Antennenverstärker für Radio UKW

dl2jas · 30. Mai 2023, 23:59

Fernspeisung

Wir kennen es von Sat-Antennen, da geht üblicherweise die Betriebsspannung über das Antennenkabel.
Das kann man hier auch machen, im Bild die Prinzipschaltung:

Man muss lediglich HF und DC voneinander trennen, geht ganz einfach mit Spulen und Kondensatoren.
Die meisten von mir vorgestellten Schaltungen arbeiten mit 12 Volt, einfaches Steckernetzteil.
Manche Schaltungen sind für 9 V vorgesehen, bei 12 V hat man dann 3 V Differenz für einen 7809.

Die Spannung DC geht vom Netzteil über 4,7 µH durch das Antennenkabel.
Direkt vor dem Mastverstärker wird die Spannung vom Netzteil wieder über 4,7 µH herausgeführt.
Über die Kondensatoren 444 pF geht die HF, durch diese kann keine Gleichspannung gelangen.
Man nimmt natürlich nicht 444 pF, in den meisten Fällen passt ein Kondensator 470 pF bestens.
Ist schon z.B. der Verstärkerausgang DC-getrennt, entfällt natürlich dort der Koppelkondensator.
Der Widerstand 222R symbolisiert den DC-Eingang des Verstärkers, also kein reales Bauteil.
Rechts der Port 75 Ω steht für die Antennendose oder Eingangsbuchse des Radios.

Man muss nicht 4,7 µH nehmen, ist nur ein sinnvoller Vorschlag.
Die Spulen sollten mindestens 1 µH haben und nicht viel mehr als 10 µH.
Ich denke da an übliche Spulen, die ähnlich wie bedrahtete Widerstände aussehen.
Bei Spulen wesentlich größer 10 µH kann es Probleme mit dem Ferritmaterial geben.
Auch muss man da mit dem Strom aufpassen, die Spulen sollten für mindestens 200 mA taugen.
Mit 4,7 µH ergibt sich ein Blindwiderstand von ca. 3 kΩ bei 100 MHz, schöner Wert.

Andreas, DL2JAS

chriss_69 · 18. Juni 2023, 22:39

Mein Testaufbau des Verstärkers lief zuerst mit einer separaten DC-Speiseleitung. Parallel zu Andreas' Vorschlag im vorhergehenden Post hier hatte ich mich schon schlau gemacht, wie andere eine Fernspeisung realisiert haben und habe da etwas aufgebaut. Auch hier, die alten RFT-Antennenverteilerkästchen eignen sich sehr gut für solche Zwecke. Die Anschlussstücke sollte man aber tunlichst nachlöten, sie sind nur mit einem Lötpunkt befestigt, der sehr oft gebrochen ist. Aus den ursprünglichen Innereien kann man bei Bedarf noch einen Balun bauen, es ist ein dafür geeigneter Ferrit drin.

So sieht bei mir der Aufbau aus. Speiseseitig habe ich zwei Drosseln in Serie geschaltet, um auch niedrigere Frequenzen vom System fernzuhalten. Für UKW ist eigentlich nur die kleinere Induktivität notwendig. Sie stammt von einer Altplatine eines Satellitenreceivers und besitzt ca. 16 µH und ist damit etwas größer als von Andreas vorgeschlagen. Außerdem habe ich direkt am DC-Eingang noch einen kleinen Elko spendiert.
Der Einbau lässt sich problemlos fliegend erledigen.

Im Verstärker sind einige Bauteile dazu gekommen. Andreas erwähnte die Möglichkeit, die BF1009-Variante per Fernsteuerung in der Verstärkung einstellbar zu gestalten. Er schickte mir dazu auch einen Bauvorschlag. Dazu wird der Spannungsteiler für Gate 2 des BF1009 etwas abgeändert. Von Plus kommt erst eine Zenerdiode von 6,8 V, dann ein Widerstand, bei mir sind es 47 kOhm. Dem Widerstand parallel liegt ein Kerko von 1 nF. Vom Knoten nach der Zenerdiode wird die Spannung über einen relativ großen Widerstand an G2 geführt. Andreas schlug 1 MOhm vor. Damit gab es schon einen Spannungsabfall von ca. 0,5 V, deshalb habe ich ihn auf 100 kOhm verringert. Das filtert noch immer das Zenerrauschen gut weg, die Spannung am Gate 2 bricht jedoch nicht so stark ein.
Wenn man nun die Betriebsspannung absenkt, folgt die Spannung an G2 dieser Änderung und bei 8-9 V sinkt sie so weit ab, dass die Verstärkung auf 0 dB absinkt. Das klappt einwandfrei. Da ich aber in meiner Empfangslage keine Sender abschwächen muss, habe ich die Zenerdiode letztlich wieder mit einem Widerstand ersetzt, aber den Rest drin gelassen.

Etwas hatte mich noch genarrt. Ich vergaß zunächst die Induktivität am Ausgang des Verstärkers zum Spannungsversorgungspunkt der Schaltung. Ich lötete nur eine dünne Litze von ca. 6 cm Länge ein. Die Schaltung funktionierte damit, aber die Verstärkung war bei einigen Frequenzen deutlich geringer als vorher. Hätte ich mal auf Andreas' Vorschlag geschaut. Die Induktivität von 4,7 - 10 µH im Verstärkerteil ist wichtig, da sie einen HF-Kurzschluss vom Verstärkerausgang über die Spannungsversorgung verhindert.
Ich habe noch viele RFT-UKW-Drosseln herumliegen. Die haben ca. 20 µH, also mehr als von Andreas empfohlen, sollten aber von ihrem Ferritmaterial für diesen Einsatzzweck geeignet sein.

