Eingangsimpedanz von ZF-Verstärker

Hallo Winfried,

Wir brauchen ihn nicht ueber 50MHz oder so, aber was ist denn dann nicht mehr im Vorteil?

Bei uns verhalten sich die Dinger aber absolut gutmuetig. Sind nur zwei Widerstaende in der Gegenkopplung.

Klar, das war nie ein Problem. Besonders bei Euch nicht, wo es die heissen SiGe Transistoren gleich aus Bayern gibt. Die vermisse ich hier manchmal so wie gutes griechisches Essen.

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Gruesse, Joerg

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Hallo Winfried,

So, gestaerkt von Angelfood Cake und Krokanteis (hat meine Frau alles selbst gemacht) habe ich mal gestoebert und ein Beispiel gefunden:

Solche Sachen werden auch gut in "Communications Receivers" von Ulrich Rohde beschrieben. Fuer den HF-Spezi ein Standardwerk, lohnt sich.

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Gruesse, Joerg

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Ein gewisser Herr Norton von der Firma Anzac hat das ausgeheckt & patentiert. Dürfte mittlerweile abgelaufen sein.

Ein Chris Trask hat da noch was draufgesetzt ("augmentation") und natürlich auch patentiert, aber seine Webseite hat wohl z. Zeit nur 1200 Baud, man kommt jedenfalls heute abend nicht dran. Wenn es verschärft interessiert, kann ich das notfalls aus lokalem Cache mailen.

Gruß, Gerhard

Hallo Gerhard,

auch patentiert,

abend nicht dran.

mailen.

Sollte eigentlich auch heute noch im ARRL Handbook stehen. Ich habe allerdings kein neueres zum Nachschauen hier.

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Gruesse, Joerg

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Wenn ich eine ideale Drossel simuliere tritt dieses Problem auch nicht auf. Das Problem ist folgendes: Spulen die mit ihrer Resonanz- frequenz über 70MHz liegen erreichen schwerlich 1 oder 2.2uH. Das ist also die Obergrenze die ich nicht überschreiten kann. Die C-B Kapazität ist so um die 0.5pF was mir mit diesen Spulen einen Schwingkreis beschert der irgendwo zwischen 100 und 200 Mhz liegt. Mit den 70MHz liege ich an den Flanken von der Polstelle und dadurch ändern sich die Impedanzen immer noch stark mit der Frequenz. Da ich die C-B Kapazität nicht so genau kenne ist damit die Aus- gangsimpedanz sehr stark von dem Transistor, dem Arbeitspunkt und eben auch der Frequenz abhängig. Das ist aber Gift für eine gute Anpassung weswegen ich das nicht brauchen kann. Ich kann nun versuchen das mit einem Widerstand tod- zudämpfen aber dann sinkt die Verstärkung sehr schnell sehr stark ab. (Außerdem bastel ich mir mit so einem Schwingkreis fix eine negative Ein- oder Ausgangsimpedanz)

Ich hatte mal mit einem PNP Transistor als Stromquelle experimentiert aber auch das hat mich nicht wirklich überzeugt. Vielleicht sollte ich diese Idee aber trotzdem nochmal weiter verfolgen. Eine andere Lösung wäre es einen Transistor mit geringer B-C Kapazität zu verwenden. Die sind in den kleinen Stückzahlen in denen ich sie brauche nichmal teurer. Aber f_t von 24GHz macht mir dann einfach etwas Angst. Da sind die Kondensatoren die ich für die 70MHz vor- sehe auch keine Kondensatoren mehr. Ich will mal sehen ab welcher Frequenz BFP405 absolut stabil ist - vielleicht wage ich mal einen Versuch.

Ja. Das Stimmt. Ich habe ihn denn auch durch eine Drossel ersetzt. Mit den oben geschilderten Problemen ;(

Viele Grüße, Martin L.

Hallo Martin,

Noe. Hatte selbiges Problem kuerzlich auch. Brauchte einen hohen Blindwiderstand, aber auch einen grossen resonanzarmen Frequenzbereich. Also eine 10uH mit einer 0.47uH in Reihe und, wie Ihr immer sagt, gut iss. So aehnlich wie man auch hie und da 0.1uF und 0.033uF beim Abblocken parallel schaltet.

