Antennförstärkare för FM-bandet

Relevanta dokument
Lågbrusig antennförstärkare för FM bandet

Radioprojekt våren 2002 Antennförstärkare Jimmy Johansson e98 Fredrik Åhfeldt e98 Handledare: Göran Jönsson

Antennförstärkare för UHF-bandet

Selektivt ingångssteg för FM-bandet Radioprojekt 2006 vid institutionen för Elektrovetenskap

Antennförstärkare för UHF-bandet

LÅGBRUSIG INGÅNGSFÖRSTÄRKARE

Spänningsstyrd Oscillator

Antennförstärkare. PMR-bandet. Anders Petersson, e99ape Ulf Axelsson, e99ua 28 februari Institutionen för Elektrovetenskap Radioprojekt

Lågbrusigt ingångssteg för FM-bandet

Radioprojekt, ETI041 Ingångssteg med högfrekvensselektivitet. Niklas Lindqvist Björn Nilsson Handledare Göran Jönsson

Lokaloscillator för FM-rundradiobandet 98,7-118,7 MHz

10 db effektförstärkare för GSM

Antennförstärkare för UHF-bandet

Effektförstärkare Klass B för 900 MHz

Optimalt ingångssteg för FM-radio

Selektivt Ingångssteg

Radioprojekt 2005 Dubbelbalanserad mixer och oscillator Philips SA 612

En 98,7-118,7 MHz LO med 55 db övertonsundertryckning och 13 dbm uteffekt

Rundradiomottagare Mikael Andersson Martin Erikson. Department of electroscience. ETI 041 Radioprojekt

Dual-gate MOSFET blandare för FM-mottagare

Projektrapport FM-Radiomottagare MHz Radioprojekt VT-2002

Karl Johansson, e01 Andréas Olofsson, e01. Lokaloscillator. för användning i FM-mottagare

Byggsats Radio med förstärkare Art.nr: 99409

Spänningsstyrd lokaloscillator för FM-bandet

Som byggsats finns denna i tre utförande: 1. Komponenter och etsat samt färdigborrat kretskort. 2. Låda och kontakter. 3. Färdigbyggd.

TSTE20 Elektronik Lab5 : Enkla förstärkarsteg

Avkoppla rätt en kvantitativ undersökning av parasitinduktans hos olika layoutalternativ

Aktiv blandning med dual gate MOSFET

Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet. Agneta Bränberg TRANSISTORTEKNIK. Laboration.

Videoförstärkare med bipolära transistorer

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 3 Transistorförstärkare

Radioprojekt VT 2003 Fasbrusmätning på en kvadraturoscillator

Tentamen i Elektronik fk 5hp

Poler och nollställen, motkoppling och loopstabilitet. Skrivet av: Hans Beijner

Tentamen i Elektronik 5hp för E2/D2/Mek2

Avkoppling. av parasiter hos olika avkopplingslayouter. Gunnar Karlström, BK Services. - BK Services, konsult, tekniskt ansvarig för EMClabbet

Självsvängande blandare med dual-gate FET

Institutionen för teknik och naturvetenskap, ITN. Datum Gruppmedlemmar: Răzvan Bujilă Per Hedlund Roger Idebrant Frida Östberg

Laboration II Elektronik

Laboration ( ELEKTRO

Umeå universitet Tillämpad fysik och elektronik Ville Jalkanen mfl Laboration Tema OP. Analog elektronik för Elkraft 7.

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Laboration - Va xelstro mskretsar

Tentamen i Elektronik för F, 2 juni 2005

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 16 dec 2008 klockan 8:00 13:00.

Bygg en entransistors Booster till datorn eller MP3-spelaren

Förstärkarens högfrekvensegenskaper. Återkoppling och stabilitet. Återkoppling och förstärkning/bandbredd. Operationsförstärkare.

DEL-LINJÄRA DIAGRAM I

Utredande uppgifter: I: Beskriv de fyra arbetsmoderna för en npn-transistor. II: Vad är orsaken till strömförstärkningen i normal mod?

