Front-end SDR JOKER w oparciu o wzmacniacz instrumentalny AD8421
Trwają przygotowania do końcowych testów i publikacji nowej wersji płytki RF z układem hybrydowym toru nadajnika.
Obecna wersja będzie miała również niewielkie, ale ważne zmiany w torze odbiornika.
Tor RF odbiornika przygotowywany jest w dwóch wersjach: w oparciu o wzmacniacz instrumentalny AD8421 oraz OPA1652 i OPA1662.
Zdjęcia płytek przygotowanych do testów z AD8421 i układem hybrydowym toru nadajnika.
W ramach budowy Jokera zdecydowaliśmy się podjąć próbę odejścia od powszechnie stosowanych wzmacniaczy operacyjnych Op-Amp w stopniu I/Q na rzecz wzmacniaczy instrumentalnych In-Amp (pomiarowych). Rozwiązanie to jest rzadko spotykane w konstrukcjach amatorskich.
Kluczowe aspekty techniczne wynikające z zastosowania In-Amp.:
CMRR Common-Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego.
W klasycznym układzie różnicowym na Op-Amp, CMRR zależy od precyzji parowania rezystorów zewnętrznych.
Nawet przy rezystorach 0,1% trudno uzyskać stabilne tłumienie powyżej 60 dB.
AD8421 posiada wewnętrzne, laserowo trymowane rezystory, co pozwala na uzyskanie CMRR na poziomie 94dB.
W praktyce przekłada się to na wytłumienie przydźwięku sieciowego oraz zakłóceń impulsowych „wstrzykiwanych” przez zegar kluczy CBT3253.
Slew Rate - szybkość narastania sygnału.
AD8421 charakteryzuje się bardzo wysoką szybkością narastania sygnału 80 V/s. W detektorze Tayloe, gdzie sygnał wyjściowy z kluczy ma charakter dyskretnych próbek (impulsowy), klasyczne op-ampy audio często nie „nadążają” za zboczami, co generuje zniekształcenia nieliniowe i pogarsza parametry IP3.
AD8421 zapewnia idealną odpowiedź impulsową.
Ultra-niski poziom szumów napięciowych.
Przy gęstości szumu 3nV/√ Hz, układ ten pozwala na uzyskanie podłogi szumowej na poziomie -132dBm (filtr 500Hz).
Stała, wysoka impedancja wejściowa.
W przeciwieństwie do wzmacniaczy operacyjnych w układzie różnicowym, gdzie impedancja wejściowa zależy od wartości rezystorów w pętli sprzężenia, In-Amp oferuje stałą, bardzo dużą impedancję wejściową (rzędu GΩ), nie zależną od wzmocnienia ustawionego rezystorem.
Dzięki temu detektor Tayloe pracuje w warunkach idealnego braku obciążenia, co poprawia bilans fazowy i amplitudowy kanałów I oraz Q.
Rozwiązanie kwestii polaryzacji bias kluczy.
Jako bias kluczy wykorzystujemy wewnętrzny układ odpowiedzialny za tworzenie prądów polaryzacji wejść AD8421. In-amp oraz klucze „od tyłu” pracują na tym samym napięciu bias.
W omawianej konfiguracji ograniczeniem parametrów dynamicznych odbiornika, nie bywa IMD3 - odporność na przesterowanie silnymi sygnałami, a szumy fazowe generatora i szumy migotania 1/f wzmacniaczy Op-Amp / In-Amp oraz wejść analogowych przetwornika ADC. IP3 demodulatora podwójnie zrównoważonego Tayloe osiąga poziom +30dBm.
Zakres dynamiczny mieszania zwrotnego.
Niepożądane produkty mogą powstać na wskutek mieszania się silnych sygnałów z szumem fazowym generatora Si5351, który nie ciszy się dobrą opinią wśród konstruktorów. Skutkiem jest podniesienie się podłogi szumowej w odbiorniku, utrata czułości w obecności silnych sygnałów.
By zminimalizować te negatywne efekty zastosowaliśmy przesunięcie audio odbiornika na 9kHz (offset audio). Wartość przesunięcia nie jest przypadkowa.
