Projekt wzmacniacza 20W na pasmo 12cm do pracy przec Es'hail-2

[SP6VGX]

Hmm "Kuźnia pomysłów"... ...to chyba dział w którym można taki temat poruszyć, gdzie chyba nikt nie pogoni za to co tutaj wysmaruję 


To wyżej tak tytułem wstępu z odrobiną ironii, a teraz przejdźmy już do konkretnego wpisu...

ROZDZIAŁ I 

O WSZYSTKIM I O NICZYM

 

 

1.1 Wstęp tym razem trochę na poważniej

Jeśli mówimy o wzmacniaczach na to pasmo to większość osób z tego co widzę głównie bazuje na rozwiązaniach komercyjnych lub jakiś przeróbkach Chińskich wzmacniaczy stosowanych przy WiFi itp. 

Tutaj nie chcę wkładać kija w mrowisko ale muszę pokusić się o pewne moje obserwacje jakie wynikają z przeglądania różnych forów w tym np. AMSAT-DL. O ile komercyjnych rozwiązań nie chcę oceniać to widziałem np. projekty które IMHO nie będą dobrze działać, a widoczne próby zmiany elementów jak i praktyczne doświadczenie tego że elektronika działa na dym (gdy dym uchodzi elektronika przestaje działać) skłoniło mnie to napisania tego tekstu. Jak takie rozwiązania są jeszcze jedynie publikowane to pół biedy, jak ktoś je sprzedaje to już pozostawiam do oceny innym...

Oczywiście nie jest to jedyny powód. W zasadzie o ile nie neguję fabrycznych rozwiązań i sam takie posiadam to chyba dla wielu jest pewna frajdą zbudować coś samemu i mieć z tego pewną satysfakcję, o zdobytej często bezcennej wiedzy już nawet nie wspominając. Kolejny powód to chyba niewielka liczba publikacji na forach gdzie poruszane jest coś więcej na temat budowy wzmacniaczy na wyższe pasma. Tutaj postaram się właśnie przedstawić całą drogę od pomysłu, założeń, poprzez cały proces projektowania takiego układu do finalnej jego realizacji. Reasumując będzie trochę więcej niż tylko opublikowanie schematu, plików do produkcji PCB i listy części. Może komuś się to przyda przy budowie własnych rozwiązań na wyższe pasma...
 
Są jeszcze dwa powody jeden to wykopałem z gratów taką "kupkę" części:

   

Więc warto możne by coś z niej zrobić. 

1.2 PCB i ten nieszczęsny laminat

  

Laminat to powód wielu dyskusji. Sam tutaj pisałem kiedyś że nawet do wyższych częstotliwości spokojnie w amatorskich zastosowaniach możemy stosować FR4 o mniejszej grubości jeśli nie będziemy chcieli tworzyć na PCB komponentów LC jak i innych rozwiązań typu filtry itp. Często też trudno znaleźć parametry takich laminatów i dochodzi jakiś dodatkowy koszt zamówienia próbnej płytki z wykonanymi liniami które możemy przemierzyć itp. Jednak już od pewnego czasu w JLC PCB dostępny jest zarówno laminat Rogers 4350B jak i oferta Chińskich laminatów teflonowych od firmy ZHONGYING - to jest chyba kolejny powód powstania tego projektu, czyli chęć praktycznego sprawdzenia tych laminatów gdyż w zasadzie są one o połowę tańsze niż wspomniany Rogers.

 

Nie zdecydowałem się na FR4 z prostych powodów - tutaj mamy do czynienia z większymi mocami gdzie trudniej będzie zrobić dopasowania nie znając dokładnie parametrów laminatu, więc finalnie może zakończyć się tak że ta potencjalna oszczędność spowoduje że stracimy na to więcej czasu jak i może pieniędzy np. upalone tranzystory. Przynajmniej w teorii układ zaprojektowany na dedykowanym laminacie ma szansę ruszyć po montażu "od strzału" co może oszczędzić nam nerwów i pieniędzy. Natomiast co pokaże praktyka to życie pokarze - będzie wiadomo czy warto wybierać takie laminaty do projektu i jak obliczenia teoretyczne przekładają się na praktykę przy ich wyborze.

