Amplificator cascoda cu tranzistor SiGe si bipolar cu Si

[VAX]

De multa vreme sunt disponibile tranzistoare SiGe, care amplifica cu zgomot mic (Fmin=0,6dB) la frecvente de ordinul gigahertzilor. Spre deosebire de tranzistoarele obisnuite (Si), cele cu siliciu-germaniu au baza din Ge dopat puternic (rezistivitate scazuta) si au eficienta emitorului mult mai mare decat tranzistoarele cu Si. Functioneaza cu factor de zgomot redus si au frecventa de tranzitie (Ft) de ordinul zecilor de GHz.

Pretul acestor tranzistoare este mai mult decat decent (intre 2 si 5 lei).

http://www.tme.eu/ro/details/bfp420/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/bfp420h6327/

http://www.tme.eu/ro/details/bfp450h6327/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/

http://www.tme.eu/ro/details/bfp520/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/bfp520h6327/

http://www.tme.eu/ro/details/bfp540/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/bfp540h6327/

http://www.tme.eu/ro/details/bfp760h6327/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/

====================================

http://www.tme.eu/ro/details/bfp196wh6327/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/

http://www.tme.eu/ro/details/bfp193wh6327/tranzistori-smd-npn/infineon-technologies/

Sunt putin cunoscute si utilizate de radioamatori. pentru ca firma producatoare (Infineon) a pus la dispozitie doar scheme de amplificatoare la frecvente de peste 1GHz, desi tranzistoarele respective ar fi foarte bune si la frecvente mai joase (chiar si in US).

Din acest motiv va prezint o schema de amplificator cascoda realizat cu tranzistor SiGe si un bipolar cu Ft ridicat.

Specific tranzistoarelor cu SiGe este tensiunea de strapungere colector-emitor foarte mica, cuprinsa intre 2 si 5 volti (in general). Trebuie sa se tina seama de acest aspect si sa nu se aduca tranzistorul in zona de strapungere, pentru ca se arde imediat. O alta caracteristica a lor este amplificarea in curent mai mare decat la tranzistoarele cu Si (au beta mare).

Schema conceputa de mine asigura polarizarea corecta a tranzistorului SiGe.

Dupa cum se observa pe schema, tensiunea in baza tranzistorului de la "etaj" (un BFR) este limitata la aproximativ 4-5V cu doua diode LED inseriate, care datorita caracteristicii curent-tensine neliniare, la polarizarea in sens direct, se comporta (aproximativ) ca diodele Zener. Tensiunea care cade pe o dioda LED parcursa de un curent de ordinul mA este cuprinsa intre 1,8V si 3,5V, in functie de largimea benzii interzise a semiconductorului utilizat. Tensiunea este mai mare (2,1V) la diodele cu GaAsP (lumina verde sau galbena) si poate sa ajunga la 3,5V la cele care emit lumina alba, albastra, sau UV.

In concluzie, cele doua diode LED se aleg in functie de tipul tranzistorului SiGe folosit. Trebuie ca tensiunea aplicata tranzistorului cu SiGe sa fie cu 0,5-0,7 volti mai mica decat valoarea maxima indicata in catalog. Tensiunea de pe tranzistor este egala cu suma tensiunilor de pe cele doua diode LED, minus ce cade pe jonctiunea baza-emitor a tranzistorului de la "etaj" (0,65-0,7V).

Primul exemplu este de amplificator aperiodic. La intrare, curentul de polarizare in baza lui Q1 se aplica prin drosel RF (L1), care la frecventa de lucru prezinta reactanta suficient de mare (nu atenueaza semnalul). In acelasi timp L1 si C3 blocheaza patrunderea zgomotului din circuitul de polarizare in baza lui Q1.

La iesire, in colectorul lui Q2, se afla R4 suntat in curent continuu de droselul RF notat cu L2. Trebuie ca reactanta lui L2 la frecventa minima de lucru sa fie de cel putin 5 ori mai mare decat rezistenta R4, ca sa nu se reduca mult amplificarea. Mai trebuie ca frecventa de rezonanta paralel a bobinei L2, cu capacitatea proprie, sa fie peste frecventa maxima de lucru. Condensatoarele de decuplare trebuie sa fie neinductive (ceramice multistrat - chip), cu capacitatea cat mai mare, dar de dimensiuni mici. In paralel cu C4 este bine sa se puna si un condensator electrolitic (tantal solid) cu capacitatea de minim 100 uF, care sa asigure o decuplare eficienta in joasa frecventa. Asta in cazul in care se doreste un zgomot de faza cat mai mic.

