Nízkošumové předzesilovače podle OZ1PIF - zkušenosti a modifikace

LNA by OZ1PIF - experience & mods story - by OK1VPZ

CZ, ENPL

Protože u nás doma stále stoupá úroveň elektromagnetického smogu na všech pásmech, OK1TEH na mne už dlouho tlačil, abych udělal nějaký trochu odolnější LNA na 70cm, než je ten náš stávající se starou dobrou MGF1302 a šumovým číslem cca 0,45 dB. Protože konstrukcí různých LNA je na webu k nalezení spousta a většina konstruktérů navíc jen opisuje jeden od druhého, vydávajíce často svojí modifikaci za originální design, je trochu problém najít osvědčenou a opakovatelnou konstrukci, která byla již zhotovena v mnoha exemplářích a přitom nejen zaručovala splnění odpovídajících parametrů ale aby navíc nebyla pro domácí výrobu mechanicky příliš složitá. Dalším - a nikoli posledním kriteriem, bylo co nejlepší přizpůsobení na vstupu LNA, protože ho obvykle používáme až za nějakým kusem kabelu v ham shacku a nikoli na svorkách antény.

Výběr tranzistoru byl jednoduchý: z důvodu dostupnosti, ceny a parametrů zvítězil populární ATF 54143, který lze koupit u GM electronic. Takže jako druhý bod jsem už jen hledal konstrukci, která by byla průsečíkem výše uvedených požadavků. Nakonec jsem se rozhodl pro konstrukci LNA podle OZ1PIF, protože jej používají některé EME stanice, jde navíc o konstrukci vzniklou vývojem původního  designu PA3BIY, popsanou v Dubusu (což považuji za jakousi garanci kvality) a navíc těchto zesilovačů bylo podle OZ1PIF vyrobeno stovky kusů, takže by mělo jít o opravdu "vychytaný LNA". Ostatně někteří si z této konstrukce vzali příklad - pokud nepůjdeme daleko, tak například hned Zdenek OK1DFC, jehož 23cm LNA používá VF konstrukci předzesilovače podle W6PQL a z obvodu OZ1PIF používá vtipný zdroj předpětí pro automatické nastavení pracovního bodu ATFka... V neposlední řadě konstrukce OZ1PIF vyhrála proto, že na webu je k dispozici kompletní návrh tišťáku v Gerberově souboru, překresleném OZ3SW,  takže není nutno nic kreslit a ztrácet tím čas, kterého je obecně málo.

Takže jsem o moc zapojení nepřemýšlel, nic jsem neanalyzoval, prostě jsem objednal výrobu prokovených desek a plechových krabiček, Matěj koupil v GMku součástky a já v Raselu SMAčka, ze šuplíku jsem vytáhnul dvacet let schovávané super nízkoztrátové trimry od firmy Air Tronic Tekelec a ruské inkurantní průchodkové kondenzátory, no a potom jsem už celý jeden den svýma třesoucíma rukama osazoval 5 desek (chtěl jsem udělat 4ks na 70cm a 1ks na dvoumetr) těchto LNA. Žádná sláva to s těmi SMD součástkami není, přece jen už hůř vidím, ale zvládnul jsem to. Jen jsem omylem zjistil, že nemám těch tranzistorů 5, ale jen 4 ks, takže jsem prozatím kompletně dokončil jen 3ks na 432 a 1ks na 144MHz.

   


Jak asi je vidět z obrázků, velice jsem se snažil - jak stárnu, ubývá sice konstruktérské invence, zato mne baví věci dělat co nejlépe. Takže si neskromně troufnu říci, že jsem konstrukční návod OZ1PIF dodržel na 99,9%. Motivace byla jasná - proč ztrácet čas s něčím, co bylo stokrát vyzkoušené! Mé zájmy leží někde trochu jinde, než je konstrukce předzesilovačů - toho jsem si užil dost za komunismu, kdy výroba předzesilovačů s co nejlepším šumovým číslem na UHF TV byla otevřením brány do svobodného světa, hi.