 

 

1.3 Wybór konkretnego laminatu

 

Obecnie mamy dostępne cztery laminaty wszystkie dostępne w dwóch grubościach tzn. 1,52mm oraz 0,76mm:

 

• ZYF255DA (Dk=2,55, Df=0,0018)
  
• ZYF265D (Dk=2,65, Df=0,0019) 
  
• ZYF300CA-C (Dk=2,94, Df=0,0016) 
  
• ZYF300CA-P (Dk=3,0, Df=0,0018) 
  

 
Tutaj link do PDF-a z pełnymi danymi: ZYST Material DATA SHEET

 

Laminat ZYF255DA oraz ZYF265D to laminaty teflonowe, natomiast ZYF300CA-C oraz ZYF300CA-P to laminaty teflonowo ceramiczne. Tutaj ze względu na to że czysty teflonowy laminat jest dość miękki i może ulegać pewnym deformacjom np. podczas dokręcania go do radiatora (będzie zgniatany śrubami) postanowiłem się skupić na pozostałych dwóch czyli laminatach teflon i ceramika. Jak mówimy o częstotliwości 2,4GHz w zasadzie różnica tutaj jest pomijalna (niezauważalna) z lekką przewagą ZYF300CA-C jednak finalnie postanowiłem zdecydować się na użycie ZYF300CA-P. Powód w sumie banalny DK = 3.0 więc mamy okrągłą liczbę i jak chcę coś szybko policzyć na kartce to będzie ciut łatwiej  

 

 

1.4 Złocić czy nie złocić - o to jest pytanie...

 

To jest kolejny dylemat. Niestety złoto kosztuje  choć i są jeszcze inne wady o których dalej. Jednak patrząc na wybór jaki mamy oferowany przez JLC PCB. Pozostaje nam w przypadku tych laminatów wykończenie OSP (Organic Solderability Preservative) oraz EING czyli złoto na podłożu niklu.

Jak mówimy o częstotliwości 2,4GHz mamy tutaj do czynienia ze zjawiskiem naskórkowości - uwzględniając to okazuje się że te złoto nie jest takie piękne jak się świeci  Powodem jest sama technologia EING gdzie pod cieniutką warstwą złota mamy PI * Drzwi od 3 do 5 μm niklu. Z tego wychodzi że znaczna część prądów w.cz. będzie właśnie płynąc nam po warstwie niklu, który charakteryzuje się gorszą przewodnością i właściwościami ferromagnetycznymi w porównaniu do czystej miedzi. Zjawisko to skutkuje nieznacznym wzrostem rezystancji szeregowej ścieżek mikrofalowych i generuje dodatkowe straty wtrąceniowe...

 

Tutaj nam wychodzi że może w takim wypadku lepiej wybrać OSP. Po pierwsze taniej po drugie prądy w.cz. będą płynąc po miedzi która jest znacznie lepsza od niklu.

Jednak niestety OSP jest stosunkowo mało trwałe i tutaj zarówno w przypadku płytek które leżą sobie w szufladzie czekając na montaż jak i pracując w urządzeniu gdzie są narażone na czynniki atmosferyczne. Tutaj w przypadku odsłoniętych powierzchni np. filtrów będzie postępować utlenianie (korozja) zwiększająca chropowatości miedzi, co w paśmie mikrofalowym podnosi stratność układu. Finał może być taki że po czasie będzie gorzej niż z tym niklem, a przynajmniej trudno przewidzieć skutki.

Jak widać wybór mamy trochę jak pomiędzy dżumą i cholerą  Jednak ze względu na chęć zapewnienia konkurencyjnych cen JLC PCB zapewne nie wprowadza innych technologii pokrywania złotem lub srebrem - tzn. rozwiązań przewidzianych do zastosować w.cz.

Choć może to za jakiś czas się zmieni - kiedyś nie było dostępnych tych laminatów o grubości innej niż 1,52mm co mocno ograniczało ich użycie. W zasadzie już kiedyś chciałem je przetestować ale właśnie brak cieńszych wersji mnie zniechęcił.

 

 

1.5 Założenia konstrukcyjne wzmacniacza

 

Już na początku pokazałem zdjęcie pewnych części które zamierzam użyć w projekcie i będą to:

• Tranzystor LDMOS firmy Ampleon BLP9G0722-20G
  
• Cyrkulator RFTYT WG2020X-1 (2300 - 2700MHz)
  
• Rezystor bezindukcyjny 50 ohm 
  

 

Tranzystor to wiadomo (DS w załączniku), a cyrkulator wraz z rezystorem ma nam zabezpieczyć wzmacniacz przed uszkodzeniem w razie niedopasowania anteny która może być spowodowana różnymi przyczynami od złego jej wykonania po uszkodzenie przewodu itd. Wszystkie w/w elementy można zdobyć na znanym Chińskim portalu aukcyjnym, a patrząc na ich ceny nie są one straszne. Jak popatrzymy na ceny komercyjnych wzmacniaczy na to pasmo to już nawet nie ma o czym mówić i nawet gdy ich użyjemy raczej nie dobijemy do ceny takiego komercyjnego rozwiązania.