Valoarea lui R1 se stabileste experimental, in functie de amplificarea (beta) tranzistorului SiGe si de valoarea curentului de colector dorita. Curentul de colector poate sa varieze de la 0,5mA (pentru zgomot minim), la 7-10 mA (in functie de tranzistorul SiGe utilizat), pentru rezistenta mai mare la intermodulatii. Semnalul amplificat se culege din colectorul lui Q2, printr-un condensator pe care nu l-am mai pus pe schema. Schema a fost realizata cu Circuit Maker 6. Pentru simulare (joaca) atasez fisierul creat cu CM6. Modelul pentru tranzistoare folosit la simulare este de la MRF947. Simularea cu CM6 este utila la stabilirea elementelor din circuitul de polarizare, dar raspunsul in frecventa nu este cel real, pentru ca CM6 nu are in libraria de componente tranzistoare SiGe sau BFR-uri.

Cascoda_SiGe.zip

La varianta a 2-a circuitul de la intrare este acordat (LC paralel cuplat inductiv la baza tranzistorului SiGe), iar la iesire circuitul este aperiodic, la fel ca la montajul anterior.

Cascoda_SiGe_acordat.zip

La varianta a 3-a sunt circuite acordate atat la intrarea, cat si la iesirea amplificatorului (cascoda clasica).

Cascoda_SiGe_acordat_2.zip

Factorul de zgomot minim se obtine cu tranzistorul SiGe in montaj cu emitorul comun si neutrodinat. Cascoda are intotdeauna zgomotul ceva mai mare.

Este greu de construit un amplificator cu SiGe in varianta cu emitor comun si sarcina acordata in colector (chiar si cu neutrodinare), deoarece apar oscilatii parazite pe frecvente foarte mari (GHz), din cauza inductantelor parazite din circuit. Daca se merge pe varianta cu cascoda si daca legatura dintre colectorul lui Q1 si emitorul lui Q2 este scurta (1-2mm), respectiv baza lui Q2 este decuplata cu condensator neinductiv, cu terminale scurte (de preferat chip), atunci pericolul oscilatiilor pe frecvente mari este redus.

Un astfel de amplificator poate fi util la receptoarele de US, cu antena pe bara de ferita (directiva dar cu eficienta scazuta). Castigul scazut al antemei magnetice este compensat prin amplificarea mare si cu zgomot mic.

Se poate combina antena pe ferita cu una de tip baston, ca la receptoarele de vanatoare de vulpi. In acest mod se obtine directivitate marita si se reduc perturbatiile.

Un amplificator de acest tip se poate folosi si in benzile de UUS. Are zgomotul mai mic decat amplificatoarele obisnuite (pe siliciu), dar mai mare decat la cele cu tranzistoare cu GaAs. Este stabil in functionare, din cauza cuplajului mic dintre intrare si iesire. Eventuale oscilatii pot sa apara din cauza realizarii incorecte, fara ecranare intre circuitele de la intrarea si iesirea amplificatorului.

[puriu]

Tranzistoarele cu amplificare mare la frecvente foarte mari oscileaza usor cu inductantele cablajului si capacitatile interne ale tranzistorului. De aceea se recomanda introducerea unor rezistente serie mici (Q-killer), preferabil SMD, cat mai aproape de bornele de intrare si de iesire a semnalului.

P.S. Ma refeream la bornele tranzistorului.

[+_Florin_+]

Q-killerul functioneaza mai eficient daca se coboara artificial frecventa de rezonanta "parazita", prin montarea unor mici bobine in paralel cu acele rezistente. Tratamentul se aplica de regula etajelor finale de emisie cu tuburi.