Institutionen för elektrisk mätteknik

TSKS06 Linjära system för kommunikation Lab2 : Aktivt filter

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. Exempeltentamen

Filtrering av matningsspänningar för. känsliga analoga tillämpningar

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 21 oktober 2008 klockan 8:00 13:00

PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik.

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

OP-förstärkare. Idealiska OP-förstärkare

4 Laboration 4. Brus och termo-emk

AKTIVA FILTER. Laboration E42 ELEKTRO. UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Rev 1.0.

Föreläsning 9 Transistorn och OP-förstärkaren

Förstärkning Large Signal Voltage Gain A VOL här uttryckt som 8.0 V/μV. Lägg märke till att förstärkningen är beroende av belastningsresistans.

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 1 Transistorn del 1

Figur 1 Konstant ström genom givaren R t.

I: Beskriv strömmarna i en npn-transistor i normal mod i de neutrala delarna av transistorn.

Automationsteknik Laboration Givarteknik 1(6)

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 6 mars 2006 SVAR

Komponentlista och enkel byggbeskrivning för LTS MM-RIAA

TSTE05 Elektronik och mätteknik ISY-lab 3: Enkla förstärkarsteg

Cédric Cano Uppsala Mätsystem F4Sys. Pulsmätare med IR-sensor

Mät kondensatorns reaktans

Elektronik 2017 EITA35

Induktiv beröringsfri närvarogivare/detektor med oscillator, (Proximity switch)

Beskrivning elektronikkrets NOT vatten

Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

VÄXELSTRÖM SPÄNNINGSDELNING

Mätningar med nätverksanalysator

System, Modeller och Metoder

TERTEC Evolution. Den perfekta High-tech Antenn Högsta kvalitet mottagning Extrem väderbeständig Perfekt för svåra mottagningssituationer

Laboration - Operationsfo rsta rkare

Batteri. Lampa. Strömbrytare. Tungelement. Motstånd. Potentiometer. Fotomotstånd. Kondensator. Lysdiod. Transistor. Motor. Mikrofon.

TSTE24 Elektronik. Dagens föreläsning. Förstärkare Mark Vesterbacka. Förstärkarsteg. Småsignalberäkningar. Examinationsexempel s.

5 OP-förstärkare och filter

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. den 14 jan :00-13:00

Bilden föreställer en komplett CW-tranceiver för 80 m bandet. Pixie 2 heter den och är nyligen byggd av Sture SM7CHX.

Elektricitetslära och magnetism - 1FY808. Lab 3 och Lab 4

AKTIV MONITORMODUL V-1812C

FREKVENSANALYS UPPGIFT 1 Operationsförstärkare 1 Elektrisk Mätteknik Milan Friesel

Digitala projekt - Radiostyrd bil

Laborationsrapport. Kurs Elektroteknik grundkurs ET1002. Lab nr 5. Laborationens namn Växelström. Kommentarer. Namn. Utförd den. Godkänd den.

BV440M. Bruksanvisning

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

Elektriska kretsar och fält - några exempel på tillämpningar

Tentamen i Elektronik för F, 13 januari 2006

BV220. Bruksanvisning

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Digitala kretsars dynamiska egenskaper

Elektronik grundkurs Laboration 5 Växelström

VÄXELSTRÖM SPÄNNINGSDELNING

Transkript:

för FM-bandet Radioprojekt Institutionen för elektrovetenskap Lunds tekniska högskola 23 februari 2005 Sammanfattning Denna rapport beskriver tillvägagångssättet för att konstruera en antennförstärkare till FM-bandet. Den har designats för så låg brusfaktor och så hög förstärkning som möjligt. Avsnitt som behandlas i rapporten är val av transistor, biaseringsnät, anpasningsnät samt mätningar med resultat.