Was macht es für einen Unterschied, ob das Verstärkerkästchen direkt an der Antenne oder nahe am Empfänger platziert wird? Auf den Pegel hat es keinen Einfluss, wohl aber auf das Rauschen bei schwachen Sendern. Eine kleine Rechnung dazu:

Wenn an der Antenne ein Sender mit 15 dB µV anliegt, die Leitung bis zum Radio 4 dB schluckt und der Verstärker 22 dB aufholt, ergibt sich bei einer Anordnung nahe des Radios folgende Kette:
15 dB - 4 dB = 11 dB am Verstärkereingang
11 dB + 22 dB = 33 dB am Empfänger

Mit Verstärker direkt an der Antenne sieht die Rechnung so aus:
15 dB + 22 dB = 37 dB am Verstärkerausgang
37 dB - 4 dB = 33 dB am Empfänger

Letzterer Fall ist günstiger, da das Signal am Verstärkereingang in dem Fall noch etwas stärker ist, was den Signal-Rauschabstand verbessert.
Das war durchaus hörbar bei einem Test. Schwache Sender profitieren hinsichtlich des Rauschens von so einem Mastverstärker.

So langsam wird es Zeit, dass sowohl Verstärker als auch Antenne von ihrem Provisoriumsaufbau erlöst werden. Die derzeitige Konstruktion aus Dachlatte und Restholz hat sich durch abwechselnde Nässe und Sonne schon ordentlich verzogen. Die Antenne bekommt einen Mast aus Metall, einen Beam aus Alu, ordentliche Elementhalter und einen korrosionsfesten Anschluss für die Bandleitung. Balun und Mastverstärker brauchen dann noch eine solide Befestigung und einen Witterungsschutz. Dann darf der "Ochsenkopf" - so der Spitzname dieser Antennenkonstruktion aus Vorwendezeiten, auch bleiben.

Viele Grüße,
Christian

dl2jas · 19. Juni 2023, 14:35

Christian, freut mich, daß es gut funktioniert!

Christian und ich tüftelten an der Idee mit der Zenerdiode im Spannungsteiler.
Bei Zenerdioden muss man aufpassen, gute Rauschquellen.
Ich sah schon mehrere Schaltungsvorschläge, wie man mit Zenerdioden Rauschgeneratoren baut.
Deshalb da aufpassen, keinesfalls die Kondensatoren am Teiler und G2 vergessen!
Ich würde bei der ZD 6,2 Volt nehmen, näher an den vorgeschlagenen 5,5 V dran.

Christian zeigte, daß Verstärker direkt hinter der Antenne wesentlich günstiger ist, gut hörbar.
Ich will es mal einfach erklären, ganz ohne Formel.
In der Analogtechnik kann man ein Signalrauschverhältnis nie verbessern, kann nur schlechter werden.
Zwar nicht stark, aber auch ein Antennenkabel ist eine Rauschquelle.
Dämpfe ich ein ohnehin schon schwaches Signal und addiere Rauschen hinzu, ist das ungünstig.
Verstärke ich ganz am Anfang rauscharm, spielt das Antennenkabel danach fast keine Rolle mehr.

Andreas

dl2jas · 19. Juni 2023, 20:37

Anbei ein rauschendes Beispiel!

Nicht nur für Hochfrequenz gibt es im www schöne Helferlein online.
Hier ein Beispiel, was beim Kaskadieren unterschiedlich rauschender Verstärker passiert:
minicircuits.com/applications/microwave_calculator.html
Gegebenenfalls noch rechts auf "Cascade Noise Figure" klicken.
Die Voreinstellung sieht so aus:

Jetzt vertauschen wir die beiden Verstärker in ihrer Reihenfolge.
Die Verstärkung bleibt gleich, NF ändert sich jedoch erheblich.

Man sieht, NF steigt von 3,6 auf 6,1 dB, schon beträchtlich.
Deshalb ist es sinnvoll, direkt am Anfang rauscharm zu verstärken, nicht hinten.

Mit Antennenkabel, oder allgemein Dämpfungsgliedern, war ich am überlegen.
Soweit ich mich erinnere, entspricht in einfacher Näherung NF der Dämpfung.
Da ist das thermische Rauschen vernachlässigt, was sich mit kT (Boltzmann) ergibt.
Oberhalb des absoluten Nullpunkts ist somit das Rauschen noch höher.
Ich bin mir da nicht mehr ganz sicher, muss ich eventuell noch mal nachschlagen.

Nehmen wir Christians Anordnung, 4 dB Dämpfung beim Antennenkabel.
Der Verstärker 20 dB mit NF = 1 dB sitzt an erster Stelle, danach das Antennenkabel.
Wir kommen dann bei Total NF auf harmlose 1,1 dB.
Drehen wir um, also erst Antennenkabel und Verstärker danach, direkt vor dem Radio.
Total NF steigt dann auf 5, sehr unschön.
Da merkt man deutlich den Unterschied, also hier 3,9 dB Differenz, hörbar bei schwachem Sender.

Andreas

dl2jas · 10. November 2023, 23:24

UKW-Verstärker Radio 6 dB

6 dB Verstärkung wählte ich nicht ohne Grund, eine echte S-Stufe.
In erster Linie dient der Verstärker dazu, Kabelverluste auszugleichen.
Nicht selten möchte man eher wenig Verstärkung haben, um schwache Sender anzuheben.
20 dB wie zuvor sind oft zu viel bei starken Sendern über Antenne.

Ich wählte den BF199 in TO92, weil der weiterhin leicht beschaffbar ist.
Auch soll die Schaltung auf Punktrasterplatine aufbaubar sein.
9 Volt ist eine schöne Betriebsspannung für Fernspeisung über 12 Volt.
Das Verstärkerrauschen, noise figure, wird bei etwa 4 dB liegen.
Oberwellenarmer Ausgangspegel bis circa 0 dBm, 110 dBµV, locker ausreichend für Radio.

Betrachten wir den Schaltplan, wieder einfache Schaltung.
Die eingezeichneten Spulen sind echt, werden bestückt.
Man kann selbst wickeln oder fertige (SMD)-Spulen nehmen.
Setzt man statt der Spulen Drahtbrücken, funktioniert die Schaltung auch, jedoch schlechter.
L1 am Eingang ist ein Tiefpass, wir wollen ja möglichst nur UKW verstärken.
L2 sorgt für etwas bessere Eingangsanpassung, Drahtbrücke geht auch.
Bei L3 und L4 handelt es sich eigentlich um eine Spule 200 oder 220 nH.
Ich nahm im Schaltplan zweimal 100 nH, weil dann L1 = L3 = L4 gilt, identische Werte.
R1 und R9 werden natürlich nicht bestückt, stellen den Ein- und Ausgangswiderstand dar.