 

 

Zesilovače jsem oživil - nejprve stejnosměrně (ATFkem teklo kus od kusu od 53 do 58mA) a potom pomocí spektráku. Nastavil jsem maximální zisk, který se pohyboval asi o 1 dB níže, než je údaj OZ1PIF a změřil vstupní útlum odrazu - taky byl docela prima - sice ne tak dobrý, jaký uvádí autor, ale na -20dB jsem se jemným doladěním dostal bez problému. Je nutno říci, že vše se chovalo, jak má, vše ladilo správně a víceméně hned v pásmu. Nic nebylo nutno bastlit, upravovat, nebo nějak léčit. Prostě dobrá konstrukce, která chodí na první zapojení... Mimochodem - požadovaný průměr měděného drátu 2,5 mm najdete jako střední vodič koaxu H1000, hi.

     

A potom nastalo drama. Vytáhnul jsem starý (z laboratoře jedné známé společnosti vypůjčený) měřič šumového číslo od firmy HP, nechal tenhle stroj půl hodiny vytemperovat,  vzpomněl jsem si, jak se kalibruje a jal se měřit šumové číslo zhotovených předzesilovačů. První měření mnou otřáslo: 2,4 dB ! Dolaďovaní pomáhalo jen v řádech setin dB... Druhý 1,63 dB, třetí, 2,75 dB... čtvrtý jakbysmet! Šel jsem se na to raději vyspat, protože ráno je moudřejší večera.

  

Potom jsem pro neodkladné záležitosti v práci dva dny nemohl. O to více jsem ale o věci přemýšlel. Hlavou se mi honily různé teorie - například nevhodný materiál plošného spoje (to jsem zavrhnul hned, protože jeden z předzesilovačů byl postaven na originální desce od OZ1PIF), špatná várka tranzistorů (taky nesmysl, byly ze dvou různých zdrojů a z různých roků výroby), vadné SMA konektory (sice jsou čínské, ale teflonové a po propojení semirigidem byla ztráta dvou konektorů i s propojem pod 0,1dB),  špatné ladicí trimry (ale ten samý trimr ve starém LNA s MGF1302 má za výsledek šumové číslo 0,4dB). Takže hrubou závadu nikde na první pohled nevidět... Nakonec, jak už to v životě bývá, pomohla fyzika a matematika.

Výsledek primitivní matematické analýzy (i když hrubě zjednodušené) vstupního obvodu je poměrně jasný: při modelování obvodu, do kterého jsem zadával parametry jednotlivých součástek včetně jejich ztrát, se ukázalo, že zdaleka největší vliv na výsledek má  blokovací kondenzátor C4 na "studeném konci" cívky L1 vstupního rezonátoru LNA. Při reálných ztrátách (tangens delta) tohoto kondenzátoru (u malého, standardního SMD čipu 1nF z běžné keramiky) se na 430MHz nedaly čekat žádné zázraky a bylo jasné, že šumové číslo zesilovače musí být dosti mizerné... A ani rezistor R1 (100R)  kvalitě obvodu, nedostatečně zablokovaného C4, zrovna nepřidá, hi. Tím pádem bylo jasné, kde je problém. Bohužel, náhradu tohoto čipu kvalitními (výkonovými) SMD kondenzátory od firmy ATC jsem nemohl provést, protože bych potřeboval kondenzátory vyšších hodnot, než kolik mi nabízely inkurantní desky z NMTéčka, kde jsem našel jen kondenzátory do 100pF. Takže nezbývalo zase nic jiného, než zapojit vlastní hlavu ;-)

Nejlepší VF blokovací kondenzátor je žádný kondenzátor. Galvanické spojení má nejmenší ztráty seriovým odporem, hi. A pokud musíme oddělit hradlo tranzistoru stejnosměrně, je lepší to udělat na vysoké impedanci, kde ztráty keramického kondenzátoru tolik nebolí. Dalším důvodem k rekonstrukci vstupního obvodu LNA byla jeho nevhodná konstrukce z hlediska odolnosti vůči statické elektřině - je jasné, že v případě antény Yagi se u tranzistoru musí "utrhnout všechny šipky"  pokud nedaleko uhodí blesk, protože relativně vysoká impedance předpětí hradla (seriově spojené R1 + R2 + R3), rozhodně nezablokují napěťovou špičku, přenesenou do hradla přes C1... Ostatně stejnou chybu mají ve svých předzesilovačích i další konstruktéři a výsledkem jsou zvěsti, že tranzistor ATF54143 je velmi citlivý na atmosférické předpětí. Houby s octem tranzistor... na vině je nevhodná konstrukce LNA!

