Projekt:Gainblock Schaffen1105

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Gainblock Schaffen1105

Status: stable

Gainblock-1.jpg
Beschreibung VHF/UHF Verstärker
Ansprechpartner Hendi


Übersicht

Idee

Unser Verein erhielt zur Einweihungsfeier ein paar Kisten mit SMD-Bauteilen. Beim stöbern fielen mir aufgrund ihres auffälligen Äußeren (zylindrisch, rund, 4 Beinchen in 90° Abstand) monolithische Mikrowellen-ICs (MMICs) vom Typ Hewlett-Packard MSA-1105 auf. Mit denen wollte etwas gemacht werden, denn als Funkamateur hat man nie genug VHF/UHF Verstärker. Der Blick zuhause ins Datenblatt suggerierte das ein nettes Projekt draus werden könnte.


Anwendungen

Im Prinzip überall, wo man - mit diesem MMIC - ungefähr 12 dB Verstärkung im Frequenzbereich 40-1000 MHz (mit Abstrichen auch bis 1300 MHz) haben will.


Antennen-Vorverstärker

Man kann so etwas als Antennen-Vorverstärker für Empfänger benutzen. Dabei werden sie möglichst unmittelbar hinter der Antenne angeschlossen und erhöhen die Empfangspegel, wodurch Verluste im Kabel zum Empfänger ausgeglichen werden können. Vermutlich passen sie von den Eigenschaften hervorragend zur Kombination "billiges Koaxkabel und RTLSDR-Stick.

Empfänger-Eingangsverstärker

Eingeschränkt kann man sie auch als "Empfindlicher-macher" für schlechte Empfänger verwenden.

Ausgleich von Einfügedämpfung

Werden Vorfilter benutzt um starke Rundfunk/Mobiltelefonsignale zu unterdrücken kann mit einem Verstärker dessen Einfügedämpfung ausgeglichen werden.


Beteiligte Personen

  • HendrikRindphi.jpg (Ansprechpartner)
  • plus wer mitmachen möchte

Realisierung

Mehr als ein Jahr nach dem Fund in der Grabbelkiste bot sich durch Zufall eine Gelegenheit: Die Leiterplatte eines Versuchsaufbau auf der Arbeit war nicht voll, eine rechteckige Fläche war übrig! Nach Rücksprache mit meinem Chef bekam ich dieses Grundstück geschenkt. In der Mittagspause erfolgte Highspeed-Schaltungsdesign: Nicht die Schaltung ist für Highspeed ausgelegt, sondern die Erfassung im Layoutprogramm EAGLE erfolgte innerhalb von weniger als 20 Minuten. Eine kurze Internetrecherche zeigte das Broadcom, die den Geschäftsbereich von HP übernahmen, die Produktion dieser Verstärker-ICs 2013 einstellten. Allerdings haben wir eine ausreichende Menge für unseren Bedarf.


Bauteilauswahl

Der MMIC wird über eine Drossel und einen Widerstand in Serie, die an den Ausgang angeschlossen werden, mit Strom versorgt. Zur DC-Entkopplung des Ein- und Ausgangs sind Koppelkondensatoren erforderlich. Platz für einen LP2950 5V Spannungsregler war vorgsehen, aber 5V ist schon etwas mager und so wird die Regelung nicht bestückt, ebenso nicht die vorgesehene Idiotendiode bisher auch nicht.


Schaltplan

Der Schaltplan entspricht weitgehend dem Muster im Datenblatt. Der Serienwiderstand hat einen Wert von 200 Ohm und die Wuerth Chipinduktivität hat einen Wert von 470 nH und eine Serienresonanzfrequenz von 375 MHz.


Layout

Die HF-Leitungen wurden als Microstripline ausgeführt, um Impedanzänderungen auf der Leiterplatte zu vermeiden. Durch diese Technik, bei der die Leiterbahnbreite auf die Substratstärke über einer Massefläche angepasst wird, wird die u.a. die Leistungsanpassung beibehalten und Reflexionen an Impedanzsprüngen verhindert, was z.B. zu Frequenzabhängigen Verstärkungsabfällen führen würde. Am Ausgangspin wird zunächst eine dünne Leiterbahn als Mänder weggeführt um ein paar pH Induktivität darzustellen, wonach die Serienschaltung aus L und R folgt. Am versorgungsseitigen Ende werden externe 14V eingespeist und mit einem 100nF Widerstand abgeblockt. Die Koppelwiderstände zu Ein- und Ausgang wurden zufällig von einem Häufchen mit 1, 10 und 100 nF Werten gegriffen, Hauptsache es blockt den Block ab. :-/ Die linienförmigen Bohrungen sind durchkontaktierte vias, um die obere und die untere Masseseite HF-mäßig "robust" miteinander zu verbinden.

Clipboard01.png Gainblock-1.jpg Gainblock-2.jpg


Das Design wurde in die freie Ecke unseres Firmennutzen integriert und von Fa. Fischer Leiterplatten gefertigt.

Aufbau

Gelötet wurde mit Brille, bleihaltigem Lötzinn und an ESD-geschütztem Arbeitsplatz.


Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme erfolgte in 2 Stufen:

Erstmal ganz vorsichtig DC anlegen

Ein- und Ausgang wurden mit 50 Ohm Abschlüssen terminiert und Betriebsspannung angelegt. Die wurde von 0 an erhöht bis ca. 42 mA Strom flossen, etwa 50% des Maximalwertes. Weder das IC noch der Abschlußwiderstand erwärmten sich nennenswert. Der Serienwiderstand jedoch wird gut warm für so ein kleines Bauteil. Gute Chancen das er Spezifikationsgemäß arbeitet.

Schwingneigung?

