Vstupní zesilovač

Na vstupní zesilovač jsou kladeny mimořádné požadavky. Jde o nejnáročnější a zároveň jejproblematičtější díl celé konstrukce. Od zesilovače požadujeme šumové číslo pod 1dB a zároveň obrovskou odolnost proti silným signálům. To jsou protichůdné požadavky, které splnit je velmi náročné.

Na začátku jsem předpokládal použití oblíbeného tranzistoru ATF54143 u kterého je slibovaná vysoká odolnost. Bohužem měřením jsem zjistil, že výstupní IP3 je pouhých cca 22 - 25 dB. To mě opravdu zklamalo. Pak jsem chtěl použít nějaký výkonový FET jako např. MGF1802 nebo podobný. Bohužel jsem nikde na internetu nenašel solidní výsledky měření IP3. Pokud se někde o odolnosti cudně hovořilo mluvilo se o hodnotách IP3 pod 30dBm To je ale nedostatečné. Protože takový tranzistor nevlastním nemohl jsem provést vlastní měření. Kupovat za nějakých 1500kč tranzistor s nejistým výsledkem se mi opravdu nechtělo. Navíc GES už tyto tranzistory nevede a žádný z mých vyzkoušených dodavatelů taky ne. Podařilo se mi získat 5W GasFet od Mitsubichi. Ačkoliv jeho datasheet byl na informace velmi chudý, přesto to vypadalo, že bych požadovaného šumového čísla i odolnosti mohl dosáhnout. Bohužel po prvním zapnutí tranzistor odešel do silikonového nebe. Důvod neznám.

Po mnoha večerech strávených na internetu jsem musel konstatovat že jediná konstrukce, která naše požadavky splňuje (a to nejen mlhavými sliby) je zesilovač se čryřmi paralelními dvoubázovými FETy BF998, kterou popsal YU1AW.

Tento zesilovač se mi nakonec podařilo realizovat a dosáhnout skoro parametrů které autor udává. Bohužel je tento zesilovač velmi problematický - velmi rád a ochotně zakmitává. S různymi tranzistory se chová různě, takže nelze dopředu zaručit že mnou dále popsané "léčení" zesilovače bude fungovat ji dalším konstruktérům. Autor problémy se zakmitáváním sice zmiňuje ale zároveň bagatelizuje jejich vliv na vlastnosti zesilovače. Jak ale uvidíme dále zakmitávání zásadním způsobem zhoršuje odolnost zesilovače. Vliv zakmitávání na šumové číslo jsem nezaznamenal. Je ale možné, že zesilovač při připojení k šumové hlavě nekmital.

Popis zapojení

Zapojení zesilovače je zcela běžné. Liší se od zapojení s jedním FETem umístěním odboček na vstupní cívce a výstupním transformátoru. Na vstupu jsou zapojeny ochranné PIN diody. Ty mají zamezit zničení tranzistorů při přepětí na vstupu. Změřil jsem odolnost zesilovače s nimi i bez nich a ověřil si tak že nemají na IP3 žádný (měřitelný) vliv. Nesehnal jsem BAR63-04 a tak jsem místo nich použil novější diody BAP1321-04 (označení 6Fp) se stejnými parametry zakoupené u Farnella. Signál z antény je připojen odbočkou přibližně na polovině cívky L1. Abych dosáhl co nejlepšího šumového čísla udělal jsem cívku větší než v původním popisu a vinutou tlustým drátem. Dolaďovací trimr jsem použil kvalitní (Johanson, Tekelec nebo podobný) Civka je samononosná umístěná v rakvičce jejíž dno tvoří DPS zesilovače. Po řadě laborací jsem v podstatě okopíroval DPS YU1AW a umístil tranzistory po dvojicích vedle sebe. Výstupní transformátor doporučoval autor udělat na VF dvouotvorovém jádru. Já jsem ale toto jádro nesehnal a s jádry které jsem měl v šuplíku zesilovač nefungoval. Nakonec se mi osvědčilo použít toroidní jádro z materiálu N01 ø 7mm. Lepší by asi bylo jádro většího průměru případně z materiálu N01P. Takový toroid však bohužel nemám. Transformátor má 2+6 závitů drátem ø 0,4mm Cul. První dva závity jsou vinuty bifilárně. Ukázalo se, že transformátor s bililárním vinutím přinese asi o 1dB větší zisk zesilovače oproti transformátoru s normální odbočkou.

