LÅGBRUSIG INGÅNGSFÖRSTÄRKARE

Transkript

1 Magnus Altgård, Annica Eriksson ETIN65 Radioprojekt 2013 Instutionen för Elektro- och Informationsteknik Lunds Tekniska Högskola Handledare: Göran Jönsson LÅGBRUSIG INGÅNGSFÖRSTÄRKARE Referat Rapporten beskriver en design- och tillverkningsprocess av en lågbrusig ingångsförstärkare för frekvensbandet MHz. Den färdiga förstärkaren uppnådde en 17.8 db förstärkning och med en brusfaktor som uppfyller det förbestämda kravet på högst 2.6 db. Rapporten belyser karakteriseringsmätningar för en förstärkare samt våra egna erfarenheter och slutsatser kring arbetet med design och tillverkning.

2 Innehållsförteckning Inledning... 2 Design... 3 Val av transistor... 3 Biaseringsnät... 5 Kretsschema... 5 Kretskortslayout... 8 Resultat... 9 Förstärkaren och dess s-parametrar... 9 Förstärkarens egenskaper Brusmätning Avslutning Erkännande Referenser

3 Inledning Sedan 2006 är det i Sverige möjligt att sända radio licensfritt inom frekvensbandet MHz, så länge effekten är lägre än 10 mw. Detta öppna frekvensband, som används för allmän kortdistansradio t.ex. komradio, bilnycklar och hemautomation, har en kanalseparation på 25 khz och innehållar 69 kanaler. I vårt projekt har vi designat en ingångsförstärkare för en radiomottagare avsedd för ovannämnda frekvensområde. [2] En viktig del av förstärkardesign, i synnerhet i ett ingångssteg, är att noga avväga förstärkning mot brus. Förhållandet mellan förstärkning och brus i en mottagare beskrivs i Friis formel nedan: Det största bidraget till det totala bruset ges av första steget i mottagarkedjan. På grund av detta har vi fokuserat på att designa en förstärkare med bra förstärkning och låg brusnivå. [1] En annan sak en förstärkardesigner bör ta hänsyn till är att försöka dämpa eventuell spegelfrekvens, dvs. göra förstärkaren selektiv för det valda frekvensbandet. Övriga krav som har ställts på den färdiga förstärkarkretsen i vårt projekt är: Brusfaktor: F opt + 2 db Förstärkning: minst Dessutom ska följande egenskaper specificeras: 1 db kompressionspunkt 3:e ordningens interceptpunkt 2

4 Design Val av transistor Till vår förstärkare kunde vi välja mellan fyra olika transistorer. Vårt mål var att hitta en transistor med både låg brusfaktor och strömförbrukning. Valet föll på BFR360F, som är en NPN kiseltransistor med Fopt ungefär 0.6 db, enligt grafen nedan från transistorns datablad [3]. Figur 1 Brusfaktorn för transistorn BFR360F som funktion av frekvens. Vid det, för projektet, valda frekvensområdet är brusfaktorn ungefär 0.6 db Transistorn BFR360F har också egenskapen att den kan arbeta med låg strömförbrukning. Dessutom kunde vi inte hitta något tidigare projekt som använt sig av BFR360F, vilket gjorde det lite extra spännande att testa just den. Vi började med att mäta s-parameterar för transistorn vid vår valda frekvens. Med hjälp av verktygslådan med MatLab-funktioner från kursen Högfrekvensförstärkare kunde vi rita upp stabilitetscirklar för transistorn, som syns nedan i figur 2. 3

5 Figur 2 Smith-diagram med tillgänglig förstärkning i grönt (liten cirkel) och stabilitetscirkel för ingången i rött (stor cirkel) För att kontrollera ingångens stabilitet sätts gammas till noll och då blir gammaut endast beroende av s 22 och om absolutbeloppet av s 22 är mindre än ett ligger det stabila området utanför stabilitetscirkeln. Beräkningar visade att så var fallet. För att få den önskade mängden förstärkning ska ingångsimpedansen hamna innanför den gröna cirkeln i figur 2. För att kunna rita bruscirklar i Smith-diagrammet behövs särskilda brusparametrar, vilket dessvärre tillverkaren av transistorn inte har angivit i sitt datablad. På grund av detta har vi gjort antagandet att gammas är lika med noll kommer ge oss tillräckligt bra brusegenskaper. 4

