Ultra Low Noise, High Dynamic Range LNA PGA-103+

V časopisu DUBUS 4/2012 mne zaujal článek Sama G4DDK, který publikoval zajímavý článek o MMMIC zesilovači PGA-103+ s neméně zajímavými parametry.

Protože již delší dobu používáme jako LNA na 70cm podobný obvod s označením SPF-5043z doplněný o vstupní filtr, začal jsem se o tuto součástku, použitou v zesilovači zajímat. A výsledek se záhy dostavil a začal jsem měřit a porovnávat.

Náš nynější zesilovač s SPF-5043z jsem zakoupil jako stavebnici od Ondry OK1CDJ.

je slušnost doplnit odkaz www.hamshop.cz (je tam spousta krásných věcí)

Není to nic složité, stačí mikropájka a součástky (rozsypaný čaj) zaletovat do desky. Ondra stavebnici dodává komplet včetně krabičky a průchodkového kondenzátoru. Změřené parametry, které Ondra uvedl skutečně sedí. Jak zisk, tak i šum. Drobné rozdíly jsou dané rozptylem parametrů součástek, či použitou měřící technikou a jsou nepodstatné. Použil jsem tento zesilovač jako referenční v porovnání se zesilovačem s PGA-103+ a byl jsem velmi zvědav na dosažené parametry.

Předem je nutno říci, že použitý plošný spoj, který je v LNA, je vlastně vývojová destička, původně určená k MMIC zesilovači s PHA-1+. Ale protože je prokovena a rozteče součástek jsou stejné, je možné do plošného spoje osadit jak obvody GALI, tak PHA tak i obvod PGA.

No a protože s obvody PHA a GALI tvořím poměřně často, tak si i tyto vývojové destičky objednávám ve větším počtu a případně si je upravím dle potřeby.

Na zesilovači jako takovém toho moc k osazení není. Pohled na stranu součástek. Zapojení je v datasheetu a dodržel jsem ho. Nic jsem neměnil. Hodnota tlumivky 0,3uH jsem převzal z článku v DUBUSu, protože datasheet hovoří o orčitém číselném typu tlumivky, kterou jsem nenašel, respektive jsem asi hledal málo.

Jen je zapotřebí udělat malé úpravy na vlastním plošném spoji. Zejména co se týče blokování napájecího napětí a umístění tlumivky v napájení.

Tady je vidět úprava destičky, kde je třeba odlamovacím nožem odškrábat barvu z plošného spoje, aby bylo možné dodatečně zaletovat blokovací kondenzátory a následně proškrábnout plošný spoj v napájení, aby bylo možno zaletovat SMD tlumivku 0,3uH. Na obrázku je vidět další vývojový pokus, kde jsem se pokusil o doplnění dalších dutých nýtků o průměru 1mm. Deska co se týče odstranění barvy a proškábnutí je upravena stejně.

První kus byl tedy osazen a oživen a tak jsem začal měřit.

Na tomto místě je třeba uvést základní parametry použité součástky PGA-103+ případně rozdíly, kterými se liší od SPF-5043z.

Obvod PGA-103+ je novějšího data výroby, na stránkách minicircuits.com se objevil koncem roku 2012, předpoklad lepších parametrů se potvrdil i při měření. Zatímco obvod SPF má v datasheetu Output IP3 hodnotu 31dBm na kmitočtu 400MHz, tak obvod PGA má v datasheetu hodnotu 39dBm na stejném kmitočtu. Ziskově jsou obě součástky podobné, obvod PGA má o něco větší zisk, což se potvrdilo i při měření, ale rozdíl v zisku je zanedbatelný, podobně jako u šumového čísla. Sice oba obvody mají v datasheetu uvedeno šumové číslo 0,6dB pro SPFko, respektive 0,5dB pro obvod PGA,ale ani mně, ani Ondrovi se nepodařilo tyto hodnoty dosáhnout na kmitočtu 70cm pásma. Ověřil jsem si to u několika kusů LNA. Otázka je použitého substrátu na plošný spoj, ne použití obyčejného komnzumního laminátu FR4, prokovů a použitých součástek. Obvod PGA je poměrně "nenažraný" protože si řekne o skoro 100mA na 5V, oproti necelým 50mA u obvodu SPF, ale to je daň za větší odolnost. Oba obvody fungují až do 4GHz. Na kmitočtu 23cm nabízí obvod PGA dokonce 42dBm Output IP3, což je fantastická hodnota, oproti 34dB u SPFka.

Ale dost čísel a zpět k praxi.

Po připojení měření ukázala první verze LNA zisk 21,2dB a šum 0,73dB na 432MHz. Šum je v tomto případě lepší o cca 0,15dB než v případě obvodu SPF, který jsme používali doposud, tam jsem naměřil šum 0,9dB. Zisk je o 1,5dB větší u obvodu PGA, oproti SPFku.

No a protože mne šumové číslo trochu zklamalo, zkusil jsem, jestli když doplním duté nýtky do stávajícího plošného spoje, jestli se hodnoty nezlepší.