Pomiary
Przeprowadziłem testy odbiornika z filtrem CW 500Hz próbą trzy decybelową (3dB) wg procedury RMDR pomiaru mieszania się szumów lokalnego oscylatora z silnym sygnałem bocznym. Test polegał na pomiarze podniesienia się szumu od podłogi szumowej odbiornika o 3dB w odległości 2 kHz od sygnału zakłócającego, w wyniku zwiększania mocy tego sygnału i pomiarze jego poziomu.
By pomiar obrazował problem szumu fazowego Si5351 jako generator testowy został użyty generator kwarcowy 3,579 MHz, z filtrem dolnoprzepustowym.
Generator Si5351 w Jokerze wytwarza dwa sygnały I/Q, 9 kHz poniżej częstotliwości pracy.
Podłoga szumowa odbiornika bez sygnału zakłócającego wynosi -132dBm.
Odczyt podniesionego poziomu szumu o 3 dB, na wskutek zsumowania się mocy szumu zewnętrznego z podłogą szumową odbiornika.
W momencie gdy szum zewnętrzny zrównuje się z szumem odbiornika następuje podniesienie się odczytu o 3 dB. Wzrost do poziomu -129dBm.
Po lewej stronie w odległości 2 kHz widać testowy sygnał zakłócający.
Odczyt mocy sygnału zakłócającego: -30dBm, jest to poziom S9+43dB.
Dla zweryfikowania tego poziomu porównałem odczyt na SDR Play RSPduo, który również pokazał -30dBm.
Warto zwrócić uwagę, na odczyt SNR w SDR Play...
Wyliczony odstęp sygnału zakłócającego do podłogi szumowej odbiornika.
-30dBm – (-132dBm) = 102dB
Obraz odbioru sygnałów w obecności silnego sygnału zakłócającego.
Na koniec zdjęcia z sygnałem testowym na zboczu filtra CW 500Hz i poza filtrem.
Sygnał wchodzący na zbocze filtra, jeszcze mocno odbierany.
Sygnał testowy przesunięty 500Hz dalej.
Sygnał testowy 500Hz poniżej filtra.
Trwają przygotowania do końcowych testów i publikacji nowej wersji płytki RF z układem hybrydowym toru nadajnika.
Obecna wersja będzie miała również niewielkie, ale ważne zmiany w torze odbiornika.
Tor RF odbiornika przygotowywany jest w dwóch wersjach: w oparciu o wzmacniacz instrumentalny AD8421 oraz OPA1652 i OPA1662.
Zdjęcia płytek przygotowanych do testów z AD8421 i układem hybrydowym toru nadajnika.
W ramach budowy Jokera zdecydowaliśmy się podjąć próbę odejścia od powszechnie stosowanych wzmacniaczy operacyjnych Op-Amp w stopniu I/Q na rzecz wzmacniaczy instrumentalnych In-Amp (pomiarowych). Rozwiązanie to jest rzadko spotykane w konstrukcjach amatorskich.
Kluczowe aspekty techniczne wynikające z zastosowania In-Amp.:
CMRR Common-Mode Rejection Ratio - współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego.
W klasycznym układzie różnicowym na Op-Amp, CMRR zależy od precyzji parowania rezystorów zewnętrznych.
Nawet przy rezystorach 0,1% trudno uzyskać stabilne tłumienie powyżej 60 dB.
AD8421 posiada wewnętrzne, laserowo trymowane rezystory, co pozwala na uzyskanie CMRR na poziomie 94dB.
W praktyce przekłada się to na wytłumienie przydźwięku sieciowego oraz zakłóceń impulsowych „wstrzykiwanych” przez zegar kluczy CBT3253.
Slew Rate - szybkość narastania sygnału.
AD8421 charakteryzuje się bardzo wysoką szybkością narastania sygnału 80 V/s. W detektorze Tayloe, gdzie sygnał wyjściowy z kluczy ma charakter dyskretnych próbek (impulsowy), klasyczne op-ampy audio często nie „nadążają” za zboczami, co generuje zniekształcenia nieliniowe i pogarsza parametry IP3.
AD8421 zapewnia idealną odpowiedź impulsową.
