęło na 2m. Próbowałem umieścić parę tranzystorów po każdej stronie płytki drukowanej połączonej krótkimi przewodami i oddzielnymi obwodami polaryzacji G2. (rozmieszczenie komponentów i kondensatora blokującego ma kluczowe znaczenie). Po tej regulacji oscylacja zniknęła, ale chciałbym zauważyć, że wszystkie połączenia są stabilne tylko w określonych warunkach. Układ komponentów jest krytyczny, w szczególności dotyczy kondensatora blokującego 1nF.

Schemat połączeń przedwzmacniacza n razy BF998 (podobny do jednego BF998). Wartości składników zmiennych można znaleźć w tabeli. Różni się również regulacja wejścia i wyjścia (zobacz tekst). Materiał transformatora jest taki sam jak w poprzednim przypadku, przy połykaniu więcej BF998 polecam format A4. Przedwzmacniacze można dostroić bez technologii pomiarowej za pomocą małej sztuczki do minimalnej wartości szumów: dostrajamy je do maksymalnego zysku dalej 136 MHz (liczba szumów prawie nie zmienia się w szerokim zakresie).

Tutaj możesz pobrać rysunek PCB ftp://lea.hamradio.si/pub/vhfct/lnaa2.zip.

Push-Pull LNA s BF998

Wzmacniacz push-pulse jest równy wzmocnieniu dwustopniowego wzmacniacza pojedynczego, a IP3 jest o 3dB lepsze niż w przypadku konstrukcji równoległej. Więc próbowałem podłączyć parę BF998 do push-pull. Pierwsze wyniki były znakomite: Wtyczka IP3 +6 dBm (P1dB +23 dBm), ale poziom hałasu wynosił co najmniej 1,3 dB! Po zmianie obwodu wejściowego osiągnąłem poziom szumów 0,9-1,0dB, Wyjście IP3 32,5dBm z zyskiem 26,5dB (ustawienie na minimalny poziom szumów). Powstały obwód jest kombinacją dwóch jednostopniowych wzmacniaczy zgodnie z pierwszym rysunkiem.

Połączenie push-puls dwóch BF998. Cewka wejściowa L1 jest nawinięta na drut o średnicy 11mm z 1,0mm AgCu; ma 4 nici i długość uzwojenia to 7mm. Cewka wiążąca ma 1 gwint o tej samej średnicy co drut Cu emaliowany L1 tak, że nie może zwierać L1. Transformatory TR1 i TR2 są wykonane z tego samego materiału co pojedyncze LNA (rozmiar A7, materiał U17, epcos). Transformator wyjściowy TR2 ma dwa bifilarne zwoje.

Następnie próbowałem push-pull połączenie czterech BF998. Intencją było uzyskanie IP3 na poziomie około + 9dBm przy poziomie szumów około 0,8dB. Chociaż osiągnąłem IP3 tak, jak sobie wyobrażałem, Nie osiągnąłem pożądanego poziomu hałasu. Nadal był wyższy niż 1,3 dB, co wydawało się nieodpowiednie dla XVRT. Jednak ta wartość może być odpowiednia do innych celów, to wciąż wymaga eksperymentów.

Ostrzeżenie:
Te przedwzmacniacze nie nadają się do bezpośredniego podłączenia przed odbiornikiem lub transwerterem, ponieważ mają bardzo duże wzmocnienie. Ich efektywne wykorzystanie (chociaż nie polecam używania przedwzmacniaczy) jest to możliwe z elementem tłumiącym na ich wyjściu, co zmniejszy zysk. W większości przypadków wzmocnienie 6-10dB jest wystarczające dla przedwzmacniacza, czy naprawdę trzeba go użyć. Z tłumikiem -20dB całkowity poziom hałasu spada z 0,5 / 0,6 / 0,8 dB do 1,3 / 1,4 / 1,5 dB. Z tłumikiem -16dB całkowity poziom hałasu spada z 0,5 / 0,6 / 0,8 dB do 0,8 / 0,9 / 1,1 dB. Dlatego polecam zastosować tłumik -16dB za przedwzmacniaczem (wartości pi-cell są 68 omów do masy i 150 ohm między nimi).

Wysokiej jakości VHF i wyższe przedwzmacniacze można znaleźć na stronie Dragana YU1AW: www.qsl.net/yu1aw/low_noise.htm.

Czy wrzesień 2002 Zbudowałem sześć przedwzmacniaczy o współczynniku szumów 0,5-0,6dB (BF998 Philips, oznaczone Mop) i trzy o współczynniku szumów 0,8-0,9 dB (BF998 Infeon, oznaczone Mos). Zła wiadomość to, że firma Epcos zaprzestała dystrybucji materiału U17 i dlatego bardzo trudno jest znaleźć rdzenie dwuotworowe U17/A4. Ich wymiana nie jest jeszcze znana, ale rdzenie o podobnej wielkości materiału z przepuszczalnością między 20-30 mają zastosowanie…

Po zmierzeniu dziewięciu przedwzmacniaczy polecam prosty sposób na ustawienie LNA 4xBF998 na minimalny szum: ustaw trymer C na maksymalny zysk, następnie zwiększ jego pojemność, podczas gdy zysk nie zmniejsza się o 1dB! Strojenie nie jest krytyczne, obwód wejściowy jest szerokopasmowy przy ustawieniu minimalnego NF (o 10 MHz).

Robi, S53WW
http://lea.hamradio.si/~s53ww/
Przetłumaczone i zredagowane za zgodą autora przez Williama, OM3-0122