Die Emitterwiderstände R7 und R8 sollten möglichst niedrige parasitäre Induktivität haben.
Wer will, kann stattdessen 9,1 Ω SMD 1206 oder 0805 nehmen, SMD ist induktivitätsarm.

Beim BF199 nahm ich diesmal Fairchild (ON) statt zuvor Philips.
Die Nacht zuvor machte ich erste Messungen am Aufbau, Verstärkung deutlich zu hoch.
Möglicherweise liegt das am Hersteller, Fairchild gibt 1100 MHz Transitfrequenz an.
Ist dem so, muss C3 deutlich verringert werden, später dazu mehr!

Andreas

dl2jas · 12. November 2023, 23:16

Aufbau des Verstärkers

Christian schickte mir letztens Punktrasterplatine mit zusätzlicher durchgehender Massefläche.
So Platinenmaterial ist prima für einfache HF-Schaltungen wegen der Massefläche.
Auch wird das Layout einfacher, alle Anschlüsse GND lötet man an der Massefläche an.

Wir betrachten die ersten beiden Bilder.
Als Gehäuse nahm ich einen kleinen Fernsehtuner, prima HF-Gehäuse.
Sehr angenehmer Nebeneffekt, der Tuner hat zwei HF-Buchsen für Ein- und Ausgang.
Einen Teil der Tunerplatine schnitt ich heraus, da sitzt jetzt die UKW-Verstärkerplatine.
Wegen des Tunergehäuses ist bei mir die Platine recht klein geworden, viel SMD.

Beim vorgeschlagenen Layout wählte ich absichtlich alle Bauteile bedrahtet.
Zur besseren Übersicht der Schaltplan mit KiCad, mit dem das Layout entstand.
Das Layout ist für einseitige Punktrasterplatine, also ohne zusätzliche Massefläche.
Da muss man natürlich eine Leiterbahn für GND ziehen, die ich möglichst kurz hielt.
Kommt die Platine in ein Weißblechgehäuse, verbindet man das Gehäuse mit der Leiterbahn.
HF-technisch sauber ist es, wenn man Leiterbahn GND an mehreren Stellen am Gehäuse anlötet.
R7 und R8 sollten möglichst induktionsarm sein oder statt bedrahtet SMD nehmen.
Die beiden weißen Vias sind lediglich Markierungen für Ein- und Ausgang.
Beim BF199 die Beinchen sollten möglichst kurz sein wegen ihrer parasitärer Induktivität.
Im Layout ist die Spule L2 mit 22 nH nicht gut zu erkennen.
Sie ist vertikal positioniert, 1/10 Zoll lang und befindet sich links neben der Basis des BF199.
Die Abblockkondensatoren 9 Volt sind unkritisch, man nehme jedoch bei C5 Tantal, nicht Elko.
Bevor man die Platine ins Gehäuse einlötet, sollte man einen DC-Test machen.
Wie eingezeichnet sollte am Kollektor ca. 7,3 V messbar sein, entspricht Emitterstrom 14 mA.

Im Beitrag zuvor schrieb ich, die gemessene Verstärkung ist ungewöhnlich hoch.
Noch bin ich damit beschäftigt, meine Vermutung Herstellerabhängigkeit erhärtet sich.
Später mehr dazu, mit BF199 Fairchild je nach Bestückung bis gut 13 dB Verstärkung.
Wer jetzt schon will, kann den Verstärker wie in Schaltplan und Layout aufbauen.
Die beiden Emitterkondensatoren C3 und C3a werden erst mal nicht bestückt.
Man berücksichtigt die Spulen, setzt jedoch reversibel Drahtbrücken.
Dies gilt nicht für L1 mit 100 nH am Eingang, Tiefpass, sollte man bestücken.
Da bei L1 die Güte nicht kritisch ist, kann man eine fertige Spule nehmen.
L1 selbstgewickelt, 2/10 Zoll lang: 5 Windungen 0,5 mm Drahtdurchmesser auf Bohrer 5 mm
Im Bild sieht man die so gewickelte Spule L1 direkt neben dem Tantalkondensator.

Andreas

dl2jas · 14. November 2023, 23:31

Messaufbau und Werte

Da es sich um einen Verstärker 75 Ω handelt, kann man ihn direkt an den AS5(F) anschließen.
Am Verstärkerausgang wieder der Passivwandler 75 auf 50 Ω.
Dahinter folgt ein hochwertiges Dämpfungsglied 6 dB in Technik 50 Ω, ist von Mini Circuits.
Am Ende dann der Pegelmesser 50 Ω mit AD8307, der macht 25 mV pro dB am DC-Ausgang.
Wieder Vergleichsmessung, 6 db Verstärkung und 6 dB Abschwächung heben sich auf.
Ich bin am überlegen, einen ähnlichen Pegelmesser zu kaufen und den auf 75 Ω umzurüsten.

Bei der ersten Messung staunte ich, Verstärkung weit höher als erwartet.
Die Schaltung ist so wie im Schaltplan, alle Ls bestückt und auch der Emitterkondensator C3.

MHz	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	7,6	9,6	11,2	12,4	13,2	13,7	13,8	13,8

Meist ist es so, daß die Verstärkung in der Simulation besser ist als in der Realität.
13,8 dB statt erwartete 6 bis 7 dB ist jedoch nicht mehr im erwarteten Toleranzbereich.
Da es schon was spät war, beschloss ich, eine Nacht darüber zu schlafen.

Am nächsten Tag schaute ich nach Schaltungsfehlern, z.B. falsche Bauteilwerte bestückt.
Eine viel zu hohe Verstärkung kann auch entstehen, wenn R7 und R8 kurzgeschlossen sind.
Da war kein Fehler, bei DC stimmte alles, Emitterstrom liegt bei gewünschten 14 mA.
So entschloss ich mich, etwas radikal vorzugehen, speziell bei den frequenzabhängigen Bauteilen.
In der Tabelle sind C3 und C3a nicht bestückt, sowie alle Ls bis auf L1 kurzgeschlossen.