Viele Instabilitaeten lassen sich mit "haushaltsueblichem" Messwerk bei solchen heissen Eisen gar nicht nachweisen. Ein Trick aus dem Naehkaestchen: Milliamperemeter in die Versorgung, am besten ein analoges Zeigerinstrument. Dann VCC langsam aufdrehen und peinlich genau aufpassen, ob es dabei einen Sprung gibt. Es sollte keine geben, kein Zittern der Nadel bei 3V oder so, totale Ruhe. Funktioniert aber nur, wenn da keine dicken Elkos hinter dem Messgeraet in der Versorgung haengen.

Ich habe mir fuer solche Zwecke ein grosses Zeigerinstrument so modifiziert: Nadel abgebrochen, stattdessen einen hauchfeinen Streifen aus einem blauen Strohhalm aufgeklebt. Aufgrund der Woelbung ist dieser Streifen stabil und schlabbert nicht herum. Dann das Gegengewicht soweit reduziert, bis das Instrument wieder austariert war. Nun habe ich ein Zeigerinstrument mit "sauschneller" Reaktion. Das zeigt so gut wie jedes Zittern an. Ingenieure bei Kunden halten solche Sachen zwar fuer eine Wuenschelrutenmethode, aber es funktioniert.

Wenn gerade keine kleinen Drosseln zur Hand sind: Ferritperlen sind sehr dankbare und billiger Bauteile. Der HF-Designer sollte dvon immer ein Pfund auf Vorrat haben so wie der Koch das Mehl.

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Gruesse, Joerg

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Hallo Joerg,

bei 15 dB und 70 MHz nähern sich die nichtlinearen Verzerrungen an den Differenzverstärker von Martin an. Das sind trotzdem für einen OP schon IMHO vorzügliche Daten. Ich hatte noch den EL5166 mal probiert, der ist auf höchste Bandbreite optimiert, der würde da noch was bringen, nur den Preis möchte ich nicht wissen. Nur bei kleinen Frequenzen wird der nicht so gut sein wie der THS4021.

Ja gut, man muß nur wissen wie, ich hab es auch so gemacht wie TI in der Application Note. Den nichtinvertierenden 15 dB-Verstärker habe ich so dimensioniert: In die Gegenkopplung 470 Ohm parallel zu 2.2 pF, vom invertierenden Eingang gegen Masse 91 Ohm. Dann noch 20 Ohm und 15 pF in Reihe zwischen die Eingänge, fertig. Berechnet habe ich da nix, sondern die Werte halbrichtig geschätzt und in der Simulation so weit verdreht, bis der Frequenzgang flach und möglichst breit ist.

Hier laufen Kampanien, daß die Leute zuviel essen, hehe :-). Ich erinnere mich noch an Zeitschriftenartikel, daß man 60 GHz Transitfrequenz damit erreicht hat, hier nebenan in Bochum. Weiß jetzt nur nicht wo man die einsetzt, vielleicht in CPUs.

mfg. Winfried

Hallo Winfried,

Ist nicht so wild, etwas ueber einen Dollar in Stueckzahlen. Aber er mag nicht mehr als 12V Versorgung und das kostet gut 6dB an Dynamikbereich gegenueber dem THS.

Sei nur vorsichtig beim THS, denn der ist bis zu sehr hohen Frequenzen unter 20dB nicht stabil. Oder vielleicht nur so gerade eben, was bei Kundendesigns ein dickes blaues Auge ergeben kann.

Heute kannst Du 65GHz ft aus Bayern von der Stange kaufen, kostet mit um die 40c weniger als eine Dose Cola:

So sie uns Ami-Leuten denn welche genehmigen. Gerade mit diesem Hersteller hatte ich harte Vertriebsschnitzer erlebt. Gute Ingenieure haben sie ja offenbar, doch der Vertrieb ist, ahem, sagen wir mal stark verbesserungsbeduerftig.

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Gruesse, Joerg

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also ich hab mal eben 2 pF Parallelkapazität zur Drossel betrachtet, ansonsten die Schaltung so, wie Du sie gepostet hast. Entspricht einer Eigenresonanz von 35 MHz, aber ich sehe im Frequenzgang keinerlei Auswirkung.

