ULNA 70

Obsah článků

Ultra LNA 70 - nízkošumový jednoduchý předzesilovač

Úvod

V průběhu roku 2016 se během mého experimentování objevila na trhu celá řada levných čipů vhodných pro konstrukci tzv. Ultra Low Noise Amplifiers. Jejich výhodou jsou doslova zázračné parametry, týkající se dosažitelného šumového čísla (typicky kolem NF = 0.3 dB), vysoké linearity (OIP3 téměř 40 dBm) a s možností jednoduchého nastavení Bias Current v rámci tzv. Active Bias. Jedná se o čipy technologie GaAs p HEMT a vyrábí je celá řada výrobců. Pro informaci uvedu typického představitele od několika výrobců, např. RFLA1022 od RFMD, SKY67150 od Skyworks nebo oblíbené čipy GRF2070 až 2073 od GuerRilla RF. U posledního výrobce se zastavím a věnuji produktům více pozornosti.

Přehled ULNA čipů výrobce Guerrilla RF

Přehled čipů jsem převzal z přehledného webu výrobce. Je zřejmé, že výrobce vyrábí čipy v různých pouzdrech (DFN, QFN), pro různé frekvenční rozsahy rozsahy a různé parametry linearity:

Volba čipu

Téměř všechny typy byly před koncem roku 2016 snadno dostupné. S ohledem na můj záměr, tj. pro použití v pásmu 23 cm a 70 cm jsem zvolil typ GRF2070. Za zmínku stojí důvod, proč jsem si vybral čip tohoto výrobce. Připouštím, že čipy od Skyworks mají snad i lepší parametr NF, nicméně, sledoval jsem cíl realizovatelnosti LNA v tzv "vidláckém" provedení na fotometodou doma vyrobené desce PCB bez prokovených děr. Výrobce Guerrila RF používá, stejně, jako ostatní výrobci, tzv. pouzdra DFN. Jenže právě Guerrilla RF obvody mají velice jednoduché a pro můj záměr výhodné uspořádání pinů. Vše je zřejmé z principielního schématu LNA:

Schéma je skutečně takto jednoduché. Na vstupu je mikropáskové vedení, vytvořené na PCB, s kondenzátorem od ATC na vstupu. Výstup jsem obligátně, tak jak jsem vyzkoušel a používám u mnoha svých konstrukcí vyřešil s vinutou napájecí tlumivkou. (Např. pro 70 cm používám 16 až 17 cm drátu CuL, tj. asi 1/4 vlnové délky o průměru 0.26 mm navinutého podle vrtáku o průměru 3.2 mm). Výstup je oddělen kondenzátorem 1nF (1206) od výstupního vedení (koaxiál H155, vlnová impedance 50 ohmů). Jediným odporem R Bias se nastavuje Bias napětí a proud. Hodnoty, parametry - viz katalogový list. Vyhovovalo mi nastavení na cca 65 až 70 mA proudu součástkou.

Tvar PCB

Deska je v krabičce z kuprextitu. Použité konektory jsou typu N (nebo SMA). Materiál FR4, tl. 1.5 mm, oboustranný. Napájení je stabilizováno třísvorkovým stabilizátorem typu 7805 v pouzdře SOT-89. Vstup a výstup stabilizátoru je blokován SMD kondenzátory. Na výstupu je odpor R = 4.7 ohmu a napájecí vinutá tlumivka. R Bias je také blokován keramickými kondenzátory hned u čipu. Deska PCB je tzv. vidláckého provedení, bez prokovených děr. Pro propojení slouží pájení desky po obvodě do kuprextitové krabičky a celkem 4 tzv. drátěné U propojky (poloha je vidět jako dvojice děr). Vše je osazeno ze strany spojů.

Konstrukční poznámky U zesilovačů této konstrukce vidím největší problém v pájení aktivního prvku. Proto jsem vybral provedení, které mělo jednoduše vyvedené piny. Pouzdro DFN je veliké 2 x 2 mm. V PCB CAD programu jsem si udělal prostor pro pájecí plošky do obdélníku o rozměrech 7 x 5.5 mm. V tomto prostoru se mi zadařilo vyvést dolů asi 1.5 mm široký vodič signálové země (GND). Nalevo je vyveden vstupní pad (pájecí špička), napravo výstupní pad, nahoru potom pad pro BIAS a opět GND. Vidlácky to pájím takto (postup). Po vyleptání v chloridu odstraním acetonem zbytky fotocitlivé vyvolané emulze. Desku opatrně nalakuji kalafunovým lakem, s výjimkou místa pro čip. Velikost takového místa je 3 x 3 mm a při lakování ho mám zakryté přípravkem vyrobeným z kuprextitu. Přípravek přiložím na desku a objedu ho opatrně kolem štětečkem s kalafunovým lakem. Po zaschnutí laku nanesu přes oba pásy vývodů flux pastu. To dělám tak, aby mezi pásy byla mezera o šířce 1mm. Na tuto mezeru opatrně nanesu nepatrné množství tzv. sekundového lepidla. Potom naberu součástku pipetou a pod lupou ji usadím vývody na pásy špiček. Mám-li jistotu, že jsem se "trefil", domačknu součástku na lepidlo břitem šroubováčku. Po přlepení a zaschnutí lepidla provedu pájení tzv. hot air opravárenskou pistolí. Pájím opatrně, s malým proudem a poměrně vysokou teplotou vzduchu. Používám jen úzkou hubici, pájím nejdřív jednu linii vývodů a součástku stále držím břitem šroubováku. Totéž udělám po chvilce i s druhou stranou vývodů. Jak pájet vidlácky čipy QFN, to nemám ještě rozmyšlené, hi ....
Výhody a nevýhody konstrukce Za výhodu konstrukce považuji dosažené parametry (jak extrémně nízké NF, tak vysokou linearitu) a jednoduchost konstrukce. V podstatě jsem neměl pro pásmo 70 cm nikdy lepší LNA, přestože jsem dokázal s některými čipy SPF5189 (PGA-103+) docílit při úpravě vstupního vedení i lepších šumových čísel. Za nevýhodu považuji relativní pracnost při přípravě pájení DFN pouzder a zatím bezradnost, jak vidláckou metodou zapájet pouzdra QFN.
Šumové číslo V tabulce nahoře výrobce uvádí typické hodnoty šumových čísel (v sloupci 6), kterých lze dosáhnout na uvedeném kmitočtu, při konkrétním nastavení Bias a při použití tzv. vývojové desky, která je uvedená v datasheetu. Uvedené parametry považuji za důvěryhodné, protože jsem je vidláckou konstrukcí (asi nemá až tak špatně vyvedené země), s ATC kapacitním čipem na vstupu a nastavením Bias nejen snadno docílil, ale na kmitočtu 432 MHz lehce překonal, aniž bych dělal optimalizaci vstupního obvodu za dosažením nízkého NF. Poznámky Pro jednoduchou staničku EME 70 simple, kterou jsem popsal např. zde a u které je vyfotografován LNA s jiným obvodem, bude použit v další konstrukční verzi rovněž ultra LNA této konstrukce a s obvody GRF2070. ULNA bude vybaven přepínacím MW SMD relé, podobně, jako ten dříve popsaný.