MHz	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	4,6	5,9	6,9	7,3	7,6	7,6	7,6	7,4

Jetzt kommen plausible Werte heraus!
Ich rechnete den Verstärker überschlagsmäßig per Hand durch, kam auf recht genau 7 dB.
7,6 dB passt, besonders dann, wenn Ein- und Ausgang nicht ganz 75 Ω sind.
Es wird ein zweiter Teil folgen, ich gehe dort näher auf die jetzt gebrückten Ls ein.

Andreas

dl2jas · 17. November 2023, 23:18

Zweiter Teil der scheinbaren Fehlersuche

Wenn die Verstärkung viel zu hoch ist, kann es gut sein, daß der Verstärker schwingt.
Das war mit mein erster Verdacht, konnte ich jedoch recht bald ausschließen.
Entweder schwingt ein Verstärker volle Pulle oder die Schwingung reißt abrupt ab.
Da sich die Pegel deutlich mit der Frequenz änderten, war somit Schwingen unplausibel.
Man sieht es schön im Beitrag zuvor, erste Tabelle, -6,1 dB von 100 zu 50 MHz.

Mit Emitterkondensatoren wie hier C3 kann man recht gut die Höhen anheben.
Das kenne ich, nicht nur vom 2222A, daß der Effekt recht herstellerabhängig sein kann.
Je höher die Transitfrequenz des Transistors, desto kleiner sollte hier C3 sein.
Philips gibt beim BF199 als Transitfrequenz 550 MHz an, Fairchild jedoch 1100 MHz.
So lötete ich C3 mit 47 pF aus, C3a war noch nicht bestückt.

MHz	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	7,3	9,1	10,4	11,4	12,0	12,3	12,4	12,4

Viel brachte das nicht, eher dürftige 1,3 dB weniger bei Designfrequenz 100 MHz.
Selbst mit 12,3 dB ist der BF199 bei 100 MHz an der Schmerzgrenze.
Rein theoretisch sind 20 dB möglich, jedoch nur bei sehr schmaler Anpassung.
Gilt Transitfrequenz 550 MHz, sind nur noch theoretische 14 dB möglich.

Nun knöpfte ich mir L3 + L4 vor, bei mir eine Spule, schloss sie kurz.
Je nach S-Parametern eines HF-Transistors kann so eine Spule sehr viel Verstärkung bringen.
Für Leser wie nicht nur Reinhard, die Kollektorspule bei Ermittlung der S-Parameter!
Treffer, die Werte sieht man in der Tabelle, C3 = 0 pF, L3 + L4 = 0 nH, L2 noch 22 nH.

MHz	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	5,2	6,7	6,9	8,3	8,7	8,8	8,8	8,6

8,8 dB ist eigentlich noch etwas zu hoch, passt jedoch schon wesentlich besser.
Noch ist L2 ja vorhanden, damit erreicht man eine Kompensation an der Basis.
Üblicherweise macht sich bei Transistoren eine Kapazität von B nach E bemerkbar.
Kompensiert man die bei der Wunschfrequenz, geht natürlich die Verstärkung hoch.
Letzter Schritt, auch L2 schloss ich kurz, muss natürlich weniger Verstärkung bringen.
Nochmals die Tabelle wie im Beitrag zuvor, alle Ls bis auf L1 gleich 0 nH und C3 = 0 pF:

MHz	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	4,6	5,9	6,9	7,3	7,6	7,6	7,6	7,4

Was heißt das für die Leser, die die Verstärkerschaltung nachbauen wollen?
Aufpassen, von welcher Firma der BF199 kommt!
Dies gilt besonders bei Reparaturen in Schaltungen für höhere Freqenzen.
Genau weiß ich es nicht mehr, das verwendete SPICE-Modell sollte Philips sein.
Verwendet man BF199 Philips oder Siemens/Infineon, werden Ls und Cs notwendig sein.
Nimmt man wie ich hier Fairchild/ON, ist mit wesentlich mehr "Wumms" zu rechnen.
Bekomme ich noch mal günstig BF199 Fairchild/ON, werde ich ein paar mehr kaufen.

Andreas

dl2jas · 19. November 2023, 23:36

Adapter und Durchkontaktierungen

Irgendwie musste ich messen, meist benutze ich SMA und teilweise BNC in der Messtechnik.
Da war ich am überlegen, länger suchen und Adapter Koax --> BNC --> SMA nehmen?
So baute ich mir selbst Adapter von SMA auf übliche Koaxbuchsen Rundfunk 75 Ω.
Es sind die SMA-Buchsen für Platine, die ich schon mehrfach zeigte.
Bei den Koaxbuchsen überlegte ich, wollte zuerst übliches Antennenkabel nehmen und zerschneiden.
Dann entschloss ich mich, einen Tuner zu nehmen, schnitt dort die Buchsen heraus.
Der Vorteil, dort am Weißblechgehäuse kann man schön sauber und stabil die SMA-Buchsen anlöten.
Wer nur Koax <--> BNC für 75 Ω benötigt, sollte ein handelsübliches Anennenkabel zerschneiden.
Man nehme eins mit RG59, dafür sind BNC-Stecker 75 Ω brauchbar erhältlich.

Unten im Bild sieht man sehr kleine Niete und einen Nagel.
Die sind für Durchkontaktierungen doppelseitiges FR4 mit 1,5 mm Stärke gedacht.
Damit machte ich von der Bestückungsseite Durchkontaktierungen zur Massefläche.
Man bohrt in die Platine ein Loch mit Außendurchmesser Niet und drückt ihn ein.
Dann den Nagel nehmen und mit Hämmerchen die andere Seite des Niets aufweiten.
Eigentlich reicht das zwecks Kontaktgebung, zusätzliches Verlöten ist sicherer.
Es gibt einige Anbieter solcher Niete, hier ein Beispiel:
shop.bungard.de/index.php/de/d…ungspresse-favorit-detail
Da die Innendurchmesser 0,6 mm haben, sind sie gut für bedrahtete Bauteile geeignet.
Es geht auch ohne Niete, man steckt Kupferdraht durch die Bohrlöcher, hier 0,8 mm.
Dann beide Seiten verlöten, man hat halt so kein Mittelloch.
Häufig passt es auch gut, wenn man bedrahtet bestückt und beidseitig verlötet.