 

Jeśli chodzi o sam cyrkulator:

 

• Tłumienność wtrąceniowa (Insertion Loss): 0,30 dB w kierunku przewodzenia (Port 1 -> Port 2), co gwarantuje minimalne straty mocy użytecznej dostarczanej do anteny (poniżej (7%) traconych w postaci ciepła).
  
•  Izolacja wsteczna (Isolation): 25,5 dB w kierunku zaporowym (Port 2 -> Port 1), co zapewnia ponad kilkusetkrotne stłumienie fali odbitej powracającej w stronę drenu tranzystora.
  
• Dopasowanie portów (WFS / SWR): Wynosi maksymalnie 1,20 (S22), zapewniając stabilną impedancję obciążenia dla poprzedzających stopni wzmacniacza.
  

Sam wzmacniacz jak to wzmacniacz będzie elementem większej całości czyli całego transceivera do pracy przez QO-100 pracującego w dupleksie, jednak tutaj raczej skupię się tylko na jego części. Czy opiszę resztę to zobaczymy wszystko to kwestia czy znajdę na to czas i czy będzie jakieś zainteresowanie tematem.

Wstępne założenia są takie:

[wejście] -> [tłumik 3dB] -> [MMIC pracujący jako driver] -> [tranzystor BLP9G0722-20G] -> [filtr LPF] -> [cyrkulator] -> [wyjście]

MMIC pracujący jako driver nie został jeszcze wybrany ale raczej tutaj będę kierował się w miarę łatwą dostępnością. Oczywiście przy spełnieniu odpowiednich parametrów technicznych.
Sam tłumik na wejściu ma głównie poprawić dopasowanie między układami MMIC (znajdującymi się na innej części transceivera - zapewne z układem mieszacza i filtrów BPF).

Dodatkowo kompensacja temperaturowa układu zasilania bias - tak aby zapewnić pracę wzmacniacza przy założonym prądzie.

Oczywiście na tym etapie zastrzegam że pewne założenia mogą się jeszcze zmienić jak to bywa gdy coś się projektuje....

cdn.

[SP6VGX]

ROZDZIAŁ II

CZYLI ZABAWA W ŚWIECIE IDEALNYM

  
 

2.1 Czy istnieje świat idealny ?

 

Wbrew pozorom to nie pytanie filozoficzne. Nie chcę tutaj poruszać bolączek naszego życia codziennego itd. Jednak świat elektroniki też nie jest idealny i od projektu do wykonania finalnego urządzenia jest najczęściej daleka droga gdzie kłody pod nogi rzucają nam powszechnie obowiązujące prawa fizyki. 

 

Tak samo jest w przypadku wzmacniacza w.cz. - jednak od czegoś musimy zacząć więc pożyjmy chwilę w świecie idealnym. Takim światem idealnym będzie dla nas poznanie wybranego tranzystora czyli  LDMOS-a BLP9G0722-20G. Takim światem będą symulacje czyli może taki nasz Matrix gdzie z pominięciem i bez uwzględniania wielu problemów trochę się pobawimy.

Jak przebrniemy przez ten świat idealny będziemy mieli już jakieś informacje które pomogą nam w dalszych pracach i kolejnych symulacjach które będą obejmować coraz więcej czynników z świata realnego. 

 

 

2.2  A komu to potrzebne ? A dlaczego ?

 

No właśnie a komu to potrzebne ? Część danych mamy oczywiście dostępnych w umieszczonym w poście pierwszym Data Sheet. Mamy tam nawet przykładowe PCB na kilka pasm i sporo danych. Czy nie lepiej skopiować taki projekt np. z pasma 2100MHz które jest dostępne w DS- wpakować na laminat FR4, zmienić kilka kondensatorów coś tam lekko zmienić i będziemy mieli szybo działający układ ?

 

W zasadzie życie pokazuje że chyba tak można i nawet była z mojej strony na początku taka uszczypliwość :p właśnie gdy widziałem konstrukcje które najprawdopodobniej tak powstały i czasem nawet jakoś działają, a przynajmniej działają do jakiegoś czasu co pokazują później różne wpisy na forach lub blogach...
 

Zresztą tutaj nie chcę walczyć z wiatrakami bo wiem że świata nie zmienię, ale myślę że część osób będzie mogła sobie po moich wpisach na to pytanie samemu odpowiedzieć.

