PŘEDZESILOVAČ PRO 432 a 1296MHz
S MODERNÍM TRANZISTOREM HEMT
podle Ole Nykjaera, OZ2OE
mail: nyk@get2net.dk - homepage: www.qsl.net/oz2oe
ATF-54143 je nový tranzistor typu E-PHEMT od firmy Agilent (dříve HP), který byl vyvinut pro použití v nízkošumových zesilovačích od pásma VHF až do 6 GHz.
Typické parametry na 2GHz při 3V a 60 mA :
- šumové číslo 0,5 dB
- vysoká linearita IMD 3’rd order IP 36,2 dBm
- vysoký zisk 16,6 dB
Další užitečné výhody:
- vylepšený pracovní bod - žádné negativní předpětí !
- snadné přizpůsobení pro nejlepší šumové číslo
- nízká cena
Negativní vlastnosti:
- příliš vysoký zisk (>30 dB at VHF), to může způsobit nestabilitu
- příliš miniaturní rozměry 1,2 x 2 mm – budete potřebovat pevnou ruku!
Pro více informací se podívejte na data tranzistoru na webové stránky výrobce Agilents: www.agilent.com , kde jděte na odkaz Products a RF & Microwave a tam najdete ATF-54143.
STABILITA
Každý zesilovač musí být stabilní, a to ne pouze na provozním kmitočtu, ale také na vzdálených kmitočtech.
Stabilita může být vyjádřena jako takzvaný k-faktor. Tento k-faktor je vypočítán z kmitočtově závislých S-parametrů tranzistoru. Pokud je k>1, obvod zesilovače je nepodmínečně stabilní - takže cokoli je připojeno na vstupní a výstupní bránu zesilovače, nedojde k jeho rozkmitání.
Při využití hodnot S-parametrů pro ATF-54143 a s pomocí obvodového simulátoru ‘ARRL Radio Designer’ dostaneme následující graf průběhu k-faktoru od 0,1 do 14 GHz:
Jak můžete vidět, tranzistor je potenciálně nestabilní na kmitočtech nižších, než 3,5 GHz – a tak pozor na to divoké zvíře!
Proto, aby se rozšířila oblast stability, byl těsně na drain tranzistoru zařazen útlumový článek. Ten může být reprezentován ve formě ferritové perličky z NF hmoty, nebo pomocí odporů. Odpory připojené na hradlo tranzistoru pochopitelně také zlepší stabilitu, ale aby to nemělo negativní vliv na šumové číslo, je tato odporová zátěž použita k zatlumení tranzistoru na kmitočtech nižších, než je provozní frekvence a je proto na hradlo tranzistoru připojena pomocí frekvenční výhybky. Další stabilizační technikou je využití nepatrné indukčnosti vývodů (1-2mm) emitoru (source).
OBVODOVÝ NÁVRH
Pro návrh byl použit počítačový program ‘ARRL Radio Designer’. Běží pod operačním systémem Windows a je odvozen od profesionálního softwarového obvodového simulátoru Super-Compact (ovšem s výjimkou ceny). (Bohužel ARRL ukončil prodej tohoto programového produktu - pokud máte možnost jej získat někde z druhé ruky, udělejte to).
Postup obvodového návrhu je tento: stáhněte si z internetu S-parametry, spusťte počítačovou analýzu stability a potom rozšiřujte oblast stability pomocí zařazování odporů a/nebo pomocí neutralizace zařazováním indukčnosti v emitoru (source) tak, jak je to potřeba. Potom vypočítejte vstupní a výstupní přizpůsobení na optimální šumové přizpůsobení (což je speciální výhoda programu ‘ARRL Radio Designer’).
Program Vám potom vypočítá zisk, šumové číslo, stabilitu, vstupní PSV a řadu dalších parametrů pro dokončení návrhu zesilovače. Potom už nezbývá nic jiného, než tu věc postavit.
VSTUPNÍ PŘIZPŮSOBENÍ
Vstupní obvod transformuje reálnou impedanci 50Ohm antény na impedanci, která dává optimální přizpůsobení tranzistoru.
Pokud se podíváme na Smithův diagram, znamená to, že potřebujeme dojít z jeho středu někam do určitého bodu na jeho okraji. Čím větší tato transformace je, tím bude vstupní obvod složitější a ztrátovější. Bohužel tranzistory FET - zejména na nízkých UHF kmitočtech – mají pro optimální šumové vlastnosti spíše vysokou impedanci, což činí potíže při snaze o dosažení velmi nízkého šumového čísla zesilovače, i když použitá aktivní součástka by sama o sobě dosažení požadovaného šumového čísla umožňovala.
Velkou výhodou ATF-54143 je to, že optimální šumové přizpůsobení je poblíže středu Smithova diagramu. Na 1296 MHz stačí k přizpůsobení jen zařazení paralelní indukčnosti o hodnotě 9 nH - a to je vše. A s menší transformací má ten obvod také menší ztráty a méně kritické hodnoty součástek.