Im zweiten Bild sieht man den Verstärker 6 (7,6) dB mit BF199 fertig im Tunergehäuse.
Für die Pins Betriebsspannung 9 Volt fräste ich das Deckblech geringfügig auf.
Wie Fernspeisung über Antennenkabel funktioniert, zeigte ich einige Beiträge zuvor.
Ich nahm Restbestände Tuner, man kann natürlich auch Abzweiger im Weißblechgehäuse nehmen.
Soweit ich mich erinnerte, nahm damals Christian für seinen Verstärker ein Abzweigergehäuse.

Vorschau
Vermutlich baue ich noch einen ähnlichen Verstärker, jedoch mit 2222A.
Wenn, baue ich den komplett in SMD, habe noch MMBT2222A SOT23 von ON.

Andreas

dl2jas · 24. November 2023, 23:22

6 dB UKW mit 2222A

Ich drohte es an, auch einen Verstärker UKW-Rundfunk mit 2222A zu entwickeln.
Diesmal entschied ich mich für eine SMD-Version mit MMBT2222A von ON.
Grund, die Platine soll klein sein, bequem in ein vorhandenes Gehäuse passen.
Angenehmer Nebeneffekt, SMD-Bauteile haben wesentlich weniger parasitäre Induktivität.
Aufbau SMD ist nicht zwingend, bedrahtet auf Punktraster geht auch.
Wichtig, der 2222A sollte von ON sein, da im Grenzbereich bei der Transitfrequenz.
Netter Nebeneffekt, es handelt sich in einem weiten Bereich um einen Linearverstärker.
Das heißt, er taugt nicht nur für UKW-Radio, sondern auch für TV Band I, jetzt meist DAB.
Direkt hinter der Antenne sollte man ihn nicht nehmen, kein rauscharmer Verstärker.

Betriebsspannung: 9 Volt
Stromaufnahme ca.: 28 mA
Frequenzbereich: 40 - 120 MHz
Verstärkung: 6 dB +/- 0,5 dB
Pegel max. ca.: 110 dBµV, 320 mV, 0 dBm
Ein- und Ausgang: 75 Ω

Die Schaltung ist wieder recht einfach gehalten bei guter Anpassung am Ein- und Ausgang.
L1 ist eine echte Spule, L2 bis L4 sind wieder parasitär, werden nicht bestückt.
Für L1 mit 100 nH kann man eine fertige Spule nehmen oder selbst wickeln.
Spule gewickelt, 2/10 Zoll lang: 5 Windungen Kupferdraht 0,5 mm auf Bohrer 5 mm
Die Spule L1 sorgt für mehr Verstärkung im oberen Bereich, Höhenanhebung.
Ähnlich sieht es mit C5 aus, ist in einem etwas weiteren Bereich bei den Höhen wirksam.
C6 wird nur bei Bedarf bestückt, entfällt bei richtigem Wert für C5.

C3 und C4 sind vom Wert unkritisch, Abblockkondensatoren für die Betriebsspannung.
Wie bei den Verstärkern zuvor, C3 sollte Tantal sein, ich nahm spaßeshalber X7R in 1206.
Bei R75 und 77 handelt es sich nicht um Bauteile, Systemwiderstand 75 Ω Ein- und Ausgang.

Im zweiten Bild die Verstärkung über die Frequenz, was der Simulator vorhersagt.
0 dB im Diagramm entspricht 6 dB am Verstärkerausgang an 75 Ω, ich rechnete nicht um.
Anbei wieder die Simulationsdatei für LTspice, Transistormodell ON in der Datei.
Wie gewohnt als scheinbare Textdatei, natürlich vor Gebrauch vorher .txt entfernen!
Wer will, kann mal den SST2222A von Rohm nehmen, bei LTspice als Modell vorhanden.
Man sieht die Unterschiede, obwohl der von Rohm auch recht gut bei der Transitfrequenz ist.
Für die ernsthaft Interessierten, bitte mal mit den Werten von C3 und L1 herumprobieren!

Bald kommt wieder eine Nachbauanleitung Punktrasterplatine mit Layout, Bestückungsplan.
Auch werde ich natürlich wieder messen, Simulation und Praxis gegenüberstellen.

Andreas

dl2jas · 1. Dezember 2023, 23:37

Nachbau Verstärker UKW mit MMBT2222A

Das Layout, auch mein Aufbau, ist diesmal komplett in SMD.
Ich nahm wieder Punktrasterplatine mit rückseitiger Massefläche, die mir Christian schickte.
Das Layout ist für SMD-Bauteile 1206, bei Punktraster geht auch 0805, nahm ich teilweise.
SMD-Spulen 100 nH habe ich gerade nicht vorrätig, ich wickelte per Hand, siehe zuvor.

Da die Masse auf einer Linie ist, kann man auch übliche einseitige Punktrasterplatine nehmen.
Ändert man das Layout geringfügig, geht auch konventionell bedrahtet.
Will man die Widerstände liegend haben, verlängert man nach unten 2/10 oder 3/10 Zoll.
Selbst das ist nicht notwendig, man kann ja auch Widerstände stehend im Raster 1/10 einlöten.
Aufpassen muss man lediglich bei R1 mit 22 Ω, der darf nicht zu viel parasitäre Induktivität haben.
Für den kann man zweimal 39 Ω parallel einlöten, hat Vorteile bei der Linearität des Verstärkers.
Im nächsten Teil gehe ich näher darauf ein, ich nahm sogar für R1 nur 18 Ω.