 

 

 2.3 Modele nieliniowe

 

W zasadzie wzmacniacz wydaje się czymś prostym. Mamy tranzystor który ma na wejściu oraz wyjściu jakąś impedancję oraz możemy uzyskać jakieś wzmocnienie. 

Tutaj w zasadzie największym problemem wydaje się jak poznać tą impedancje. Problemem jest to że będzie ona się zmieniać wraz z pasmem na które projektujemy taki wzmacniacz.

Czasami możemy dostać do danego tranzystora S-parametry lub jak mamy sprzęt pomiarowy coś tam sobie zmierzyć. Jednak wadą takich S-parametrów jest to że głównie ich pomiary odbywają się przy relatywnie słabych sygnałach więc w przypadku wzmacniaczy mocy pozostawiają wiele pytań.

 

Można oczywiście próbować dopasować tranzystor na drodze eksperymentalnej. Czyli budujemy wzmacniacz z jakimiś tam założeniami i później wszystko stroimy. O ile takie podejście możemy spokojnie stosować na niższych pasmach to im wyżej to staje się to coraz bardziej problematyczne. Właśnie tutaj z pomocą przychodzą udostępniane czasem przez producentów komponentów elektronicznych modele nieliniowe które możemy użyć podczas symulacji w procesie projektowania.

 

Tutaj mamy to szczęście że firma Ampleon udostępnia taki model dla tranzystora BLP9G0722-20G i na nim będziemy bazować. Jeśli chodzi o modele udostępniane przez firmę  Ampleon to podając nazwę tranzystora możemy je wyszukać dla różnego oprogramowania pod tym linkiem:

 

https://www.ampleon.com/support/rf-desig...odels.html

 

Właśnie w dalszej części prac będziemy używać takiego modelu przeznaczonego dla oprogramowania ADS (Advanced Design System). 

 

Tutaj powiem... tak wiem że nie każdy ma dostęp do ADS i jest to łagodnie mówiąc niezbyt tanie oprogramowanie. Jednak istnieje też darmowy QUCS który mocno wzorowany jest na ADS więc przynajmniej część symulacji tutaj opisanych spokojnie można będzie wykonać w QUCS jeśli kogoś na to najdzie ochota. Ot np. aby sobie trochę poeksperymentować...

 

 

2.4 Analiza stałoprądowa (DC) i wyznaczenie punktu pracy tranzystora

 

Budując wzmacniacz mocy do pracy przez QO-100 w emisji SSB chcemy najlepiej aby wzmacniacz pracował w pełni liniowo. To samo jest w przypadku wielu nowoczesnych transmisji cyfrowych gdzie wszelką nieliniowość pracy wzmacniacza możemy obserwować np. na wykresie konstelacji. Dlatego postaramy się aby wzmacniacz pracował optymalnie w klasie AB.

 

Najpierw możemy zerknąć w Data Sheet tranzystora (Table 1. Product profile):

 

   

 

Tutaj patrząc na tą tabelę na początku możemy przyjąć że optymalne warunki pracy stałoprądowej dla klasy AB zostały zdefiniowane przez producenta przy prądzie spoczynkowym drenu Idq = 180mA oraz napięciu zasilania Vds = 28V. W tych warunkach polaryzacji układ charakteryzuje się najlepszym kompromisem pomiędzy zyskiem mocy Gp, a sprawnością drenu ηd.

Mając takie informacje możemy spróbować dobrać punkt pracy tranzystora (Bias Point)...

 
W celu odtworzenia tych warunków przeprowadźmy sobie badanie charakterystyki przejściowej, wyznaczając precyzyjną wartość napięcia polaryzacji bramki Vgs, które pozwala na uzyskanie wymaganego prądu drenu o wartości 180 mA.

 

W tym celu stwórzmy sobie taki układ z modelem naszego tranzystora:

 

   

 

Jak widać ten model nieliniowy tranzystora trochę różni się od fizycznego tranzystora. Posada dwa dodatkowe wejścia tzn. Vgg i Vdd. W fizycznie istniejącym tranzystorze napięcie bias Vgg doprowadzamy przez bramkę, a Vdd przez dren. Wszystko to zależy od modelu jaki udostępnia producent - możemy też spotkać że będzie on wyglądał na ekranie jak klasyczny tranzystor czyli będzie posiadał tylko bramkę, dren i źródło. Takie dodatkowe "wyprowadzenia" mogą trochę wprowadzić w zakłopotanie zwłaszcza w późniejszym etapie gdzie będziemy chcieli sobie przetestować nasz tranzystor np. już zaprojektowanym dopasowaniem i doprowadzeniem bias-u do tranzystora. Jednak na chwile obecną możemy to pominąć o tym będzie trochę w przyszłości...