Dosažené výsledky

Zesilovač jsem postavil v několika provedeních s různými výsledky :-(. Konečné zde popisované provedení dosahuje skoro takových výsledků o jakých píše YU1AW. Šumové šíslo jsem naměřil mezi 0,7 - 0,8dB, zisk cca 27 - 28dB a výstupní IP3 asi 31dBm. Tyto parametry jsou o něco horší než by podle autora měly být. Domnívám se že je to způsobeno použitím jiného jádra výstupního transformátoru než je předepsáno autorem konstrukce.

Oživení zesilovače

Jak již jsem napsal postavil jsem několik verzí tohoto zesilovače s různými výsledky. Při prvních pokusech jsem používal tranzistory BF998 s označením MOs zakoupené u firmy GES Electronics. Dosáhl jsem slušných výsledků v odolnosti zesilovače. Při osazení 5ti tranzistorů jsem se dostal až na 35dBm. Bohužel jsem pak zjistil, že je velmi špatné šumové číslo. Nedostal jsem se pod nějakých 5dB. Zesilovač byl postavený podle YU1AW. Pokoušel jsem se vyměňovat tranzistory ale nevedlo to k žádnému výsledku ve zlepšení šumového čísla. Nakonec jsem při pokusech spotřeboval první várku tranzistorů z GES :-).

Pro další pokusy jsem postavil zde popisovanou verzi zesilovače a koupil novou várku tranzistorů. Opět s označením MOs z GES. Tentokrát bylo na první pohled jasné, že jde o úspěch. Zisk byl okolo 26 - 27dB a po nalezení správného místa pro odbočku na L1 jsem naměřil šumové číslo 0,9 až 1dB. Povzbuzen slibnými výsledky jsem se pustil do měření odolnosti a tentokrát jsem byl zklamán. Naměřil jsem IP3 pouhých 27dBm. Nakonec jsem objednal mnohem dražší tranzistory od firmy Farnell. Tato firma nabízela tranzistory od firmy Philips s Označením MOp, které doporučuje i YU1AW. Bohužel mi ale přišly tranzistory s označením MOW což je patrně BF998 od firmy Wishay. Po osazení zesilovače těmito tranzistory se okamžitě zlepšilo šumové číslo na 0,7 - 0,8dB a IP3 na cca 31dB. rovněž se asi o 1dB zvedl zisk zesilovače. Šumové číslo občas klesalo i pod 0,7dB ale nastavení bylo nestálé. Možná se již projevovalo zakmitávání zesilovače. Použití tranzistorů s označením MOW ale také znamenalo veliké problémy se zakmitáváním zesilovače. Při použití tranzistorů MOs stačilo G2 blokovat tak jak popsal YU1AW. Jedna dvojice G2 se blokovala kondenzátorem na zemni plochu, druhá dvojice G2 byla blokována tak, že byl blokovací kondenzátor připájen mezi dvojici G2 a emitory druhé dvojice tranzistorů. Po výměně tranzistorů za MOW toto blokování nestačilo. Tranzistory zakmitávaly na vysokých kmitočtech. Zakmitávání se prakticky neprojevovalo za zisku a šumovém čísle zesilovače. Mělo ale dramatický vliv na IP3 celého zesilovače. Při měření IP3 bylo jasně vidět jak se při nasazení/vypadnutí oscilací skokově mění IP3 o cca 5dB. Po mnoha laboracích se mi podařilo oscilace odstranit tak, že jsem původní blokovací kondenzátory 1k nahradil kondenzátory 10p a kondenzátory 1k jsem připojil krátkými drátky protažené NF feritovými perličkami které pocházejí ze starých PC desek. Po této úpravě je zesilovač "hodný". Tedy alespoň v mém provedení.

