Vysoce odolný nízkošumový předzesilovač s ATF-53189

Nedávno se na webu objevil popis vysoce odolného nízkošumového předzesilovače s tranzistorem ATF-53189 od HA8ET. O tomto tranzistoru jsem věděl již dříve ale nikde jsem nenašel informaci o tom, že by ho někdo s úspěchem použil. Uvedený popis se tedy stal impulsem pro to abych tento tranzistor také vyzkoušel. Šlo mi především o to, získat lepší vstupní zesilovač pro odolný konvertor 144 -> 14MHz který popisuji zde. Bohužel údaje o odolnosti v popisu HA8ET jsou poněkud zmatené. Je udáváno IP3=22dB. Není však psáno zda jde o vstupní nebo výstupní IP3 a navíc tato hodnota neodpovídala mnou předpokládaným hodnotám ani vstupního ani výstupního IP3. Zato popis potvrdil můj předpoklad, že lze s uvedeným tranzistorem vyrobit předzesilovač se šumovým číslem pod 1dB. Protože by se tento zesilovač mohl hodit i dalším konstruktérům rozhodl jsem se popsat své zkušenosti s ním.

Šlo mi pouze o ověření vlastností uvedeného zesilovače a proto jsem vynechal výstupní propust a zkratovací relé na vstupu a ponechal pouze vlastní zesilovač.

Zesilovač jsem postavil na kuprextitu z bývalého Gumonu Bratislava - tzv. červeném Gumonu kterého mám ještě staré zásoby. Předpokládám, že lze zesilovač postavit i na materiálu FR4. Zesilovač je velmi široký, takže případné malé rozdíly Er nebudou mít velký vliv. Mnou původně navržená cívka byla příliš krátká a tak jsem musel přidat 1 závit drátu jak je vidět na fotografii. Tuto chybu jsem v zde uvedených podkladech pro výrobu DPS již korigoval. Zesilovač jsem ale na nové DPS nestavěl, takže nemohu zaručit že již bude naladěn správně. Není ale problém ho doladit paralelním kondenzátorem nebo kousek civky zkratovat. Osobně se domnívám, že pro amatérskou stavbu by bylo lepší použít klasickou cívku dolaďovanou kapacitním trimrem. Jinak jsem všude použil běžné SMD součástky. Žádné speciální s vysokým Q. Tranzistor jsem koupil ve Farnellu.

Klišé pro výrobu DPS fotocestou je zde

Po zapnutí zesilovače jsem nastavil proud na 140mA a začal měřit. První věc která mě potěšila je to, že je zesilovač naprosto stabilní. Ať jsem dělal co jsem dělal nepodařilo se mi zjistit žádné známky nestability. Jako první jsem měřil zisk a tvar propustné charakteristiky přístrojem MiniVNA. Na vstupu zesilovače byl zařazen útlum 29dB. Z obrázku tedy vidíme, že je zisk zesilovače necelých 29dB.

Pak jsem měřil OIP3. Pro zajímavost jsem ho měřil při proudu tranzistorem 50, 100 a 140mA. Ověřil jsem tak předpokládanou značnou závislost OIP3 na proudu tranzistotem. Výsledky měření byly takové jaké jsem předpokládal po přečtení DS uvedeného tranzistoru. Tranzistor má udávaný OIP3 okolo 40dBm a mě se podařilo při proudu 140mA dosáhnout okolo 38 - 39dBm což považuji za velmi dobrý výsledek. Po přepočtu na IIP3 se dostáváme k pěknému číslu IIP3=9dBm.

OIP3 při 140mA

OIP3 při 100mA

OIP3 při 50mA

Vyzkoušel jsem rovněž změnu zisku zesilovače změnou odporu R3. Při R3=4k7 je zisk 29dB, při R3=1k je zisk 25dB, při R3=820Ω je zisk 24dB Při snižování zisku zůstávalo OIP3 stále stejné takže jsem se při zisku 24dB dostal až na IIP3=14dBm. Tento výsledek mě velmi potěšil protože se ukázalo, že můj předpoklad vhodnosti tranzistoru pro použití ve vstupu konvertoru byl správný. Můžeme zapomenout na značně problematický zesilovač se 4xBF998, nový zesilovač ho plně nahradí :-).