Die weißen Vias, Durchkontaktierungen, dienen lediglich zur Orientierung, Raster 1/10 Zoll.
Bei den dickeren Vias handelt es sich um die Anschlüsse, auch nur als Markierung gedacht.
Von links nach rechts: Betriebsspannung +9 Volt, HF-Eingang, HF-Ausgang
Kommt das Platinche in ein Weißblechgehäuse, lötet man Masse an mindestens zwei Punkten an.
Ich nahm wieder ein Tunergehäuse wegen der vorhandenen Koaxbuchsen.
Hat man die Möglichkeit nicht, zerschneidet man ein Antennenkabel, lötet es entsprechend an.

Ist die Platine fertig bestückt, sollte man sie nicht direkt in ein Gehäuse einlöten.
Man überprüft den DC-Arbeitspunkt des Transistors, 6,7 Volt am Kollektor.
Stimmt der, hat man einen Emitterstrom von gut 26 mA, darauf optimierte ich.
Im Bereich 25 bis 30 mA hat der 2222A sein Maximum bei der Transitfrequenz, sollte man sich merken.
Bei der Verlustleistung muss man hier nicht aufpassen, knapp 150 mW beim MMBT2222A.
Laut ON taugt der, je nach Platinenmaterial und Layout, bis 300 mW im Gehäuse SOT-23.

Im nächsten Beitrag Messwerte, die Schaltung macht was sie soll, die Simulation stimmt nicht ganz.
Bei den ersten Messungen landete ich in der Gegend 50 MHz bei unglaubwürdigen 15 dB Verstärkung.
Mir passierte eine Panne, die ich nicht sofort bemerkte, später mehr dazu.

Andreas

dl2jas · 5. Dezember 2023, 23:57

Messwerte Verstärker 6 dB mit 2222A

Wie ich schon andeutete, Simulation und Realität zeigen doch etwas Unterschiede.
Laut Simulation hätte eine Höhenanhebung um 130 MHz kommen müssen, in den Werten nicht zu sehen.
Häufig ist es ein Problem, daß sich beim realen Aufbau parasitäre Effekte bemerkbar machen.
Dies gilt insbesondere für Emitterwiderstände, deren Induktivität.
Bei den bedrahteten Schaltungen zuvor nahm ich deshalb gern Widerstände parallel.
Der Vorteil, die störende Induktivität halbiert sich dann bei identischen Widerständen.
Grob darf man annehmen, Widerstand bedrahtet etwa 15 nH und SMD 1206 um die 2 nH.
Wegen der durchgehenden Massefläche ist auch HF-mäßig GND gut gegeben.
Zusätzlich ist GND an mehreren Punkten am Weißblechgehäuse angelötet.

Nun zur Panne!
Im Schaltbild ist C5 mit 33 pF angegeben, so bestückte ich auch scheinbar.
Schaut man in die Tabelle, kommen unplausible Werte heraus, viel zu hoch.

MHz	20	50	80	90	100	125
dB	8,6	15,7	11,6	11,3	9,4	7,8

Erster Verdacht, R1 ist kurzgeschlossen, also Emitter direkt an Masse.
Kurz nochmals gemessen, Spannung über R1 vorhanden, Emitterstrom wie gewünscht.
Ich vergriff mich bei C5, lötete versehentlich 330 statt 33 pF ein!
Klar, dann geht schon im unteren Frequenzbereich die Verstärkung stark hoch.

Da ich den falschen C5 auslötete, lag es nahe, auch probehalber L1 kurzzuschließen.
Die Schaltung arbeitet dann wie im Lehrbuch ohne Höhenanhebung.

MHz	20	50	80	90	100	125
dB	4,8	3,8	2,6	2,1	1,8	0,9

Siehe da, Messwerte plausibel mit typischem Höhenabfall.
Danach entfernte ich die Brücke über L1 und tastete mich an C5 mit kleinen Werten heran.
Die Tabellen erspare ich dem Leser, L1 bringt etwa 1,5 dB Anhebung um 100 MHz.

Interessant ist jedoch folgende Tabelle, C5 = 37 pF und L1 wieder 100 nH.
37 pF ist Parallelschaltung 27 pF und 10 pF, also C6 bestückt.

MHz	20	50	60	70	80	90	100	110	125
dB	5,1	5,2	5,3	5,4	5,5	5,4	5,4	5,4	5,4

Jetzt entspricht die aufgebaute Schaltung praktisch den Werten der Simulation.
Der Frequenzgang ist entgegen der Simulation sehr glatt im ganzen Band I.
Haken, widerspricht auch wieder der Simulation, die Verstärkung ist etwas unter 6 dB.
Es kommt noch ein weiterer Teil, dann mit sicher 6 dB.

Andreas

dl2jas · 8. Dezember 2023, 23:44

6 db linear mit 2222A muss doch gehen!

Im nächsten Versuch änderte ich R1 von 22 auf 18 Ω.
Will man das Layout nicht ändern, lötet man 100 Ω über den Widerstand 22 Ω.
Meine Hoffnung, die Verstärkung wird insgesamt etwas angehoben bei gleicher Linearität.
Dem war leider nicht so, es kam wieder Höhenabfall, auch hier keine Tabelle.

So half ich nach, lötete zusätzliche 10 pF ein, also insgesamt 47 pF.
Weil der Platz für C6 schon belegt war, lötete ich die zusätzlichen 10 pF huckepack.

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	5,5	5,7	5,8	6,0	6,1	6,3	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4

Das entspricht eher nicht meinen Wünschen, insgesamt etwas mehr Verstärkung, mehr nicht.
Was unten zu viel ist, sollte oben bei den Höhen sein!

Langsam sieht es auf der Platine etwas unordentlich aus durch die Löterei.
So entschloss ich mich, einen weiteren Verstärker zu bauen.
Schaltung und Layout sind soweit gleich, nur etwas andere Werte.
R1 wurde 19,5 Ω, zweimal 39 Ω parallel nebeneinander.
SMD-Hasser, die bedrahtet aufbauen möchten, sollten zweimal 39 Ω prallel nehmen.
C5 ist jetzt 47 pF, den Platz für C6 nahm ich für den zweiten Emitterwiderstand.
Hier unwichtig, 470 pF geht mir langsam aus, für C2 und C4 nahm ich 1 nF NP0.