Innehållsförteckning 1 INLEDNING...2 2 TEORI...3 2.1 Val av transistor... 3 2.2 Biaseringsnät... 3 2.3 Anpassningsnät... 4 2.4 Design av kretskort... 5 3 KONSTRUKTION...6 3.1 Finjusteringar... 6 3.2 Mätningar... 6 4 RESULTAT...7 5 AVSLUTNING...10 6 ERKÄNNANDE...10 7 REFERENSER...11 A MATLABKOD...11 1

1 Inledning Detta projekt går ut på att bygga en antennförstärkare för FMbandet (88-108MHz). Då antennförstärkaren är det första steget i en radiomottagare är det viktigt att detta steg har hög förstärkning och lågt brus. Detta är viktigt för god känslighet i hela radiomottagaren. Enligt specifikation ska förstärkaren ha en förstärkning större än S 21 2 och brusfaktorn får maximalt vara 2dB mer än F opt. Anpassningsnätet måste konstrueras så att en bandbredd på minst 20MHz uppnås. För att förstärkaren ska kunna anslutas till nästkommande steg ska både in- och utgång anpassas till 50Ω. När design och alla beräkningar är gjorda används ett CADprogram för att rita vårt kretsschema, som lämnas in för tillverkning. När det etsade kretskortet fås ska alla komponenter lödas dit. Till sist ska brusfaktor, kompressionspunkt samt 3:e ordningens interceptpunkt mätas upp på den färdiga förstärkaren. 2

2 Teori Här beskrivs hur kretsschemat och komponentvärdena räknades fram teoretiskt. 2.1 Val av transistor Det första som ska bestämmas är vilken transistor som är lämpligast att använda för att klara specifikationen. De viktigaste egenskaperna hos transistorn är förstärkning och brusegenskaper. Många datablad för olika transistorer studeras, valet står mellan BFR92A och BFR520. Slutligen beslutas att BFR520 skall användas på grund av bättre brusegenskaper. En annan fördel med detta val är att vi sedan tidigare har mätt upp transistorns S- parametrar som är viktiga att känna till i kommande beräkningar. Ett stort problem med BFR520 är dess datablad, då brusegenskaper för frekvenser under 200 MHz inte är redovisade. Γ opt finns inte heller med, tanken var att kontakta transistortillverkaren om dessa värden. Tyvärr visade detta sig vara en hopplös uppgift på grund av tidsbrist. Dessa värden har därför uppskattats med hjälp av tidigare erfarenheter. 2.2 Biaseringsnät Biaseringsnätet ska inte vara beroende av strömförstärkningen hos transistorn eller påverkas av temperaturförändringar. Ett biaseringsnät som uppfyller detta är det passivt strömstyrda nätet i figur 2. För att välja arbetspunkt för transistorn avläses brus- och försträknings-egenskaper ur datablad för BFR520. En bra kompromiss mellan dessa egenskaper uppnås med en arbetspunkt på 10mA. För att uppnå denna arbetspunkt beräknas komponentvärdena fram enligt tabell 1. V B väljs till 0,7V för att vara säker på att transistorn befinner sig i sitt aktiva område. V D måste väljas till minst 2 * V B för att inte riskera att förstärkaren blir spänningsstyrd och sattes därför till 1,4V. V CC = 12V V CE = 6V V D = 1,4V V B = 0,7V R C = 560Ω R B1 = 4700Ω R B2 = 1600Ω R B3 = 9100Ω Tabell 1 Figur 1. Valt biaseringsnät 3