 

Wracając do samego schematu myślę że jest on zrozumiały. Mamy podłączone dwa źródła DC (SRC1 i SRC2) jedno podaje napięcie bias bramki czyli Vgs, a drugie napięcie dla drenu tranzystora czyli Vdc. Jak widać Vdc ustalone jest na sztywno na 28 V, natomiast napięcie Vgs będzie się zmieniało od 0 V do 10 V z krokiem 0,01 V co zdefiniowane jest w bloku PARAMETER SWEEP. Dodatkowo mamy jeszcze wpięty w układ "amperomierz" (I_Probe) gdzie realizujemy pomiar prądu drenu Idq. 

 

Po uruchomieniu symulacji możemy tworzyć sobie dowolne wykresy na których przedstawione będą wyniki. Niżej zamieszczam wykres z tej symulacji :

  

     

 

Jak widać w osi X wykresu mamy napięcie bias bramki Vgs, natomiast w osi Y prąd drenu opisany jaki Idq.i. Na wykresie został umieszczony też marker który pozwolił nam wyznaczyć napięcie dla założonego prądu 180mA. Choć tutaj ze względu na ilość punktów symulacji jest to wybrana najbliższa wartość czyli 185mAi jest ona przy napięciu bias bramki na poziomie 2,19V. 

 

W tym momencie już wiemy jakie napięcie bias (napięcie polaryzacji bramki) podać na bramkę tranzystora aby pracował on w optymalnych warunkach w klasie AB i wynosi ono wspomniane 2,19V.

 

 

2.5 Analiza małosgnałowa i ocena stabilności

 

Kolejnym etapem będzie przeprowadzenie analizy małosygnałowej czyli wyznaczenie charakterystyki wzmocnienia transmisyjnego S21 oraz współczynnika stabilności Rolletta (K) w paśmie od 100 MHz do 2,7 GHz.

Do symulacji posłuży nam następujący schemat:

 

   

 

Jak widać mamy tutaj już ustalone napięcie bias bramki na poziomie 2,19 V zapewniające nam prąd drenu 185mA. Oraz wpięte w bramkę i dren tranzystora obciążenia 50 ohm. Źródło tranzystora natomiast podłączone jest do masy. 

Blok S-PARAMETERS definiuje nam zakres "przemiatania" czyli w jakim zakresie będziemy testować nasz tranzystor i tutaj wyznaczone jest od 0,1 GHz do 2,7 GHz z krokiem 0,01 GHz.

 

Po uruchomieniu symulacji otrzymaliśmy następujące wyniki:

 

   

 

Tutaj pozostaje wyjaśnić tylko jedną kwestię. O ile parametru S21 chyba nie potrzeba tłumaczyć  to Rolletta (K) wyliczany jest według formuły K = stab_fact(S) i tak jest opisany na wykresie.

Wzmocnienie małosygnałowe gołej struktury półprzewodnikowej bez zewnętrznych obwodów dopasowania w paśmie pracy satelity QO-100 wynosi 4,76 dB (marker m1). Tak niska wartość wynika z naturalnego niedopasowania impedancji wejściowej i wyjściowej tranzystora LDMOS do systemowej impedancji 50ohm (takie obciążenie zastosowaliśmy w naszym schemacie przeznaczonym do symulacji). 
 
Charakterystyka S21 wykazuje silne nachylenie w kierunku niższych częstotliwości, osiągając wartość ponad 25 dB przy 100 MHz, co jest zjawiskiem typowym dla struktur LDMOS i stanowi potencjalne źródło wzbudzeń szerokopasmowych. 
 
Natomiast współczynnika Rolletta (K) wykazuje, że w docelowym paśmie pracy układ charakteryzuje się stabilnością warunkową. Wartość parametru K na częstotliwości 2,400 GHz wynosi 1,005 (marker m3), natomiast przy 2,410 GHz spada poniżej krytycznej granicy bezpieczeństwa do poziomu 0,986 (marker m4).

Mówiąc trochę prościej praca wzmacniacza w obszarze K < 1 dopuszcza możliwość powstania generacji pasożytniczych pod wpływem zmian impedancji obciążenia (np. niedopasowania anteny). W takim wypadku nasz wzmacniacz może zacząć zachowywać się jak generator, a z samego tranzystora LDMOS poleci nam magiczny dym
 
Teraz czy coś z tym możemy zrobić zobaczymy w następnej części...
 
cdn.