Ultra-niski poziom szumów napięciowych.
Przy gęstości szumu 3nV/√ Hz, układ ten pozwala na uzyskanie podłogi szumowej na poziomie -132dBm (filtr 500Hz).
Stała, wysoka impedancja wejściowa.
W przeciwieństwie do wzmacniaczy operacyjnych w układzie różnicowym, gdzie impedancja wejściowa zależy od wartości rezystorów w pętli sprzężenia, In-Amp oferuje stałą, bardzo dużą impedancję wejściową (rzędu GΩ), nie zależną od wzmocnienia ustawionego rezystorem.
Dzięki temu detektor Tayloe pracuje w warunkach idealnego braku obciążenia, co poprawia bilans fazowy i amplitudowy kanałów I oraz Q.
Rozwiązanie kwestii polaryzacji bias kluczy.
Jako bias kluczy wykorzystujemy wewnętrzny układ odpowiedzialny za tworzenie prądów polaryzacji wejść AD8421. In-amp oraz klucze „od tyłu” pracują na tym samym napięciu bias.
W omawianej konfiguracji ograniczeniem parametrów dynamicznych odbiornika, nie bywa IMD3 - odporność na przesterowanie silnymi sygnałami, a szumy fazowe generatora i szumy migotania 1/f wzmacniaczy Op-Amp / In-Amp oraz wejść analogowych przetwornika ADC. IP3 demodulatora podwójnie zrównoważonego Tayloe osiąga poziom +30dBm.
Zakres dynamiczny mieszania zwrotnego.
Niepożądane produkty mogą powstać na wskutek mieszania się silnych sygnałów z szumem fazowym generatora Si5351, który nie ciszy się dobrą opinią wśród konstruktorów. Skutkiem jest podniesienie się podłogi szumowej w odbiorniku, utrata czułości w obecności silnych sygnałów.
By zminimalizować te negatywne efekty zastosowaliśmy przesunięcie audio odbiornika na 9kHz (offset audio). Wartość przesunięcia nie jest przypadkowa.
Pomiary
Przeprowadziłem testy odbiornika z filtrem CW 500Hz próbą trzy decybelową (3dB) wg procedury RMDR pomiaru mieszania się szumów lokalnego oscylatora z silnym sygnałem bocznym. Test polegał na pomiarze podniesienia się szumu od podłogi szumowej odbiornika o 3dB w odległości 2 kHz od sygnału zakłócającego, w wyniku zwiększania mocy tego sygnału i pomiarze jego poziomu.
By pomiar obrazował problem szumu fazowego Si5351 jako generator testowy został użyty generator kwarcowy 3,579 MHz, z filtrem dolnoprzepustowym.
Generator Si5351 w Jokerze wytwarza dwa sygnały I/Q, 9 kHz poniżej częstotliwości pracy.
Podłoga szumowa odbiornika bez sygnału zakłócającego wynosi -132dBm.
Odczyt podniesionego poziomu szumu o 3 dB, na wskutek zsumowania się mocy szumu zewnętrznego z podłogą szumową odbiornika.
W momencie gdy szum zewnętrzny zrównuje się z szumem odbiornika następuje podniesienie się odczytu o 3 dB. Wzrost do poziomu -129dBm.
Po lewej stronie w odległości 2 kHz widać testowy sygnał zakłócający.
Odczyt mocy sygnału zakłócającego: -30dBm, jest to poziom S9+43dB.
Dla zweryfikowania tego poziomu porównałem odczyt na SDR Play RSPduo, który również pokazał -30dBm.
Warto zwrócić uwagę, na odczyt SNR w SDR Play...
Wyliczony odstęp sygnału zakłócającego do podłogi szumowej odbiornika.
-30dBm – (-132dBm) = 102dB
Obraz odbioru sygnałów w obecności silnego sygnału zakłócającego.
Na koniec zdjęcia z sygnałem testowym na zboczu filtra CW 500Hz i poza filtrem.
Sygnał wchodzący na zbocze filtra, jeszcze mocno odbierany.
Sygnał testowy przesunięty 500Hz dalej.
Sygnał testowy 500Hz poniżej filtra.