Hm, also ich würde jetzt mal annehmen, daß die Ausgangsimpedanz gleich R12 ist, der kapazitive Anteil dort ist das Problem, also je nachdem was Du da anschließen willst. Auch beim Eingangsstrom seh ich nix Spektakuläres, der Einfluß der Eigenresonanz der Drossel ist nicht zu sehen. Irgendwas machst Du anders als ich, ich beziehe mich exakt auf die eingangs gepostete Schaltung mit genau diesen Transistoren. Den OP habe ich aber als Integrator ausgelegt, sonst stört der sehr stark, vielleicht hast Du dieses Problem noch drin.

Warum pnp? Den Emitterzweig kannst Du doch leicht als Stromspiegel mit

2xBFS17 realisieren, dann brauchst Du keine Drossel, den Arbeitspunkt kannst Du sicher mit OP auch noch ausregeln.

Also ich habe mal so einen ähnlichen Transistor in einer einfachen Basisschaltung simuliert, um mit Foto-PIN-Diode Bandbreiten von 1.6 GHz oder mehr zu erreichen. Den habe ich nicht stabil gekriegt, sondern einen mit 5 GHz ft genommen, damit habe ich immer noch 1.6 GHz an 50 Ohm erreicht, wenn ich mich richtig erinnere. Die Stabilitätsprobleme habe ich nicht weiter analysiert, aber für Dich wären auch schon 5 GHz-Transistoren der reine Overkill.

Habe ich Dich vielleicht falsch verstanden, Du hast R12 durch 1 Drossel ersetzt? Ich weiß ja nicht genau was Du machen willst, vielleicht einen selektiven Verstärker? Da muß man natürlich anders vorgehen, z.B. einen Schwingkreis in den Kollektor legen und hoffen, daß kein Oszillator draus wird ;-).

mfg. Winfried

Hallo Joerg,

danke für den Tip, das sieht nach schwerer Kost aus. Bin ja kein HF-Spezialist und ich sehe, wenn ich mich da einmische, bleibt kein Auge trocken ;-).

Muß mir das mal in Ruhe ansehen, die Schaltungen mit den Übertragern sehen auf den 1. Blick nicht so übersichtlich aus.

mfg. Winfried

vielen Dank für die Tips, damit hat man schonmal einiges zu tun. Wenn Martin das machen will, hat er sich ja was vorgenommen.

auch patentiert,

abend nicht dran.

mailen.

Vermutlich reicht das obere erstmal, muß erstmal die Zeit finden mich damit zu beschäftigen. Der Gedanke ist ungewohnt, mit Übertragern gegenzukoppeln und damit gleichzeitig die Nichtlinearitäten zu verringern. Ich muß mal drüber nachdenken, es müßte eigentlich auch bei anderen Schaltungen und OPs gehen.

mfg. Winfried

Hallo Winfried,

Angezapfte Induktivitaeten sind allerdings auch die hohe Schule der HF-Technik. Wobei man das an den hohen Schulen auch nicht gescheit lernt :-(

Am besten mal bei Rohde oder im ARRL Handbook (gern auch ein aelteres) stoebern. Ganz gemuetlich und dazu eine gepflegte Gerstenkaltschale.

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Gruesse, Joerg

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Hallo Winfried,

Bei Opamps braucht man es nicht, weil sie ja einen kostenlosen invertierenden Eingang und haufenweise Leerlaufverstaerkung bringen. Rauschen tun sie gegenueber diskreten Schaltungen eh wie eine Wasserspuelung und da machen die Widerstaende nicht viel.

Uebertrager nimmt man in der Praxis nur, wenn wirklich noetig, weil sie teuer und i.d.R. single-sourced sind.

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Gruesse, Joerg

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Bei Kondensatoren ist mir dieses Vorgehen bekannt und auch verständlich. Aber bei technischen Spulen denke ich immer an Paralellschwingkreise die mit einem kleinen Widerstand versehen sind. Also eine solche Ersatz- schaltung:

+--LLL--RRR--+

--+ +-- +--CCC-------+

Ob man das C nun zwischen L und R oder, wie hier, hinter dem R anschließt ist wohl nicht so wichtig.

