Předzesilovače pro pásmo 23 cm s velmi malým šumem - část I.: "Návrh vstupního obvodu"

Úvod

Pro příjem EME signálů JT65 preferuji u předzesilovačů jako nejdůležitější parametr extrémně malé šumové číslo (NF dB). Proto jsem se rozhodl, s ohledem na rozsah popisované problematiky, popsat několik souvisejících témat v několika kratších článcích. Opět nechci publikovat návod na stavbu Ultra LNA. Takové návody již byly dávno publikovány. Přesto v posledním článečku uvedu popis a fotografie mé konstrukce. A v prvním článečku myšlenkové postupy s popisem jednoduchého, téměř vidláckého, ale fungujícího návrhu.

Koncepce LNA

Zesilovač řeším jako dvoustupňový. Na druhém stupni jsem použil MMIC s nízkým šumovým číslem, vestavěnými obvody bias, přizpůsobeným na impedanci vstupu i výstupu Z = 50 Ohmů. Konkrétně typ SPF5189 (PGA-103+) v pouzdře SOT-89. S takovým obvodem lze při jeho snadné montáži docílit šumového čísla kolem 0.8 dB. Šumové číslo je však závislé na teplotě čipu. S teplotou vzroste klidně o 0.2 dB. Pro dosažení extrémně malého šumového čísla jsem tedy volil jiné polovodiče, konkrétně "Ultra Low Noise Pseudomorfic HJ FET" od firmy NEC, typu NE32984D. Vyzkoušel jsem také MGF4919G od Mitsubishi a FHX05. S typem NE32984 jsem však při stejném obvodovém řešení, při stejných metodách a stejném provedení vstupního a bias obvodu dosáhl nejnižšího šumového čísla (zjištěno měřením). Celkový zisk zesilovače (oba stupně) byl omezen na cca 30 - 35 dB a dosahovaná šumová čísla NF byla kolem 0.2 dB (i lepší). Tento údaj je nutné brát s rezervou (uváděné nejistoty měření zkoušky jsou 0.15 dB).

Mechanické provedení LNA bylo koncipováno do krabičky z pocínovaného plechu rozměrů asi 67 x 46 mm, s konektory SMA a s anténním relé SMD typu HF3 56 na vstupu. Část vstupního obvodu byla vyhotovena jako vzdušná konstrukce (indukčnosti, ATC čip), ale zbytek zesilovače je na PCB.

Úvahy kolem vlivů na dosažení minimálního NF

1. Definice šumového čísla - obr. 1:

Začneme s výstupem zesilovače, který na výstupu produkuje užitečný signál So a také šum No. Na vstupu uvažujme, že do zesilovače je přiveden užitečný signál Si a současně také různé druhy šumů Ni. Šum má různý původ, přijímáme ho, dodáváme si ho z bias obvodů a také nám na každém rezistoru vzniká tzv. tepelný šum. Tato problematika by měla být popsána v samostatném článku, protože je důležitá. Nicméně, jsme nyní schopni vydefinovat dva důležité parametry, tzv. Noise Faktor (nevím, jak se to správně jmenuje česky, už jsem dlouho nechodil do školy) F = (Si/Ni) / (So/No). Noise Faktor je číslo větší než 1 a říká nám, jak nám v použitém zesilovači degraduje odstup signál/šum (S/N). Ten je vlivem degradace v zesilovači vždy na výstupu horší, jmenovatel zlomku je tedy vždycky menší než čitatel a šumový faktor musí být tedy vždycky větší, než 1. Šumové číslo Noise Figure NF dB = 10 x log (F). Protože log (1) = 0, je číselně šumové číslo v dB vždy větší než 0. Za Ultra LNA budu považovat LNA s NF menším než 0.5 dB a skutečnost, že za určitých konstrukčních podmínek lze naměřit NF = 0.15 dB. Tuto definici šumového čísla jsem si nevymyslel, byla používána v amerických pramenech, podle autora FRIISE. V německých pramenech byl používán způsob navržený FRANZEM. Vztahu podle obou definic se budu věnovat v článcích, které chci věnovat metodám měření šumového čísla. Pro účel návrhu a měření zůstanu tedy u Friisovo definice, protože je dostačující.

2. Nostalgická vzpomínka na dobré české konstrukce Přestože jsem nejen já, ale mnoho dalších hamů zkonstruoval celou řadu různých předzesilovačů, byly konstrukce, které vynikaly na svou dobu solidními parametry. Nezapomenutelné byly konstrukce podle pana Peterky, které publikovalo Amatérské rádio (červené) v 80 létech. To bylo v době, kdy mě také naučili ve škole dělat se Smithovým diagramem a já se pomocí tohoto nástroje snažil přijít věci na kloub, jak to vypadá s přizpůsobením vstupního obvodu, které bylo u tetrody MOSFET realizováno pomocí širokopásmového obvodu. Výpočty (grafické) z tehdejší doby už jsem nenašel. Schéma konstrukce jsem si však dovolil citovat na obrázku vpravo. Není moc kvalitní, v archivu mám jen jakési skenované kopie.