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	6,0	6,0	6,1	6,2	6,3	6,3	6,3	6,2	6,1	6,0	6,4

Wie man in der Tabelle sieht, sind die Messwerte recht gut nach Wunsch geraten.
Dafür, daß der 2222A kein HF-Transistor ist, ist +/- 0,2 dB recht gut.
Man beachte, obwohl ich wieder Vergleichsmessungen machte, ist Bereich der Messgrenze.
In allen Fällen wird 6 dB erreicht, auch bei 125 MHz.

Kleine Abschlussbemerkung
Wer bedrahtet aufbauen möchte, kann auch statt MMBT2222A den PN2222A von ON nehmen.
Vom Layout passt das, keine Beinchen über Kreuz notwendig.
Beide Transistoren sollten beim Siliziumplättchen identisch sein, nur anderes Gehäuse.
Gerade bei bedrahtet achte man auf die Masse, mehrfach am Gehäuse festlöten.
Man sieht es im Bild, 9 Verbindungen müssen es jedoch nicht werden.
Mehr ist meinerseits zu dem Verstärker nicht mehr geplant, auch kein Aufbau bedrahtet.

Andreas

dl2jas · 24. Dezember 2023, 23:11

UKW 12 dB mit 2SC5631

Da ich ein paar 2SC5631 NOS Ausbau habe, probierte ich eine Schaltung damit.
Zum Nachbau eher nicht empfohlen, da der 2SC5631 von Hitachi nicht mehr gut erhältlich ist.
Eventuell entwickle ich eine recht ähnliche Schaltung mit dem gängigen BFR193 von Infineon.
Es handelt sich um einen echten rauscharmen HF-Transistor bis etwa 2 GHz.
Leider habe ich zum 2SC5631 wenig an Daten, lediglich eine Simulationsdatei s2p.
Die Schaltung taugt für etwa 20 bis mindestens 200 MHz bei Rauschen geschätzt 2 dB.
Die Ein- und Ausgangsanpassung ist gut, auch als Mastverstärker brauchbar.
Wegen der Breitbandigkeit geht auch Band I TV bis III, jetzt DAB-T, sowie Sonderkanäle Kabel.

Interessant ist die einfache Schaltung mit dem Platinenlayout.
Passt man die Bauteilwerte an, taugt die Universalschaltung auch für andere HF-Transistoren.
Das Layout ist so gewählt, daß auch SOT-23 sowie TO-92 geht.
Benötigt man keine Spulen, wird an den Stellen eine Brücke gesetzt.
Beim Emitterwiderstand ist genug Platz für Parallelschaltung, bei Bedarf auch Emitterkondensator.
Ähnlich bei der Basis, Serienschaltung der Widerstände für optimalen Wert.

MHz	125	110	100	90	80	60	40	20	10
dB	11,4	11,3	11,3	11,3	11,4	11,4	11,4	11,5	10,3

Ich will nicht unnötig auf den Verstärker mit 2SC5631 eingehen.
Eigentlich sollte die Schaltung gut 12 dB bringen, in der Realität etwa 11,4 dB.
Notgedrungen musste ich mit 50 mA simulieren, wollte gut 20 mA wegen weniger Rauschen.
Der Frequenzgang ist schön glatt, etwas besser als in der Simulation.
Erhöht man den Wert der Koppelkondensatoren auf z.B. 1 nF, gehen auch tiefere Frequenzen.
Bitte bei der Betriebsspannung aufpassen, max. 9 Volt, die Schaltung ist im Grenzbereich.

Andreas

dl2jas · 28. Dezember 2023, 23:50

12 dB UKW mit BFR193

Vom Prinzip her ist es die gleiche Schaltung wie zuvor mit 2SC5631 Hitachi/Renesas.
Der Frequenzbereich ist etwas größer, KW und UKW bis Sonderkanäle Kabel.
Positiv, das Eigenrauschen des Verstärkers ist besser, bei Rauschanpassung 1 dB möglich.
Auch das Layout von der Schaltung kann man verwenden, lediglich teilweise andere Bauteilwerte.
Am Ausgang ist noch die Spule L3 mit 15 nH, nicht im Layout vorgesehen.
Man nimmt sie als Verbindung von Auskoppelkondensator C2 zur Antennenbuchse.
Im Gegensatz zur Version mit 2SC5631 empfehle ich den Verstärker ausdrücklich zum Nachbau.
Das Rauschen ist niedrig und der maximale Pegel reicht locker für Mehrfamilienhäuser.
In Gemeinschaftsantennenanlagen strebt man einen Pegel von 60 bis 80 dBµV an der Dose an.

Impedanz: 75 Ω
Verstärkung: 12 dB
Frequenzbereich: 5 MHz bis 300 MHz
Pegel max. ca.: 6 dBm, 114 dB µV
Betriebsspannung: 9 Volt
Strom ca.: 26 mA
Noise Figure: 1,6 dB (geschätzt)

Die Schaltung simulierte ich sowohl mit RFsim als auch mit LTspice, beide Dateien angehängt.
RFsim ist wesentlich besser für Hochfrequenz geeignet, kennt aber keine DC-Werte.
Umgekehrt geht DC prima mit Spice, HF-Simulationen sind häufig etwas dürftig.
Bei Spice nahm ich das Modell Die, nicht ganz sauber, ich vernachlässigte die Gehäuseeigenschaften.
Bezüglich Verlustleistung bei den Bauteilen muss man sich keine Gedanken machen, grüner Bereich.

Wie man sieht, ist das eine Schaltung wie NF aus dem Lehrbuch.
Bei genügend hoher Transitfrequenz geht es auch ohne Emitterkondensator.
Mit L2 hebt man die Höhen etwas an, der Trick funktioniert nur eingeschränkt.
Gleichzeitig beeinflusst man auch teilweise erheblich die Ausgangsimpedanz der Schaltung.
Auch muss man mit der Phase aufpassen, damit man nicht versehentlich einen Oszillator baut.
Das überprüfte ich mit RFsim, stability circles, bis weit über 300 MHz nichts zu befürchten.
Im Bild Frequenzgang und Anpassung Ausgang, mit RFsim ermittelt.
Die Eingangspassung ist ähnlich gut, nicht im Bild ersichtlich, auch besser -20 dB im weiten Bereich.