6 Biaseringsnät För att få en stabil arbetspunkt har ett strömstyrt biaseringsnät använts. Utifrån kraven på lågt brus valdes en arbetspunkt där kollektorströmmen är 3 ma, spänningen mellan kollektorn och emittern är 3V och matningsspänningen är 5 V. Figur 3 nedan visar en bild av biaseringsnätverket som designades för vår förstärkare. Figur 3 Bild av biaseringsnät för transistorn BFR360F. Resistansernas värden är: Rc = 620 ohm, R1 = ohm, R2 = ohm, R3 = ohm. Kretsschema Som tidigare nämnt är det viktigt för en förstärkardesigner att dämpa spegelfrekvensen. För det här projektet hamnar spegelfrekvensen vid MHz, om IF = 21.4 MHz och high-side injection antas. För att uppnå den önskade dämpningen designades ett impedansnät med karakteristiken att ge hög eller låg impedans för önskade respektive oönskade frekvenser. Detta i sin tur skulle leda till att de oönskade frekvenserna dämpades då förstärkningen är proportionell mot lastimpedansen. Vår uträknade impedans som funktion av frekvens kan ses i figur 4a. Tyvärr fanns inte det uträknade kapacitansvärdet på 13.6 pf, så vi fick ersätta detta med närmast tillgängliga värde (12 pf). Effekten av detta blev att impedanstoppen inte hamnade där vi önskade, se figur 4b. 5

7 Figur 4 Impedansnätets frekvensberoende a) med den optimala kapacitansen 13.6 pf b) med den använda kapacitansen 12 pf Nedan ses en bild av impedansnätet för BFR360F, med valda värden på komponenterna. Figur 5 Bild av impedansnätet som designat för att dämpa projektets spegelfrekvens på MHz 6

8 Impedansnätet integrerades i biaseringsnätet för att undvika en extra spärrspole. Resistansen R3, se biaseringsnät i figur 3, har ett stort värde, vilket gjorde att vi inte behövde en spärrspole här heller. För att undvika att likström läcker ut lades kondensatorer med värdet 100 pf på ingången samt på utgången. Innan utgången ligger ett anpassningsnät för att anpassa kretsen till en last motsvarande 50 ohm. Figur 6 Bild av det slutgiltiga kretsschemat 7

9 Kretskortslayout Kretskortets layout ritades i CAD-programmet Eagle. För att undvika strökapacitanser bör ledningarna hållas så korta som möjligt och omges av en ganska bred isolering. För att koppla jordplanen på övre och undre sidan av kortet till varandra ska det finnas en riklig mängd genomföringar, så kallade vior. Innan kretskortet skickas till etsning ska man tänka på att spegla sin design för att få den på rätt håll. Figur 7 Bild av kretskortslayouten Efter att kortet etsats lödde vi fast komponenterna efter vårt kretsschema. Genom viorna ska man tänka på att ha ett ledande stift för att få bättre kontakt mellan jordplanen. Man bör även tänka på att ha många vior, vilket vi bittert fick erfara då vår krets blev instabil pga. dåligt definierad jord på vissa delar av kortet, vilket berodde på att vi hade för få vior. Detta kunde korrigeras genom att använda koppartejp för koppla samman jordplanen. 8

10 Resultat Förstärkaren och dess s-parametrar Den färdiga förstärkaren, efter lödning och jordplanskoppling, ses i figur 8. Man kan notera att den parallellkopplade spolen i anpassningsnätet är placerad precis innan utgången, istället för på den tänkta platsen, se kretskortslayout i figur 7. Detta gjordes för att anpassa förstärkaren till 50 ohm. Anpassningen gjordes i efterhand och gav en förstärkning på ytterligare 4.5 db. Figur 8 Bild av den färdiga förstärkaren, transistorn BFR360F ses längst ner till höger Kravet på förstärkaren var att den skulle ha en förstärkning på minst absolutbeloppet av transistorns s 21 -parameter. Vid frekvensen 434 MHz uppmättes s 21 -parametern för transistorn till 7.3 < 127.9º vilket motsvarar ett krav på en förstärkning av minst 17.2 db. Den färdiga förstärkarens s-parametrar i frekvensområdet 250 MHz till 550 MHz ses i figur 9. Markören är inställd på MHz, vilket ligger i det intressanta frekvensområdet. 9