Jedenfalls ist das auch das was als, wenn überhaupt, Ersatzschaltbild einer realen Spule an der Uni gelehrt wird. Wenn ich nun zwei Spulen in Reihe schalte habe ich zwei Schwingkreise in Reihe die einen entsprechend wilden Frequenzgang aufweisen. Bei einer Freuquenz die etwa dem dreifachen der Eigenresonanz von der großen Spule (10uH) entspricht ist für den Blindwiderstand fast ausßschließlich die kleine (0.47uH) relevant. Da ich gerade weder Spulen noch Networkanalyser zur Hand habe hatte ich es mit dem obrigen Ersatzschaltbild gerechnet und C so bestimmt, dass die 10uH Spule eine Eigenresonanz bei 20Mhz und die 0.47uH Spule diese bei ca. 300MHz aufweist. Nun müsste man eine richtige (tm) Spule ja wohl eher aus einer Reihen- schaltung von vielen der obrigen Glieder modelieren - aber ob das so großartig andere Ergebnisse zutage fördert?

Viele Grüße, Martin

Nee. Stromspiegel im Emitterzweig würde mir ja nur das CMMR erhöhen auf das ich sowieso nicht so großen Wert lege. Außerdem braucht der Strom- spiegel ja irgendwo den Spiegelstrom her und den mit einem Widerstand von der Versorgungsspannung zu erzeugen ist Stromverschwendung. Ich wollte R12 durch eine Stromquelle ersetzen was, nachdem ich es jetzt nochmal simuliert habe, gar keine soo schlechte Idee ist. Aber die Einstellung von dem Arbeitspunkt ist dann halt nicht so elegant und am Ende ist es vermutlich günstiger zwei ganz einfache Differenz- stufen in Serie zu schalten als aus einer das Maximum an Verstärkung herausholen zu wollen. (Wenn die nicht auch gleich den doppelten Strom wie eine bräuchten ...)

Naja. Prinzipiell reicht es mir tatsächlich wenn ich nur meine

70MHz verstärke. Ich habe aber etwas gegen Schwingkreise als Last- impedanz. Die sind nämlich so schmalbandig, dass man garantiert nie die Resonanzfrequenz trifft sondern ein paar Prozent daneben liegt. Damit ist die Impedanz die der Schwingkreis hat reichtlich undefiniert. Und Timmer oder Spulen mit Drehkern finde ich noch schlimmer als den Schwingkreis an sich weil die sich immer genau dann verstellen oder kaputt gehen wenn man nicht dran kommt.

Also fällt Schwingkreis weg. Und wenn ich R12 durch etwas reaktives ersetze bekommt ich noch einiges mehr an Verstärkung aus der Differenz- stufe. Die kann ich dann gegenkoppeln und so die Intermodulation verringern. (Das ganze sollte nicht viel mehr als 4mA verbrauchen.)

Mein Wunsch ist, von Bauteilstreuungen und Temperaturunempfindlich, ein Verstärker der mir meine 70MHz (so 2-3MHz Bandbreite) um

30dB verstärkt. Ein- und Ausgangsanpassung sollten dabei einigermaßen repoduzierbar 50 Ohm werden. (SWR von 1:3 ist sicher noch OK - aber schlechter sollte es halt nicht werden.)

Ich habe ja schon daran gedacht eine Kollektorstufe zu basteln und den ganzen Gewinn nur durch die Anpassnetzwerke von 50 Ohm zu der hohen Eingangsimpedanz und von der niedrigen Ausgangsimpedanz zu 50 Ohm zu realisieren.

Danke, Martin L.

Hallo Martin,

Das wichtige ist, dass es reicht. Im Extremfall muss man eben drei in Serie schalten, brauchte ich aber nie. Die Chose mit 10uH und 0.47uH fluppt bestens. Sonst waere jetzt ein Kunde ziemlich sauer ;-)

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Gruesse, Joerg

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Der 2. Eingang ist nicht umsonst. Der kostet mindestens 3 dB beim Rauschen. Trotzdem sind AD797 oder OPA867 (oder ähnliche Permutation der Ziffern) so rauscharm, daß man seine Gegenkopplungswiderstände sehr sorgfältig aussuchen muss. Und im Datenblatt des OPA kommen durchaus 1:4-Trafos vor.