N-am experimentat, deci nu stiu daca e necesar in cazul discutat mai sus (preamplificator rf). Dar vorba ardeleanului, "daca-i musai, cu placere"

Editat August 30, 2017 de +_Florin_+

[gsabac]

.MODEL BFP420 NPN(
+ IS = 17.7E-18 RB = 9.47 CJC = 380E-15
+ BF = 117 IRB = 0.5E-3 VJC = 1.0
+ NF = 0.98 RBM = 5.47 MJC = 0.5
+ VAF = 45 RE = 0.948 XCJC = 0.18
+ IKF = 0.15 RC = 4.4 TR = 5.0E-9
+ ISE = 4.5E-12 CJE = 130E-15 CJS = 0
+ NE = 2.31 VJE = 1.0 VJS = 0.8
+ BR = 1.0 MJE = 0.5 MJS = 0.33
+ NR = 1.0 TF = 9.6E-12 XTB = 0
+ VAR = 1000 XTF = 0.457 EG = 1.16
+ IKR = 1000 VTF = 0.413 XTI = 3.0
+ ISC = 0 ITF = 41E-3 FC = 0.78
+ NC = 2.0 PTF = 0 )
* V1.2
*$

Pentru parametrii S, sunt date de la 10MHz la 10Ghz despre amplificare si deasemenea pentru

factorul de zgomot si generatorul optim de zgomot minim.

 

@gsabac

Editat August 31, 2017 de gsabac

[overdrive]

Oare in audio .......? La RB = 9.47....

Editat August 31, 2017 de overdrive

[VAX]

In audio sunt preferate JFET-urile cu transconductanta mare (peste 20mS), daca sursa de semnal are impedanta mare (de la zeci de kohmi in sus), iar la impedante mici merg tranzistoarele cu siliciu.

Nu stiu cum se comporta tranzistoarele cu SiGe la frecventa joasa (audio). In RF (unde scurte) merg cu zgomot mic, dar nu se pot utiliza in schemele clasice pentru ca autooscileaza in domeniul de GHz. De asta am propus acest artificiu, cu cascoda. Am observat ca si tranzistoarele obisnuite, cu frecventa de tranzitie mare (Ft>2GHz), oscileaza usor daca firele de legatura au peste 3-4 mm lungime. Am patit treaba asta cu un lot de BFR91 in capsula TO92 si cu tranzistoare rusesti pe Ge, cum ar fi GT341.

Editat August 31, 2017 de VAX

[gsabac]

Dupa ce v-am postat modelul spice pentru BFP420, este posibil sa ne aratati o simulare cu

performantele in frecventa a unei scheme oarecare din postarea #1.

 

@gsabac

[VAX]

Va rog sa simulati dvs cu programe mai bune decat Circuit Maker. Am vazut ca stiti sa lucrati cu ele.

CM6, cu care lucrez eu, este de nivel didactic si aproximeaza la greu (elimina din zecimale) la calcule. Uneori da erori grosolane. Merge binisor la schemele clasice, dar in cazul unor valori extreme ale parametrilor unor componente o ia pe campii. Are si alte hibe, dar pe ansamblu este util, mai ales ca a fost oferit moca.

Si ce sa simulez, ca valorile in cc (punctul static de functionare) sunt deja stabilite, nu se modifica mult la trecerea de la SiGe la Si ? Nici nu sunt de mare incredere aceste simulari, tot proba practica este decisiva. In rest, tranzistorul SiGe are aceeasi transconductanta ca un tranzistor obisnuit, la curent de colector dat, iar in domeniul undelor scurte amplifica la fel. Doar zgomotul de fond este mai mic, sub 1 dB. La cascoda de banda larga (amplificatorul aperiodic) este de asteptat ca amplificarea sa ramana la valoare utila pana la peste 700 MHz. Banda de frecventa este limitata de capacitatea de la iesirea BFR-ului, care este de ordinul 1pF.

Cine are chef sa construiasta un amplificator de tipul descris anterior, sa o faca cu incredere. La realizarea cu SMD-uri, cu cablajul bine proiectat, tranzistorul SiGe nu are cum sa autooscileze.