11 Figur 9 S-parametrar för den färdiga förstärkaren Som tidigare specificerat antog vi ett gammas till noll, vilket skulle betyda att förstärkningen hamnar inom det önskade området, se design-avsnittet. Dessvärre hamnar vår s 11 strax utanför förstärkningscirkeln, jämför figur 9 och 2. Förstärkningen, som skulle vara minst 17.2 db, blir i den här mätningen 17.1 db, alltså något lägre. Utgången är nästan perfekt anpassad till 50 ohm, något som tog lång tid då jordplanen inte var stabila till en början. Förstärkarens strömförburkning uppmättes med hjälp av en amperemeter och kunde bestämmas till 3.1 ma. 10

12 Förstärkarens egenskaper Förstärkarens 1-dB kompressionspunkt mättes för att se hur linjär den är vid arbetsfrekvensen 433 MHz. En effektsvepning mellan -35 dbm till -10 dbm genomfördes och 1-dB kompressionspunkten konstaterades vara vid dbm ineffekt respektive -0.3 dbm uteffekt, se figur 10. Figur 10 1-dB kompressionspunkten för vår förstärkare För att undersöka om förstärkaren behåller sin kompressionspunkt inom ett större frekvensintervall gjordes en frekvenssvepning, 409MHz till 459 MHz, och kompressionspunkten togs ut för varje frekvens. I figur 11 nedan ser man att förstärkaren är som mest linjär i det önskade frekvensområdet. 11

13 Figur 11 1dB-kompressionspunkt som funktion av frekvens Förstärkarens förmåga att undertrycka intermodulationsprodukten undersöks med ett två-tons test. Resultatet av mätningen visar att tredje ordningens interceptpunkt ligger stabilt runt 10.2 dbm uteffekt för vårt frekvensintervall av intresse. Figur 12 Förstärkarens intermodulationsprodukt av tredje ordningen 12

14 Brusmätning Figur 13 visar en brusmätning utförd med en kalibrerad bruskälla med ett brett frekvensintervall. Kravet på bruset var att det inte fick överstiga 2.6 db i brusfaktor. Som man ser på den röda kurvan, som motsvarar brusfaktorn, håller förstärkaren en bra nivå upp till 440 MHz, bortsett från en liten topp vid 390 MHz. Den högsta toppen, på 446 MHz, motsvarar sannolikt en lokalsändare, vilket vi verifierade med en antenn som kopplades till spektrumanalysatorn. Figur 13 Brus och förstärkning hos förstärkaren i frekvensintervallet 330 MHz till 530 MHz Den blå kurvan, som visar förstärkningen, ser ut att vara ganska konstant kring vårt frekvensområde av intresse. Förstärkningen ser även ut att vara något högre än vad som uppmättes med nätverksanalysatorn tidigare. För att bättre undersöka detta gjordes en smalare frekvenssvepning, som ses i figur

15 Figur 14 Brus och förstärkning hos förstärkaren i frekvensintervallet 430 MHz till 435 MHz Förstärkarens brus överstiger det specificerade värdet på 2.6 db brusfaktor vid vår arbetsfrekvens. Det skulle dock visa sig, efter ytterliga mätningar med extern antenn, att det även här fanns en svag signal som låg och störde våra mätningar. Vi antar därför att vår förstärkare uppfyller bruskravet. Förstärkningen, som visas av den blå kurvan, är stabil runt 17.8 db, vilket glädjande överstiger kravet på minst 17.2 db. 14

16 Avslutning Arbetet med vår förstärkare har varit väldigt roligt och lärorikt. Vi har gått i en del fällor, som till exempel att vi hade dåligt definierad jord på de avsedda jordplanen. Detta gjorde att vi ägnade onödigt många timmar åt att försöka anpassa förstärkaren till utgången. En annan fälla vi gick i var att vi använde fel kalibreringskitt, vilket gjorde de första mätningarna irrelevanta. Av dessa misstag, och några andra småfel, har vi lärt oss otroligt mycket och fått erfarenheter som vi kommer ha nytta av i framtiden. Genom att konjugatanpassa ingången hade sannolikt förstärkningen samt brusfaktorn fått bättre värden. En annan sak man hade kunnat förbättra är impedansnätet som var avsett som spegelfrekvensdämpare, genom att ersätta komponenterna med bättre lämpade värden. Erkännande Vi vill tacka vår handledare Göran Jönsson för hans stöd och vägledning under projektets gång. Vi vill också tacka Lars Hedenstjerna för den snabba och välgjorda etsningen av vårt kretskort. Referenser [1] L.Sundström, G.Jönsson, H.Börjesson, Instutionen för Elektrooch Informationsteknik, Lunds universitet, Radio Electronics, 2004 [2] [3] b c1&fileId=db3a ef bc17c4067f,