Gruß G.

Hallo Gerhard,

Ok, stimmt, nicht kostenlos beim Rauschen. Aber an eine ausgefeilte Transistorschaltung kommen sie normalerweise eh nicht heran. Weder beim Rauschen und erst recht nicht von den Kosten her. Deshalb hatte ich den THS4021 im letzten Design auch etliche Male umgedreht.

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Gruesse, Joerg

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Der rechte Transistor ist ja am Kollektor schon eine Stromquelle, warum noch eine? Dessen Rückwirkungskapazität setzt Dir auf jeden Fall die obere Grenzfrequenz fest.

Ja, mit dem L als R12 hast Du die Ausgangsstromquelle dann für den Lastwiderstand zur Verfügung. Wechselstrommäßig ändert sich dadurch aber erstmal nichts, außer daß Du einen nichtideale Drossel drin hast. Es sein denn, Du transformierst dort auf eine höhere Impedanz, dann steigt die Spannungsverstärkung.

Das mit der Intermodulation, Du hast das sicher auch mit dem noiseless feedback mitbekommen? Das habe ich mir noch nicht genau angesehen, sieht erstmal nicht so einfach aus.

Hm, das klingt nach Leistungsverstärkung? An sich kannst Du R12 ja 50 Ohm groß machen, kein Problem, aber dann ist die Spannungsverstärkung weg. Die könntest Du dann am Eingang durch Transformation teilweise wieder rausholen. Jetzt verstehe ich allmählich, worum es Dir im Topic geht, die Eingangsimpedanz läßt sich wegen des stark kapazitiven Anteils nicht bis 70 MHz konstant halten.

Die Kollektorstufe hat die Kapazität auch drin. Aber wenn ich das richtig verstanden habe, soll das ein ZF-Verstärker sein? Wenn Du Leistungsanpassung erreichen willst, wegen des S/N? Ich habe mir die Intermodulation des Differenzverstärkers angesehen, -70 dB liegen die Produkte entfernt um 70 MHz, besser geht's auch mit dem THS4021 nicht. Aber Intermodulationsfestigkeit und optimales S/N ist doch bei Eingangsstufen an der Antenne gefragt? Warum willst Du das bei einem ZF-Verstärker haben?

Deine eingangs gepostete Schaltung sieht schon richtig aus, mit R12=500 Ohm erreichst Du mehr Bandbreite als nötig. Wenn es Dir auf Spannungsverstärkung und Leistungsanpassung ankommt, kannst Du ja am Eingang von 50 Ohm auf sagen wir mal 500 Ohm transformieren. Den kapazitiven Eingangsanteil bekommst Du wahrscheinlich nicht weg, auch nicht mit Transistoren höherer Transitfrequenz, also schalte einfach einen Widerstand der Größe zum Eingang parallel, bis die Eingangsimpedanz den gewünschten Verlauf hat. Oder Du transformierst schmalbandig, dann mußt Du die Impedanz genau kennen. Ob das Spice-Modell da realistisch ist, weiß ich allerdings nicht.

Zum Transformieren kannst Du entweder einen Übertrager nehmen, oder ich habe hier ein Buch, in dem sind Transformationstiefpässe mit Tschebyscheff-Verhalten angegeben in Form einiger Gleichungen. Die kann ich bei Bedarf raussuchen, falls Du sowas nicht hast, selbst getestet habe ich das noch nicht.

Das mit der Transformation ist auch am Ausgang möglich, nur rückwärts auf 50 Ohm. Aber da würde mir ein einfacher Buffer sinnvoller erscheinen, falls der die Intermodulation nicht verschlechtert.

Vielleicht kann man hinterher mit Tiefpaß-Bandpaß-Transformation direkt schon die Bandfilter draus machen, denn die fehlen ja noch im ZF-Verstärker. Aber damit habe ich mich selbst noch nicht beschäftigt.

mfg. Winfried