Eu la utilizarea la frecvente din benzile inferioare de radioamatori m-am gandit cand am proiectat schema asta. Cum am mai spus, pentru captarea semnalului cu antene pe bara de ferita. Am avut un radiorecepror Ukraina 201 cumparat in anul 1973 de la Moscova, care pentru receptie in US folosea antena pe bara de ferita. Avea si antena telescopica. Am vazut ca antenele pe ferita sunt destul de bune la receptie in benzile de 3,5MHz si 7MHz, unde perturbatiile sunt puternice.

[hpavictor]

Și radioreceptorul polonez Monika recepționează undele scurte ( partea inferioara a benzii SWL ) cu antena de ferita !

[VAX]

In benzile de unde scurte merg exceptional tranzistoarele BF862 (JFET cu transconductanta mare si zgomot redus), in conexiune cu sursa la masa si neutrodinare, cu circuite acordate (LC) la intrare si iesire, cu condensator variabil dublu. Cred ca ar merge si 2SK170, care este utilizat in amplificatoarele de JF cu zgomot mic. Are capacitati interne mai mari (mult) decat BF862, dar zgomotul il are la fel de mic.

Am propus varianta cu tranzistor SiGe in montaj cascoda din trei motive:

1. Sa sparg gheata si sa arat ca este posibila utilizarea lor in domeniul undelor scurte;

2. In montaj cascoda functioneaza stabil.

3. Au zgomot mic si amplificare mare.

Dezavantajul este un nivel mai mare al distorsiunilor de intermodulatie (in comparatie cu JFET-urile), dar numai la curent de colector mic (0,5mA - pentru factor de zgomot minim in US - 0,6 dB). La Ic>10 mA au intermodulatii destul de mici si factorul de zgomot nu depaseste cu mult 1 dB.

[gsabac]

Un LNA 15MHz la 2500MHz este aici si este produs pentru vinzare.

http://lna4all.blogspot.ro/2013/04/lna-for-all-low-noise-amplifier-for.html

Circuitul real cu fake ?

Montarea componentelor cu fake ?

Am postat pentru o initiere in tehnologia folosita la amplificatoarele cu BFP420,

iar pentru simulare trebuiesc adaugate linii de transmisiune in baza, colector, intrare si iesire.

 

@gsabac

 

 

[VAX]

Liniile de transmisie sunt necesare daca se doreste banda larga (2,5GHz) si tranzistorul SiGe lucreaza in schema clasica, cu emitorul la masa. Amplificatorul cascoda prezentat de mine, cu circuite LC la intrare si iesire (domeniul US), merge corect cu legaturi directe cat mai scurte, neinductive. Colectorul Tranzistorului SiGe are ca sarcina o rezistenta echivalenta de cativa ohmi, data de intrarea in emitorul lui Q2 (de la "etaj"). Asa este, se apeleaza la liniii de transmisie cand se lucreaza in UIF. Sarcina rezistiva este suntata de capacitatile parazite (colector-emitor, plus cele din cablaj) si la frecventa mare rezulta o impedanta prea mica pentru a avea amplificare suficienta.

 

La schema prezentata de mine sunt doua lucruri bune:

1. Tensiunea aplicata tranzistorului SiGe este constanta si limitata la valoare nepericuloasa pentru tranzistor,

2. Tranzistorul SiGe nu are cum sa autooscileze pe frecventa mare (fiind predispus din cauza Ft > 20GHz), pentru sa are colectorul "scurtcircuitat" in RF de emitorul lui Q2.

 

Se poate construi chiar si amplificator clasic, cu emitorul la masa si neutrodinat, daca condensatorul de acord de la circuitul LC din colector este de tip chip si legat direct intre colectorul si emitorul tranzistorului SiGe. In acest fel este eliminata posibilitatea sa apara oscilatii pe frecventa de ordinul GHz.

[kablu]

@VAX: multumesc ca mi-ai readus aminte de schema cascod.

Cateva intrebari. Schemele propuse de tine au scop didactic sau practic? Daca au scop practic, pentru ce benzi de scurte recomanzi schemele propuse de tine?

Poti sa estimezi un IP3 pentru ele ? Si aici ma refer la o valoare de genul +1-- +3dBm

Ai ascultat/asculti benzile de radioamatori de unde scurte (nu te intreb daca esti radioamator sau nu)?