Der Ausgang wurde - bei immernoch abgeschlossenen Eingang - über mehrere Dämpfungsglieder mit meinem Spektrumanalysator verbunden. Dort gab es keine stationären oder umherhüpfenden Spektrallinien, und mit 1.5 GHz ist der Frequenzbereich auch höher als der Nennfrequenzbereich des MMIC. Schwingneigung, die durch übermäßige Verkopplung von Eingang zu Ausgang entstehen könnte, schien nicht vorhanden zu sein. Die ist nämlich ein Spielverderber, es verfälscht die Nutzsignale, kann Empfängereingänge überlasten und den Stromverbrauch nebst Erwärmung hochtreiben. Auch ein entfernen des Eingangsabschluß und "herumfingern" auf dem Board schien nichts zu "triggregern". Stabil!


Messergebnisse

Anpassungsmessung

[tbd] Die Anpassungsmessung zeigt, wie "gut" die Leistungsanpassung mit 50 Ohm Quellen und Verbrauchern funktioniert. Bei Abweichungen vom Idealwert wird ein Teil der Leistung reflektiert und geht damit in der Quelle, die dadurch wärmer wird, verloren. Auch wenn das System den Idealwert 50 Ohm nicht trifft, sollten zumindest alle Teile einer Verbindung (Quelle, Leitungen, Verbraucher) zumindest gleich sein. Das MMIC ist für 50 Ohm und 75 Ohm Systeme verwendbar, wird also voraussichtlich eine etwas höhere Eingangs- und Ausgangsimpedanz darstellen.


Verstärkungsmessung

Der Spektrumanalysator verfügt über einen Sender, der immer genau auf der Frequenz sendet wo der SA gerade empfängt (Wobbelprinzip.) Daher war es möglich eine Messung zu machen die das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal vergleicht. Dazu wurde zunächst die rosa Kurve aufgenommen bei der das Ansteuersignal vorm Sendereingang -20 dBm beträgt und sich um den unteren Bildschirmrand schlängelt. Bei dieser Messung wurden die Kabel mittels eines doppelseitigen BNC-Mädchen verbunden, ohne den Verstärker. Nach Entfernen des BNC-BNC Verbinders wurde mithilfe von BNC-SMA Adaptern der Verstärker zwischengeschaltet und die gelbe Kurve aufgenommen. Die X-Achse stellt die Frrrrequenz (9 kHz bis 1.5 GHz) dar, die Y-Achse den Empfangspegel in dBm. Der Abstand zwischen den beiden Kurven, genauergesagt die Höhe der gelben Kurve über der rosanen, entspricht der Verstärkung. Die kleineren Wellen entstehen durch Fehlanpasungen irgendwo . wahrscheinlich hauptsächlich an den Übergängen der Kabel auf die Adapter - er Frequenzunterschied zwischen zwei Peaks erlaubt auch die Abstandsbestimmung der Störstellen die ihn verursachen...

Versuchsaufbau Schaffen1105.jpg Gainblock.png

Verbesserungsvorschläge Allgemein

Teilweise schon vor dem Versand der Fertigungsdaten waren ein paar der folgenden Schwächen klar:

  • RBIAS auf zwei Einzelwiderstände verteilen wegen Verlustleistung (derzeit ca. 350 mW), ersten Widerstand möglichst direkt an Microstripline.
  • Das Layout entstand schnell, der Footprint des Verstärkers entspricht nicht der Empfehlung sondern wurde durch Solderpads nachgebildet. Korrektes Bauteil mit Symbol und Footprint in EAGLE erstellen.
  • Die Durchführung der breiten Microstripline zwischen den eng beieinanderstehenden Massepins der SMA-Stecker ist zumindest zweifelhaft. Durchführung zwischen SMA-Buchsen verbessern, ggf Durchkontaktierung ausbohren und Buchsen-Beinchen abschnipseln. Alternatv: Dünnere Leiterplatte erlaubt schmalere Microstripline, die besser zwischen den SMA-Massefüchen durchpasst. Leider teurer. Wirds eher nicht.
  • Nächste Revision mit gescheiter Spannungsregelung und Idiotendiode, Strom erhöhen.
  • Statt zweier Kondensatoren nebeneinander, wodurch die Microstripline sehr breit wird, in Zukunft nur Pads für einen C und dann mehrere Stapeln. Dadurch bleibt die Geometrie der Transmission line besser erhalten. Für den Versuch mal mit einem Messer die "Vorsprünge" wegschneiden und Abblockkondensatoren mittig bestücken.


Finanzierung

Dieser Verstärker ist vorerst ein 1-Euro-Projekt. Die MMICs bekamen wir gespendet, die SMA-Buchsen waren aus eigenem Bestand und die restlichen Bauteile für 1 Euro in die Kaffekasse meines Arbeitgebers. Die 4 Boards wurden als "Nutzenfüller" mitproduziert.


Benötigte Teile

  • Leiterplatte
  • MSA-1105
  • Bias-Widerstand z.B. 200 Ohm Größe 0805
  • Abblockkondensator Betriebsspannung 100nF Größe 0805
  • Speisedrossel Größe 0805
  • Abblockkondensatoren Eingang
  • Abblockkondensatoren Ausgang

Projekttagebuch

Date Name Was
21. Juli Hendi Schaltplan und Layout erstellt
24. Juli Hendi Mitbestellung als Nutzenfüller at wörk
2. August Hendi Erste Inbetriebnahme zuhause
10. August Hendi Verbesserte Messungen mit besseren Messkabeln, Wikieintrag
1. September Hendi Inbetriebnahme einer 2m-Behelfsantenne mit diesem Verstärker beim OpenWebRX

Referenzen

Wikipedia-Eintrag zu MMIC Datenblatt MSA-1105

EAGLE Projektdateien: Kommen noch!