2.3 Anpassningsnät Efter simulering i Matlab med hjälp av s-parametrar för BFR520 (vid 100 MHz) fås figur 2. I figuren kan man se att inget anpassningsnät på ingången är nödvändigt eftersom mittpunkten i smith-diagramet är inom det stabila området. En kopplingskondensator ansluts på ingången för att förhindra likström från antennen att påverka biaseringsnätet. För att få så hög förstärkning och så lågt brus som möjligt, väljs * konjugatanpassning på utgången. Γ out beräknas i Matlab till 0,8783 + 0,2419j, denna punkt ritas in i ett Smith-diagram. Då ses att en kondensator i serie och en parallell spole behövs för korrekt anpassning. Värdena på komponenterna beräknades till C4 = 59pF och L 2 = 145nH vid 100MHz. För att isolera signalen från biaseringsnätet har en RFC-spole (L 1 ) kopplats in. Tre stycken avkopplingskondensatorer har lagts till konstruktionen för att jorda eventuell oönskad högfrekvenssignal i biaseringsnätet. De dubbla kondensatorerna C 1 och C 5 jordar höga respektive låga frekvenser. Figur 2. Smithdiagram med stabilitetscirklar för in- och utgång, availablegain cirkel samt bruscirkel för 2dB. 4

Figur 3. Teoretisk kopplingsschema 2.4 Design av kretskort När alla komponenter har beräknats är det dags att designa kretskortet, detta görs i McCAD. Det viktigaste i designen är att hålla ledningarna med signal så korta som möjligt. Hela undersidan av kretskortet är ett jordplan, där det är viktigt att få bra jordpunkter borras därför hål i kretskortet. För att förena översidans jordplan med undersidans, lödas en bit ledningstråd i hålen. En speciellt viktig punkt att jorda är transistorns emitter. Layouten visas i figur 4. Figur 4. Kretskortlayout 5

3 Konstruktion När alla teoretiska värden beräknats är det dags att bygga själva förstärkaren. Här följer tillvägagångssättet. 3.1 Finjusteringar När kretskortet färdigetsats ska de ytmonterade komponenterna lödas fast. Då detta är klart görs de första mätningarna på antennförstärkarens S-parametrar. Förstärkningen uppfyllde specifikationen på 23dB men var väldigt bredbandig. Anpassningen på utgången var inte som önskat utan låg runt 50 + 120jΩ. För att ändra utgångsimpedansen närmare de önskade 50Ω lades en kondensator till i serie på utgången. Efter beräkningar monterades en kondensator (C 6 ) på 10pF dit. Utgången var nu mycket bättre anpassad. Figur 5. Anpassningsnät på utgången efter justering 3.2 Mätningar De mätningar som ska göras är S-parametrarna, 1dB kompressionspunkt, 3:e ordningens interceptpunkt och brusfaktor. S-parametrarna mäts enkelt upp med hjälp av nätverksanalysatorn. Även 1dB kompressionspunkt mäts med nätverksanalysatorn, som gör detta automatiskt i det önskade frekvensintervallet. För att mäta 3:e ordningens interceptpunkt ansluts signalgeneratorn till nätverksanalysatorn. Signalerna från respektive källa summeras med en combiner vars utsignal skickas in i antennförstärkaren, som i sin tur kopplas in i nätverksanalysatorn. Efter många försök och ändringar av inställningar gick det att mäta 3:e ordningens interceptpunkt i det önskade frekvensintervallet. Brusfaktorn mäts i ett avskärmat rum för att slippa alla yttre störningar. Under mätningen används en bruskälla med två kända brusnivåer och en spektrumanalysator som ansluts till en pc. 6

4 Resultat Det första som mäts är S-parametrarna, där S 21 kontrolleras för att se om tillräcklig förstärkning erhålls. I figur 6 ser man att största förstärkningen är 30dB vid 104,75MHz vilket väl uppfyller specifikationen. Egentligen är störst förstärkning önskad vid 100MHz men då B 3bd täcker hela FM-bandet anses detta bra. Figur 6. s 21 för färdiga antennförstärkaren När det konstaterats att S 21 var tillfredsställande skulle S 11 och S 22 studeras. För att ha en stabil förstärkare bör både S 11 och S 22 ligga inne i Smith-diagrammet. I figur 7 syns att S 11 ligger utanför Smith-diagrammet i det aktuella frekvensintervallet. Detta är oroande ur stabilitetssynpunkt. För att se om förstärkaren självsvänger kopplas den in till spektrumanalysatorn med 50Ω inkopplat på ingången. Eftersom inga oönskade signaler syns finns det goda möjligheter för stabilitet. Det går aldrig att anpassa ett helt frekvensintervall utan bara en specifik frekvens, vilket visar sig i figur 8. För denna förstärkare är utgången bra anpassad för de högre frekvenserna i intervallet men sämre för de lägre. 7