La cati db estimezi zgomotul natural al benzilor alocate radioamatorilor in unde scurte (sper ca m-am exprimat bine si se intelege intrebarea, care necesita un raspuns destul de complicat, dupa parerea mea,)?

Sanatate!

.

[gsabac]

Un amplificator LNA gata facut costa citiva euro si se obtin foarte usor, dar si ceva postari practice sunt utile.

Acesti tranzistori oscileaza atit prin impedantele finite de conectare la masa a emitorilor, cit si prin impedantele

echivalente de intrare vazute dinspre baza spre generator. Deasemenea un potential ridicat de oscilatie in cazul

amplificatorului cascoda este datorat rezistentei intrinseci de emitor si inductantei intrinseci a capsule tranzistorului BFR90.

Decuplarea bazei acestuia, deasemenea introduce elemente reactive care pot favoriza instabilitati.

Altfel spus cu anumite impedante de sarcina poate fi aproape stabil si cu altele autooscileaza.

BFR92- impedante parazite ale capsulei, la BFR90 sunt mai mari:

LCL 100 199 2.8E-10.....0,28nH
LBL 200 201 3.2E-10.....0,32nH
LBB 201 299 8.4E-10.....0,84nH
LEL 300 301 3.2E-10......0,32pF
LEB 301 399 8.4E-10......0,84pF
CCB 201 199 6E-14........0.06pF
CCE 199 301 2.4E-13.....0,24pF
CBE 201 301 1.2E-13F...0,12pF

Tranzistorul BFP420 are CJC = 0,05pF capacitate interna in catalogul Siemens,

si o amplificare stabila neconditionat de 26dB-32dB in VHF si UHF.

La aceste amplificari stabile, neutrodinarea nu are sens practic si nu se foloseste, deoarece ar introduce instabilitate,

mai utila este o reactie negativa sau introducerea de rezistente serie cu baza pentru domolirea potentialului de instabilitate.

Un model de schema simpla, pretabil pentru simularea unui amplificator de banda larga:

Se remarca substratul de 1mm cu Er=4,8, acoperit cu cupru de 10u si capac metalic situat la 5mm.

O realizare de circuit imprimat deosebit de facila este in poza:

Si o realizare practica realizata de un amator priceput:

Pentru simulare se poate folosi LTspice sau un program specializat, desigur daca merge,

se poate trece si la amplificatorul tip cascoda.

 

@gsabac

 

 

Editat Septembrie 2, 2017 de gsabac

[VAX]

@kablu

 

Schemele au scop didactic si experimental, dar in egala masura si practic. Intermodulatiile sunt ca la orice amplificator cu tranzistor bipolar (caracteristica de transfer exponentiala). La curenti mari de colector (zeci de mA) se reduc considerabil, dar creste factorul de zgomot.

Zgomotul in benzile inferioare este foarte mare (este bun si un factor de zgomot de 8-9 dB la receptoare), dar schema propusa este pentru amplificarea semnalului de la antene directive cu bara de ferita, cu eficienta redusa, de asta este necesara amplificare mare si cu zgomot cat mai mic. La tranzistoarele cu SiGe (emitor comun, neutrodinat) factorul minim de zgomot la frecventa sub 100MHz este de ordinul 0,5dB (la Ic=0,5mA). In mod evident cascoda are zgomotul mai mare.

Schemele propuse sunt bune si la benzile inferioare (cu antena pe ferita), dar si in benzile superioare (10m sau mai sus). Neutrodinarea este necesara, chiar daca capacitatea de reactie interna a tranzistorului este mica. In primul rand producatorul tranzistorului SiGe nu a avut in vedere utilizarea la frecventa scazuta, cu circuite de sarcina acordate (cu elemente cu constante concentrate - LC) si cu impedanta mare la rezonanta. In al doilea rand, neutrodinarea este necesara pentru reducerea factorului de zgomot la valoarea minima posibila.

Introducerea de rezistente in serie cu baza mareste factorul de zgomot. De asta s-a realizat baza tranzistoarelor SiGe din Ge dopat puternic, pentru reducerea rezistentei intrinseci a bazei si implicit scaderea factorului de zgomot si cresterea Ft.