Velmi důležité je nastavení zesilovače na maximální odolnost. Při použití napěťového deliče R2/R1 podle YU1AW je odolnost asi o 3dB horší než při optimálním nastavení. Paralelně k R1 jsem připojil trimr 100k as snižoval napětí na G2. Bylo jasně vidět jak se pomalu zlepšuje IP3. Při určitém napětí je nejlepší a při dalším snižování napětí na G2 se začne prudce zhoršovat. Ideální bude nastavit napětí na G2 těsně před bod maximálního IP3. Po nastavení optima jsem trimr nahradil SMD odporem paralelně k R1. Domnívám se tedy, že je při oživování tohoto zesilovače velmi vhodné měřit IP3 a nastavit ho na optimum. Odolnost se rovněž zlepšuje při zvyšování kolektorového napětí. Zde ale buďte velmi opatrní. Tranzistor BF998 má maximální kolektorové napětí pouhých 12V. Nedoporučuji tedy toto napětí zvyšovat přes cca 11,5V. Kombinováním všech těchto vlivů jsem nakonec dosáhl výstupní IP3 cca 31dBm při zisku nějakých 27 - 28dB. Při různých tranzistorech bylo optimální nastavení IP3 různé.

Upozornění: Při stavbě nové jednodeskové verze konvertoru jsem zjistil, že výše uvedené změny IP3 při změně pracovního bodu se v nové konstrukci neprojevují. Je možné, že uvedené chování zesilovače bylo způsobeno zakmitáváním na kmitočtech, které již neumím měřit (nad 3GHz). V každém případě doporučuji ověřit IP3 měřením.

Jak je tedy vidět, nastavení zesilovače 144MHz je velmi individuální. Bohužel neumím popsat nějakou kuchařku jak zesilovač nastavit. Měl jsem k dispozici dvě sady tranzistorů po 10ti kusech označených MOs zakoupených v GES a deset kusů s označením MOW zakoupených u Farnella. S každými z těchto tranzistorů byly výsledky zcela rozdílné. Tranzistory je potřeba párovat tak aby kolektorový proud byl u všech 4 tranzistorů v toleranci cca 1mA. Tranzistory jsem pároval tak, že jsem je postupně položil a přitiskl na plošky plně osazené DPS s připojeným napájecím napětím. U tranzistorů MOs byl problém z 10ti kusů vybrat 4 tranzistory v toleranci. U tranzistorů MOW toleranci vyhověly hned první 4 a další už jsem neměřil.

Mechanická konstrukce.

Zesilovač je vyroben na oboustrané DPS. Ze spodní strany jsou spoje a SMD součástky. Horní stranu DPS tvoří celistvá plocha mědi která pžedstavuje zemní plochu. Na horní straně jsou osazeny Cívka L1 a výstupbí transformátor TR1. DPS je ze třech stran zapájena do "rakvičky" z kuprextitu, výstupní stranou je pak připájena ke krabičce pásmové propusti 144MHz se kterou tak tvoří kompaktní celek.

Abych dosáhl co nejlepšího šumového čísla použil jsem mohutnější cívku L1 vinutou tlustým drátem. Cívka je z jedné staby pájena k boční stěně stínící "rakvičky", z druhé strany ke kvalitnímu dolaďovacímu kondenzátoru upevněnému v protilehlé bočnici stíníci krabičky. Kondenzátor bude nejlépe použít kvalitní od firmy Johanson, Tekelec nebo podobný s vysokým Q vhodný pro konstrukci nízkošumových předzesilovačů. V poslední době lze takové kondenzátory levně získat na radioamatérských burzách.

Závěr

I přes všechny popsané problémy zesilovač funguje a má velmi dobré parametry. Jde v podstatě o jedinou funkční a ověřenou konstrukci s potřebnými parametry. Neumím ho nahradit jiným stabilnějším a spolehlivějším zapojením. Proto přes veškerou problematičnost tvoří základní kámen mé konstrukce.