Andreas

dl2jas · 4. Januar 2024, 23:52

Layout, Bestückung, Aufbau

Verwendung von Punktrasterplatine einlagig ist möglich, zweilagig mit Massefläche ist besser.
Die dünne grüne Leiterbahn ist die Masseverbindung, entfällt bei vorhandener Massefläche.
R4 wird eher nicht benötigt, eigentlich Brücke, hier mit 1 Ω eingezeichnet.
Ähnlich beim Emitterwiderstand R3, wird nicht bestückt, hier mit 1 MΩ angegeben.
Alle Spulen im Schaltbild sind echte Bauteile, sollte man per Hand wickeln.
Folgende Wickeldaten beziehen sich auf versilberten Kupferdraht mit Durchmesser 0,5 mm:
15 nH: 2,5 Wdg Wickeldorn 3 mm l = 3,7 mm
33 nH: 4,5 Wdg Wickeldorn 3 mm l = 6,2 mm
68 nH: 5 Wdg Wickeldorn 4 mm l = 5,5 mm
Letztens fand ich folgendes Onlineprogramm zum Wickeln von Luftspulen:
wetec.vrok.de/rechner/cspule.htm
Man nehme die kurze Spule, die Beschreibung zur Spulenlänge ist dort etwas irreführend.
Vermutlich ist gemeint, die kurze Spule taugt für Spulen bis Länge = 5 x Durchmesser.
Das deckt sich mit meinen Erfahrungen und auch dem Mini-Ringkernrechner.
Wie üblich, gibt man dort den mittleren Spulendurchmesser ein, nicht nicht Dorn, z.B. Bohrer.

In der Formel sieht man, welchen Einfluss die einzelnen Parameter auf die Induktivität haben.
Mit A ist die Querschnittsfläche gemeint, also r² x Pi.
Somit ändert sich L bei Variation von Durchmesser und Windungen quadratisch, mit der Länge linear.
Alter Trick, zieht man Spulen etwas auseinander oder drückt sie zusammen, geht Feinabstimmung.
Teilweise sieht man das in Tunern, scheinbar schlampig verbogene Spulen, ist Absicht.
Keinesfalls an den Spulen herumbiegen, ist der werksseitige Abgleich!
Bei mir wurde z.B. L2 mit 68 nH 5,5 mm lang, jedoch im Raster 5,08 mm eingelötet.
Oben zog ich sie nach der Bestückung etwas auseinander, um auf die gewünschten 68 nH zu kommen.

Der Wert von C3 ist unkritisch, darf auch gern 1 µF oder 4,7 µF betragen.
Man nehme Tantal oder Keramik wie X7R, möglichst keinen üblichen Elko, taugt nicht für HF.
Alle anderen Kondensatoren, hier 1 nF, sind NP0/C0G, prima für Hochfrequenz geeignet.
Hat man fertig bestückt, legt man die Betriebsspannung an und kontrolliert den DC-Arbeitspunkt.
Erst dann sollte man in ein Weißblechgehäuse einlöten, zuvor geht Fehlersuche einfacher.
Anbei das Bild des Layouts, praktisch identisch mit dem zuvor beim 2SC5631.
Man sieht den Fußabdruck des BFR193 und die Bauteilwerte entsprechen dem aktuellen Schaltplan.
L1 wird man eher nicht auf der Platine bestücken, Verbindung vom Verstärkereingang zu C1.

Andreas

dl2jas · 8. Januar 2024, 23:55

Simulation und Messwerte beim Verstärker 12 dB mit BFR193

Im ersten Bild sieht man die Platine in ein Tunergehäuse eingelötet.
Masse ist mehrfach am Weißblech angelötet, besonders in der Nähe der Antennenbuchsen.
Die Messungen wurden bei geschlossenem Gehäuse durchgeführt.
Im letzten Bild sieht man das geschlossene Gehäuse, als ich die Messungen machte.

MHz	125	110	100	90	80	60	40	20	10	5
dB	11,5	11,6	11,6	11,6	11,6	11,7	11,8	12,0	11,9	11,7

Der Aufbau ist so wie im Schaltplan, bzw. Layout, optionaler Widerstand R3 nicht bestückt.
Gegenüber der Simulation kam etwas weniger Verstärkung heraus, knapp 12 dB.

MHz	125	110	100	90	80	60	40	20	10	5
dB	11,8	11,7	11,7	11,7	11,7	11,8	11,8	12,0	11,9	11,7

Hier bestückte ich R3, allerdings nicht mit einem Widerstand, sondern mit 22 pF.
Eigentlich erwartete ich deutlich mehr Höhenanhebung, kam aber auch nicht in der Simulation.
Dafür ist der Frequenzgang etwas glatter geworden, kleiner +/- 0,2 dB im gemessenen Bereich.
Messungen über 125 MHz kann ich momentan nicht durchführen, muss da noch ein Gerät reparieren.
Es ist zu erwarten, daß der Frequenzgang recht ähnlich wie in der Simulation ist.
Die Tansitfrequenz des BFR193 liegt bei 8 GHz, Bestellmöglichkeit und Datenblatt hier:
box73.de/product_info.php?products_id=3908
Den Transistor bekommt man auch bei anderen Anbietern wie Reichelt oder Conrad.
Da der BFR193 gutmütig, rauscharm und gut erhältlich ist, rate ich zum Nachbau des Verstärkers.
Ein Spice-Modell gibt es für den, ist in der Simulationsdatei zuvor enthalten.

Andreas

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	5,5	5,7	5,8	6,0	6,1	6,3	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	6,0	6,0	6,1	6,2	6,3	6,3	6,3	6,2	6,1	6,0	6,4

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	5,5	5,7	5,8	6,0	6,1	6,3	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	6,0	6,0	6,1	6,2	6,3	6,3	6,3	6,2	6,1	6,0	6,4

Benutzer online 4

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	5,5	5,7	5,8	6,0	6,1	6,3	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4

MHz	125	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
dB	6,0	6,0	6,1	6,2	6,3	6,3	6,3	6,2	6,1	6,0	6,4