Nakonec jsem změřil šumové číslo. Můj doma vyrobený měřič není moc kvalitní zařízení a je vhodné spíše pro porovnání horší - lepší. Ale podle měření to vypadá že i předpoklad že šumové číslo bude okolo 1dB byl správný. Snižování zisku odporem R3 nemělo na šumové číslo vliv. Nezkoušel jsem ale snižovat zisk pod 24dB. Nemám představu jak by se na šumovém čísle další snižování zisku projevilo.

Závěr

Na závěr ještě zamyšlení, k čemu je vlastně takový zesilovač vhodný. Na webových stránkách různých radioamatérů často vídáme, jak se z odolnosti předzesilovače stává modla. Vidíme, jak amatéři staví vysoce odolné předzesilovače s BFG135 či podobnými tranzistory a ziskem okolo 25dB a chlubí se tím, jaký skvělý počin učinili do budoucích závodů. Bohužel to je ZÁSADNÍ omyl. Celkovou odolnost celého zařízení udává jeho nejslabší prvek. A tím je TRX. I špičková zařízení pro VKV mají vstupní IP3 pod -5dBm. Pokud před takový TRX zařadíme "skvělý" zesilovač s BFG135 vyrobíme si tak zařízení se vstupním IP3 děsivých -30dBm !!!. Pak si můžete stěžovat jak Vás ti zlí Kilowaťáci obtěžují. Pokud Vám v pásmu 144MHz předzesilovač přinese nějaké zřetelné zlepšení signálu slabých stanic je něco s Vaším zařízením v zásadním nepořádku. Dnešní 144MHz TCVRy mají dostatečné šumové číslo aby nebyly předzesilovače potřeba (neplatí pro EME). Předzesilovačem tak kompenzujete shnilé koaxiální kabely, rozladěné zařízení, vadné konektory, relé nebo nějaký jiný problém.

Pravidlo číslo 1 zní že nejlepší předzesilovač je tlustý koaxiální kabel.

Pokud již nutně předzesilovač z nějakého důvodu potřebujete, vždy musí mít nejmenší nutný zisk pro pokrytí ztrát před TRX a "přešumnění" vstupu TRX. Pro běžná VKV zařízení s IIP pod -5dBm úplně stačí běžný předzesilovač s BF998, CF300, ATF54143, MGF1301 nebo podobnými tranzistory. Honit se zde za IP3 předzesilovače nemá smysl. Nepřináší to žádný efekt.

Trochu jiná situace nastává pokud jste někde kde jsou silná pole od profesionálních služeb (FM, TV, mobilní operátoři a mnozí jiní). Taková pole mohou zahltit zesilovače s menší odolností, vysměšovat se mezi sebou i se silnými signály z pásma. Takový mišmaš pak může způsobit rušení a zahlcení signálem od amatérských stanic jejichž signál je jinak v pořádku - jen je silný. V takových podmínkách pak může být výhodou použít popisovaný zesilovač a za něj zařadit pásmovou propust pro 144MHz. Je možné použít třeba filtr, který popisuji zde. Případně je možné použít předzesilovač vřetně propusti tak jak ho popsal HA8ET. Použití přezesilovače zde bude nutností protože propust samotná by nám zhoršila šumové číslo sestavy pod únosnou mez.

Zcela jiná situace nastává pokud použijeme Kvalitní transvertor ke špičkovému KV zařízení. Jako typický příklad mohu uvést transvertor od DB6NT a za ním nějaké velmi kvalitní KV rádio se vstupním IP3 nejméně +30dBm. Taková sestava má vstupní IP3 okolo +5dBm. Zde pak má smysl použít odolný předzesilovač. Ale pozor i Zde platí pravidlo č. 1. Žádný předzesilovač = dobrý předzesilovač. Pokud před uvedené špičkové zařízení zařadíme například zde popisovaný zesilovač se ziskem sníženým na 6dB (útlumovým článkem na výstupu zesilovače) snížíme si IIP3 na hodnotu přibližně -1dBm. To je sice stále pěkná hodnota ale je to obrovská škoda.

Další možné použití popisovaného předzesilovače je ve vstupním dílu VKV přijímače. Ať už konvertoru ke KV zařízení nebo kompletnímu VKV zařízení. Sem tento zesilovač prostě patří. Ovšem nesmíme zapomenout i na celý zbytek řetězce přijímače. Ale to tomu kdo se do takové konstrukce pustí jistě nemusím připomínat.