Figur 7. S 11 för färdiga antennförstärkaren Figur 8. S 22 för färdiga antennförstärkaren 8

Kompressionspunkten redovisas i figur 9 och varierar från 0dBm vid 88MHz till 9dBm vid 108MHz. Vilket innebär att förstärkaren kan leverera högre effekt vid högre frekvenser. Mätningen av 3:e ordningens interceptpunkt gav resultat enligt figur 10. Figur 9. Resultat för kompressionsmätningen Figur 10. Resultat för 3:e ordningens interceptpunkt 9

Avslutningsvis mättes brusfaktorn, vars resultat presenteras i figur 11. Bruset är som lägst i den övre delen av intervallet, till och med under 1 db. Toppen vid 100MHz kommer från en extern störkälla någonstans i det avskärmade rummet, antagligen från datorn eller spektrumanalysatorn. Figur 11. Resultat Brusfaktormätning 5 Avslutning Vår antennförstärkare har överträffat våra förväntningar vad gäller förstärkning- och brusegenskaper. I och med vår höga förstärkning befarade vi att vi inte skulle klara brusspecifikationen. Mätningen visade dock att vi klarar specifikationen i större delen av intervallet. För att bättre klara förstärkningen i början av intervallet hade vi helst velat flytta förstärkningstoppen till mitt i frekvensintervallet. Vilket också hade gjort att vi klarade bruskravet i hela intervallet. Detta problem hade vi säkert löst genom att mäta och finjustera anpassningsnätet ytterliggare. S 11 är också värt en kommentar, då det är det enda resultat vi inte är nöjda med. En möjlig lösning på problemet kan vara att minska förstärkningen genom att minska I c. Detta görs lätt genom att ändra resistorvärdena i biaseringsnätet. Med erfarenheterna som hämtats in under projektets gång hade vi kunnat förbättra kretskortlayouten. 6 Erkännande Vi vill tacka Göran Jönsson för handledning och givande diskussioner under projektets gång. Vi vill även tacka Filip och Johan som har funnits för handledning under arbetets gång. 10

7 Referenser [1] L. Sundström, G. Jönsson, H. Börjeson, Radio Electronics, Department of Electroscience, Lund University, 2004 A Matlabkod smtool; red=[1,0,0]; green=[0,1,0]; yellow=[1,1,0]; blue=[0,0,1]; cyan=[0,1,1]; s1=readspar('spar04.s2p'); s=s1(1,:) delt=abs(sdelta(s)); K=sk(s); drawci(sinstci(s),2,'-',red); drawci(soutstci(s),2,'-',yellow); nfmin =1.2; %uppskattad gammaopt=p2c(0.3,47); %uppskattad rn=0.260; plotc(gammaopt,2,'*',blue); drawci(noisecig(idbp(1.4),nfmin,rn,gammaopt),2,'-',blue,1); gtmax=dbp(sgtmax(s)); ga1=idbp(23-dbp(abs(s(1,2))^2)); drawci(singcib(s,ga1),2,':',cyan,1); %beräkning av gammaout g1=serr(-1,50,50); gs=serc([g1,100e6],20e-9,50); gamout=sgamout(s,0); %Biasering beta=125; %enligt datablad IC=0.01; VCC=12; VCE=6; VD=1.4; VB=0.7; ID=IC/sqrt(beta); IB=ID/sqrt(beta); RC=(VCC-VCE)/(IC+IB+ID); RB1=(VCE-VD)/(ID+IB); RB2=VD/ID; RB3=(VD-VB)/IB; 11