3. Řešení vstupního obvodu pomocí dostupných metod v dnešní době - obr. 2:   Vrátím se na okamžik k obrázku 1, ve kterém jsem uvedl názorně různé původy šumu. A ukazuji v obr. 2, kde se konkrétně v Ultra LNA berou: A. Polovodič musí pracovat v pracovním bodě, kde je dosahováno nejmenšího šumového čísla. Podle datasheetu je to u polovodiče NE32984 při napětí VDS = 2 V a při proudu ID = 10 až 20 mA. Viz diagram. B. Polovodič musí pracovat ve stabilní oblasti. To znamená, že nesmí být překročen tzv. MSG (Max Stable Gain). Pro nastavení MSG máme k dispozici jednak indukčnosti v source a jednak hodnotu ID. ID doporučuji kompromisně nastavovat od hodnoty ID = 10 mA. C. Vstupní obvod je tam od toho, aby transformoval vstupní impedanci na SMA (Z=50 Ohmů) na impedanci v oblasti poblíž minimálního šumového čísla. D. Do vstupního obvodu si přivádíme napětí - VGS, abychom mohli nastavovat pracovní bod. Zde hrozí nebezpečí, že si s napětím -VGS přivádíme rovněž tepelný šum z rezistorů v obvodech bias. E. Zásadní vliv na dosažené šumové číslo mají použité kondenzátory. Používám porcelánové ATC. Zkoušel jsem rovněž jiná dielektrika, např. slídu (Cornell Dubilier) nebo moderní mikrovlnná dielektrika (KEMET CBR06) nebo Murata. Také to fungovalo. Návrh ve Smith. diagramu prakticky - obr. 3: Postup nemá smysl komentovat. Šumové parametry polovodiče jsem bral z datasheetu (obr. 3 nahoře vlevo), opsal je do programu Smith diagramu, zadal si oblasti šumových čísel, např. od NF = 0.4 dB s krokem 0.1 dB. Kroužek se namaluje po stisknutí Draw. Na obrázku vpravo a dvou obrázcích dole jsou různá řešení vstupního obvodu pro různé hodnoty použitých indukčností a kapacit. Více řešení jsem dělal hlavně kvůli tomu, abych si ověřil, jaký vliv má ta která hodnota kapacity nebo indukčnosti především na to, zda se dostanu na hodnotu minimálního šumového čísla. O to mi šlo. U posledního ze tří obrázků jsem použil řešení s LCR v obvodu bias. Lze si rovněž vyzkoušet, jak je transformace citlivá na hodnotu R v obvodu LC. Zjistíme, že není. Dosadíme-li za R=1 Ohm nebo 10 Ohmů nebo 50 Ohmů, obvod transformuje přibližně stejně. Proto někdo tyto obvody také značí jako obvody s nízkým Q. Pozor však na předchozí tvrzení. Transformuje to, transformuje. Ovšem je rovněž důležité, aby nám tímto obvodem nelezly různé šumy z bias obvodů. Mohu ubezpečit, že tudy lezou. V jednom případě jsem podstatně zvyšoval hodnotu indukčnosti, než jsem se dostal k minimálním hodnotám NF. Tvrdím zde, že bez možnosti měření (nebo bez šumového generátoru) nelze tento obvod nastavit na nejnižší dosažitelné hodnoty NF.     Ověření širokopásmovosti vstupního obvodu O použitých vstupních obvodech se tvrdí, že jsou širokopásmové. Toto tvrzení si rovněž snadno ověříme v etapě návrhu. Viz obrázek vpravo. Na obrázku je vidět asi 15 fialových bodů. Na tyto impedance nám vstupní obvod transformuje impedance od cca 1000 MHz do 2400 MHz (kro 100 MHz). Křivka sice vyběhne z kroužku NF = 0.3 dB, ale neopustí oblast NF do 0.4 dB. Obvod se jeví jako širokopásmový.     Návrh konstrukčních rozměrů indukčností Pro první funkční vzorek je docela užitečné trefit rozměry indukčností. Existuje celá řada různých přibližných metod výpočtů. Jedna z nejjednodušších a pro popisovaný příklad dostatečně přesná je metoda kalkulátoru, který je součástí programu MMANA. Na obrázku dole vidíte postup: A. Chceme vypočítat počet závitů, tj. number of turns pro indukčnost 10 nH, tedy 0.01 mikroH. B. Budeme vinout drátem CuL (průměr 0.28 mm) na vrták o průměru 2.2 mm. Zadávám průměr 2.5 mm, protože až tak neutahuji a průměr se zvětší. C. Cívku budu roztahovat a stlačovat při ladění. Proto jednak zadám větší rozteč mezery mezi závity (between turns) a odhadnu si délku cívky kvůli návrhu plošného spoje (6.1 mm). D. Výpočtem mi vyšlo cca 3.5 závitu. Když jsem touto metodou vypočtené indukčnosti připájel do mých LNA, buď se daly nastavit na nejlepší NF nebo jsem maximálně jedenkrát indukčnost vyměnil za jinou.

Jednak, že jsem zavzpomínal na zesilovače pana Peterky z 80 let, že jsem tenkrát cosi čmáral do Smithových diagramů a tenkrát matně chápal, jak asi ten jeho předzesilovač funguje z pohledu teorie návrhu. Když jsem se k návrhům vrátil po 30 létech, metoda se pro mě nezměnila. Nejsem profesionál v oboru designu. Zůstal jsem tedy u těch jednoduchým metod z 30 let (Smith. diagram), ovšem v provedení našeho století. Použité součásti se také změnily. Hetero Junction FET jsou úžasné. A jejich slušní výrobci udávají pro vidláky (model 1957) stále ještě potřebné parametry pro nastavení pracovních bodů, stanovení oblastí minimálních šumových čísel a maximálních stabilních zisků. Takže jsem si vlastně jenom něco ověřil.

Toto je úvodní článek. Chtěl jsem popsat myšlenkové postupy návrhu, také Friisovo definici šumového čísla. Následovat budou úvahy kolem kaskádního řešení LNA (dva stupně), přes úvahu kolem měření šumového čísla a na konci uvedu popis a fotky mých zesilovačů s několika naměřenými výsledky NF pro různé polovodiče (mimo FXH05 také cosi z vyrabovaných LNB). Ještě nejsem u konce, jedno provedení prototypu je zde.
 

TU 73, Mira, ok1ufc