Nebudu vás unavovat dlouhým povídáním: modifikovaná konstrukce LNA  je na obrázcích:

   

   

Vstupní laděný obvod je narozdíl od originálu galvanicky uzemněn a z jeho "horkého konce" je hradlo FETu připojeno přes další vazební kondenzátor, jehož hodnota není kritická (empiricky jsem prokázal, že) optimální hodnota pro pásmo 432MHz vychází okolo 5,6pF. Předpětí na hradlo tranzistoru se dostává přes tlumivku. Ta je vinuta lakovaným drátem 0,25 mm na průměru 2mm (cca 30 závitů). Ostatně: těch pár obrázků je určitě lepší, než dlouhé povídání:

Dosažené šumové číslo této konstrukce je průměrně okolo 0,55 dB na obou uvedených VKV radioamatérských pásmech. Některé kusy LNA dokonce dosahovaly i hodnot ještě lepších - až okolo 0,45 dB - při měření takto extrémně malého šumového čísla ovšem záleží také na extrémní kvalitě každé konektorové redukce - kalibraci měřiče šumového číslo v to počítaje (což je možná i důvod, proč někteří radioamatéři u svých výrobků klidně naměří i hodnoty pod 0,2 dB, hi)! Ostatně doporučuji všem, kdož "bazírují" na "exaktních" měřeních šumového čísla, aby si o tom něco přečetli tady a v neposlední řadě rovněž v posledním EME NewsLetteru od K2UYH zde.

Ovšem v praxi neposloucháme ani šumovým číslem, ani hodnotou IP3, ale ušima.  A tak je čas na změření útlumu odrazu na vstupu LNA. Ajaj - tohle měření už tak pěkně, jako u původní konstrukce OZ1PIF, nevycházelo. U předzesilovačů, optimalizovaných na šumové číslo, jsou vstupní odrazy jen na úrovni minus 6 až 9 dB... Doladění na útlum odrazu -20dB šumové číslo degraduje na cca 0,7 dB. Je to logické. I u tranzistoru PHEMT bude "od přírody" vycházet šumové přizpůsobení vždy jinak, než přizpůsobení výkonové. Ostatně, nejsem jediný, kdo je o tom přesvědčen...  Výjimkou je pásmo 23cm, ovšem výhradně při konstrukci vstupního obvodu ve formě jen víceméně širokopásmového přizpůsobení - které ovšem může v případě LNA u antény Yagi během závodu způsobit pěknou paseku, protože tranzistor je potom zahlcen silnými signály jiných vysílačů (například směšovací produkty dvou TV vysílačů DVB-T dokáží dělat divy) a jakýkoli jen trochu silnější radioamatérský signál může způsobit intermodulační zhroucení LNA se všem tomu odpovídajícími následky. Některé OK stanice již vědí, o čem mluvím, hi.

Co vám lépe vyhovuje?  Výkonové, či šumové přizpůsobení? Záleží na to, kde je LNA umístěn, a jaká je fáze VF napětí na jeho vstupu, je li nepřizpůsoben. Výsledek může být různý a v praxi může být příjem lepší s horším šumovým číslem výkonově přizpůsobeného předzesilovače. Ostatně podívejte se i na jednoduchou tabulku ztrát přenosu při nepřizpůsobení a hned máte o čem přemýšlet, hi.

Pokud byste se snad pustili do takto upravené konstrukce a nemáte-li k dispozici  měřič šumového čísla, nezoufejte. Výkonové přizpůsobení je víceméně shodné s nastavením vstupního obvodu předzesilovače na maximální zisk. Optimální šumové číslo se u této konstrukce dosáhne odladěním vstupního obvodu směrem k vyšším kmitočtům tak, aby zisk na 432MHz poklesnul cca o 0,9dB. U všech 70cm předzesilovačů to vycházelo shodně. Také u dvoumetrového LNA s tímto tranzistorem to vyšlo víceméně stejně, ale protože jsem měřil jen jeden kus, neodvažuji se tento postup pro 2m verzi zobecňovat. Výsledky mého měření jsou zde:

vzorek LNA NF [dB]  optimalizováno Zisk  [dB] S11 [dB]   NF [dB] Zisk  [dB] S11 [dB] optimalizováno
1.   70cm 0,55 14,9 -6   0,78 16,0 -15
2.   70cm 0,56 15,2 -8   0,71 16,1 -20
3.   70cm 0,49 14,2 -6   0,72 15,1 -18
5.    2m 0,58 20,8 -10   0,69 21,5 -20