Odříznutí nízkých kmitočtů je zajištěno jednoduchou kombinací seriově zařazeného kondenzátoru a paralelní indukčnosti.
VÝSTUPNÍ PŘIZPŮSOBENÍ
Podobně jako u vstupního přizpůsobení výstupní obvod přizpůsobuje zátěž 50Ohm k
výstupu aktivního prvku, přičemž přizpůsobení může být optimalizováno buď na
největší zisk, nebo na největší výkonový přenos (podle toho, co potřebujeme).
S ohledem na vlastnosti tranzistoru je tento obvod řešen pomocí paralelní indukčnosti a seriové kapacity.
PRACOVNÍ BOD
ATF-54143 pracuje s kolektorovým (drain) napětím od 2 do 4V. Maximální
kolektorový proud je 120mA. Šumové číslo je přitom téměř nezávislé na
kolektorovém proudu a (jak se dá čekat) schopnost přenášet silné signály se s
kolektorovým proudem zvětšuje.
Zvolil jsem pracovní bod 3V and 60 mA, ale nakonec jsem z důvodu odporu 10 Ohmů v kolektoru skončil u napájecího napětí menšího o 0,6V.
Díky tomu, že jde o moderní součástku, která narozdíl od starších FETů potřebuje na hradlu kladné předpětí, aby byl nastaven správný pracovní bod, pro požadovaný kolektorový proud 60mA je potřeba mít na bázi cca + 0,59V. Pokud je hradlo připojeno na zemní potenciál, tranzistorem poteče proud jen několik mikroampér.
Tranzistor se tedy z hlediska požadovaného předpětí chová spíše jako běžný křemíkový bipolární tranzistor!
Tudíž máme na výběr, zdali předpětí pro hradlo tranzistoru získáme jednoduchým odporovým děličem, nebo použijeme zapojení s aktivním prvkem. Abych ukázal obě možnosti, použil jsem pasivní obvod předpětí pro zesilovač 1296MHz a aktivní pro 432MHz.
K odzkoušení, zdali je obvod předpětí sestaven správně ještě před osazením drahého HEMTu, stačí namísto něj zapojit běžný NPN tranzistor (např. BC547). Pokud je vše v pořádku, potom u aktivního zdroje předpětí bychom měli naměřit kolektorový proud 60mA při napětí kolektoru okolo 3V a cca 30mA a 4V v případě použití pasivního odporového děličezdroje předpětí, přičemž rozdíl je způsoben rozdílnou charakteristikou.
Zesilovač 432 MHz Naměřené údaje
na 432 MHz : šumové číslo 0.26 dB a zisk 23.2 dB
Zesilovač 1296 MHz Měřeno na 1296 MHz : šumové číslo 0.39 dB a zisk 18.4 dB
MECHANICKÁ KONSTRUKCE
Prototypy zesilovačů byly
postaveny na kousku laminátového plošného spoje FR4 o tlouštce 0,8mm, na kterém
byly vyřezáním dělicích čar vytvořeny 'ostrůvky', veliké cca 2 x 2 mm pro
připájení součástek. Konektory typu SMA jsou jednoduše připájeny na "zemní
plochu". Pro signálové UHF (a oddělovací, tlumící VHF obvod) obvody byly použity
SMD součástky.
PRAKTICKÁ REALIZACE ZESILOVAČE 432 MHz
– obvod automatického předpětí byl vytvořen na druhé, oddělené desce na
plošných spojů.
Simulace ukázala, že zesilovač pro 432MHz bude navíc stabilnější při určité indukčnosti emitoru (source) (princip neutralizace). To je vyřešeno tím, že tranzistor je na desce pájen "vzhůru nohama" , což umožńuje definované využití indukčnosti vývodů podle obrázku, které představují indukčnost cca 0.5 nH. Hradlo a kolektor je připájen přímo na SMD součástky bez využití jakéhokoli 'ostrůvku' na plošném spoji aby se neuplatnily žádné další ztráty
ZESILOVAČ 1296 MHz -
PRAKTICKÁ REALIZACE - včetně děliče předpětí:
Zesilovač pro 1296 MHz má pozici tranzistoru 'normální'. Ostrůvky na plošném
spoji jsou jen tak velké, jak je to nezbytně zapotřebí (zejména u hradla). U
'ostrůvku' pro hradlo tranzistoru se počítá s tím, že bude seříznut do tvaru
šipky ve směru k hradlu tranzistoru. V kolektorovém obvodu jsem odstranil měď v
delší 'brázdě' kde jsou (jedna na druhou) spájené přímo vývody součástek..
Hodně štestí .......
_________________________________________________________________
Volný překlad originálu, uvedeného zde provedl OK1VPZ