Upravený předzesilovač bude mít navíc nepochybně mnohem lepší odolnost proti atmosférickému přepětí, než původní verze OZ1PIF, nebo obdobná, i když upravená verze SM6FHZ. Pokud nezvolíte mojí úpravu, postavte si raději LNA (se stejným tranzistorem) podle návodu YU1AW, nebo podle F8KTH, který k tomu použil desku PCB od W6PQL. Takto konstruovaný předzesilovač toho v praxi vydrží nepochybně více, i když jeho šumové číslo bude vzhledem ke ztrátám ve vstupním rezonátoru, nepatrně horší.  Pokud byste snad chtěli zlepšit odolnost LNA proti zničení VF výkonem na jeho vstupu, musíte počítat s tím, že ochranná Schottky dioda podle tohoto návodu zhorší šumové číslo modifikovaného LNA OZ1PIF cca o 0,15 dB.

Intermodulační odolnost tohoto upraveného předzesilovače podle OZ1PIF jsem neměřil, nemám k tomu dva dostatečně kvalitní programovatelné generátory a tak se spolehnu na datasheet výrobce tranzistoru. Úprava vstupního obvodu by intermodulační odolnost LNA (oproti originálu) neměla výrazněji poškodit. Ostatně předzesilovače s extrémním IP3 mají v amatérské praxi zásadní význam, jen tehdy, pokud se jedná o odolnost přijímací soustavy vůči mimopásmovému rušení. V případě rušení v radioamatérských pásmech (například při závodě) bude pro vznik intermodulací v přijímacím řetězci LNA - RX určujícím faktorem intermodulační odolnosti téměř vždy následující přijímač. Více na toto téma zde.

Co říci závěrem? Opět se prokázalo, že je lepší měřit, než jen věřit. I zdánlivě "vychytaná" konstrukce zdaleka nemusí mít ty parametry, které se o ní na internetu dočtete. Některé webové stránky snesou víc než papír... A i jen malé zanedbání v konstrukci, či jejím popisu může vést k naprosto odlišným výsledkům.

Tolik ode mne. Příjemnou zábavu při konstrukci nějakého vhodného LNA, či snad při stavbě nějakého "přítulného" transvertoru, či polovodičového VKV PA,

Vám pro dlouhé zimní večery přeje

OK1VPZ

 

BTW: pro mechanickou fixaci malých VF tlumivek (jako té do hradla ATF54143 výše)  se mi nejvíce osvědčilo "lepidlo na opravu textilu", které se dá koupit v různých prodejnách typu Bauhaus apod. Narozdíl od jiných fixační přípravků jsem nezaznamenal vliv na VF parametry tlumivky (a tím i na zhoršení šumového čísla LNA)..

pokracovani

Dodatek k článku o nízkošumových předzesilovačích podle návrhu OK1PIF

Od doby zveřejnění mého prvního příspěvku o LNA OZ1PIF a jeho úpravách jsem udělal dva další předzesilovače. Také se mi s reakcí na úpravy mé konstrukce ozvalo několik dalších radioamatérů s poznámkami k problémům s kmitáním a s požadavky na radu, týkající se použití alternativních tranzistorů. Dovolte proto pár slov na toto téma:

a) Především doplňuji upravené schéma LNA, odrážející popsané úpravy, které si můžete porovnat s původním zapojením OZ1PIF zde:

b) Některé LNA s ATF 54143 v praxi vykazovaly mnohem horší odolnost proti silným signálům, než předzesilovače jiné. Projevovalo se to na pásmu tak, že silné stanice jakoby produkovaly značné spletry, zatímco jejich signál byl na jinou anténu a jiný předzesilovač relativně v pořádku. Ukázalo se, že některé předzesilovače (podle OZ1PIF s mou úpravou) jsou v pořádku, zatímco na jiných předzesilovačích je patrné rušení. Rušení souviselo se signálem silného místního digitálního TV vysílače (u 70cm LNA), resp. signálem lokálního FM rozhlasového vysílače s výkonem cca 10kW ERP. Řešení rébusu nabídnul Josef OK1TKP - totiž relaxace obvodu pro automatické nastavení pracovního bodu.  Při měření se skutečně ukázalo, že regulační smyčka u těch 2 kusů, které vykazovaly menší intermodulační odolnost (celkem ze 6-ti kusů) kmitá, což bylo možné indikovat osciloskopem na kolektoru PNP tranzistoru BC857 jako oscilace v nizkofrekvenční oblasti s rozkmitem několik stovek milivoltů, což samozřejmě muselo mít na intermodulační vlastnosti tranzistoru zcela zničující vliv. Relaxace ustaly zařazením tantalové kapky 10uF z kolektoru tohoto tranzistoru na zem (paralelně k C7). Ale ještě lepší je použít regulační tranzistor s menším proudovým zesilovacím činitelem (H21e), než je doporučený BC857b, uvedený v rozpisce součástek OZ1PIF, totiž BC857a, nebo BC856a s menším zesílením (označení na pouzdru 3A, nebo 3E)  a teprve potom paralelně k C7 pro jistotu doplnit tu tantalovou kapku i když s tímto tranzistorem relaxace regulační smyčky ustaly i bez blokovacího tantalového kondenzátoru. To, že tyto problémy měl i samotný OZ1PIF (i když o nich cudně mlčí), je vidět z obrázku jeho LNA, kde je na inkriminovaném místě umístěn elektrolytický kondenzátor a v rozporu mezi typem regulačního tranzistoru ve schematu a v rozpisce součástek. Také je asi vhodné říci, že původní zapojení, kdy se do hradla tranzistoru přivádělo předpětí přes laděný obvod, bylo oproti upravenému zapojení s tlumivkou, k oscilacím náchylnější.

Výsledkem je slušná praktická odolnost LNA proti silným mimopásmovým signálům, například u RX OK1TEH v Praze je příjem na pásmu 70cm při použití předzesilovače s ATF 54143 určitě trochu klidnější, než při použití předzesilovače s MGF 1302.

 

c)  Vyzkoušel jsem si rovněž použití alternativního tranzistoru - totiž levnějšího a dostupnějšího ATF 35143, který má proti původnímu ATF 54143 sice poněkud horší intermodulační odolnost, ale teoreticky ještě trochu lepší šumové číslo. V praxi se sice lepší šumové číslo příliš neprojevuje, protože, šumové číslo LNA souvisí rovněž se ztrátami ve vstupním laděném obvodě, ale jinak je tento tranzistor pro mimozávodní VKV provoz plně vyhovující náhradou špatně dostupného ATF 54143, a to se počítá...

Ovšem tranzistor ATF 35143 má ve srovnání s původním tranzistorem jiný doporučený pracovní bod (2V a 15mA oproti 3V a 55mA) a tak bylo nutno přikročit k úpravě zapojení LNA, postaveného na desce plošného spoje výše uvedené konstrukce:

  • R10 a R11 (původně 150R) nahradíme odpory 56R

  • indukčnosti L4 a L5 (2nH na 70cm) nahradíme kondenzátory s drátovými vývody 470pF, pájené s co nejkratšími vývody, případně je nahradíme SMD kondenzátory (1206) stejné hodnoty

  • do hradla tranzistoru se nebude přivádět žádné kladné předpětí - resp. hradlo bude na nulovém potenciálu, zatímco na emitorech tranzistoru se průchodem napájecího proudu cca 15-20 mA vytvoří odpovídající záporné předpětí cca 0,45 V. To dosáhneme tak, že R1 (100R) zapojíme paralelně k C4 proti zemi.

  • nebudeme osazovat regulační tranzistor, ani součástky v jeho okolí

  • hodnotu R6 (22R) změníme na 120R

  • ostatní součástky a zapojení budou stejné jako u předzesilovače s ATF 54143 s modifikací OK1VPZ (výše)

Výsledné parametry zesilovače byly měřeny pouze v jednom kuse na 70cm, takže nelze dělat širší závěry. Zisk zesilovače byl (v uvedeném zapojení) asi o 1dB menší (cca 14dB), než u téhož LNA s ATF 54143, šumové číslo bylo srovnatelné (možná dokonce "o chlup" lepší) - cca 0,45 dB.

Šumové číslo zesilovače (s oběma tranzistory) by se ještě jiste dalo zlepšit použitím laděného obvodu  s menšími ztrátami (například zkrácený lambda/4 rezonátor), než u obvodu se soustředěnými parametry (klasický LC obvod). Ale to bude úkol asi až na zimní večery, hi.

Tolik k záležitosti LNA podle OZ1PIF. Třeba to někomu pomůže.

73 de OK1VPZ