Měl jsem tu v šuplíku 100ks dutých měděných nýtků o průměru 1mm a tak jsem začal s úpravou. Oškrábal jsem nejprve z jedné strany.

A pak se pustil do druhé a začal nýtovat a následně pájet, abych měl prokovení co njlepší.

Ještě pro úplnost je třeba ukázat druhou stranu plošného spoje, kde je přiletován 7805 stabilizátor, dioda a blokovací kondenzátory.

Byla to docela slušná práce a hraní, ale zdařilo se a tak znovu na měřáky.

No a přišlo zklamání. Přínos dalších dutých nýtků skoro ani nebyl vidět. Zisk se zvedl o pouhých 0,1dB a šum klesnul o 0,05dB. Takže přínos vztažený na práci s nýtkami vlastně žádný.

Tak jsem si zkusil ještě vyměnit vstupní a výstupní kapacitu. Já jsem měl osazeny ATC čipy s kapacitou 250pF, které jsem vyletoval ze vstupních dílů GSM modulů. Po výměně za obyčejný 1nF z běžné hmoty, velikosti 0803, mi šum stoupl o 0,1dB čímž jsem si ověřil kvalitu kondenzátoru.ATC čipy jsou opravdu lepší, ale otázka je, kdo pozná v závodě ten rozdíl.

Ve snaze dosáhnout ještě lepších parametrů jsem vzal lepší materiál na plošný spoj. Aby mi to dlouho netrvalo, tak jsem to nakreslil od ruky, jen tak pro porovnání, abych viděl, jestli to někam vede. No a nevedlo. Prakticky jsem naměřil to samé co oba pokusy předtím, což mne zklamalo, ale nedalo se nic dělat, prostě to tak bylo.

Abych si ověřil použitelnost LNA, zapojil jsem si na vstup vstupní propust a změřil si, jak se to chová jako celek. Očekával jsem, že když má filtr necelých 0,4dB útlumu, tak o tento rozdíl naměřím i horší šum a zisk. Ale to jsem se krutě přepočítal. Začali se dít hrozné věci.

Nasadil jsem na měření nejprve LNA na skloteflonu a nevěřil jsem tomu co vidím. Zisk (cca 14dB) šel rapidně dolů a šumové číslo (cca 4dB) bylo prakticky nepoužitelné. Zkusil jsem tedy přesunout SMD tlumivku z jednoho konce meandruh na druhý, ale žádná změna. Zkusil jsem tedy odškrábnout jednu stranu zemnní plochy, která vedla od boku krabičky pod tranzistor a naměřené hodnoty dopadli ještě hůře. To bylo poslední co jsem s tímto zesilovačem udělal, než jsem ho rozebral na jednotlivé součástky.

Vrtalo mi hlavou, proč se ten obvod chová najednou úplně jinak, než na měřáku a vzápětí mi to došlo. Šumová hlava má na vstupu 20dB útlum do 18GHz, takže impedančně to sedí, reálná impedance tam je. Výstup je prakticky to samé, sedí to na 50R. Jenomže prokovení nikde a ten obvod skutečně potřebuje mít kolem sebe zem a ta mu chyběla. Takže tudy skutečně cesta nevede.

Jen pro úplnost, tady je fotka pokusu o LNA. Skončilo to jen u pokusu.

Vzal jsem tedy první a druhou verzi LNA a znovu na měření i se vstupním filtrem.

Tady už se to začalo chovat jak má, opravdu ty prokovy a zemní rovina kolem dělá své. Zkusil jsem i zařadit za LNA 3dB útlumový člen na SMA konektorech, abych viděl, jak se to chová a očekával jsem, že mi klesne zisk o 3dB, což je útlum na výstupu. Pro úplnost uvádím ještě jednou zisk a šum samotného LNA 21,2dB / 0,73dB.

První verze LNA na měřáku ukázala 19,8dB zisku a 1,2dB šumu bez 3dB čipu na výstpu. Se zařazeným 3dB čipem pak hodnotu 17dB zisku a 1,3dB šumu.

Druhá verze se zvýšeným počtem prokovů ukázala 20,2dB zisku a 1,2dB šumu bez 3dB čipu na výstupu. Se zařazeným 3dB čipem pak hodnotu 17,2dB a 1,2dB šumu.

Jak je vidět, tak ty prokovy tam mají svůj smysl. Bez nich to prostě nejde. Sice jsem čekal, že ten zisk a šum se o tolik nezhorší, když má filtr na vstupu 0,4dB útlumu ale stalo se.

Pro jistotu jsem si ověřil zapojení filtru a LNA s ATF54143 a chová se to mravně a jak má podle předpokladu.

Takže pokud se v zapojení doporučuje prokov, respektive je v datasheetu doporučený plošný spoj, tak tam určitě k něčemu je a není to jen výmysl autora.

Co na závěr?

Tento nový obvod, je určitě lepší než mnohdy používané LNA osazené CF300, MGF1302 a další, s ohledem na odolnost. O tom není pochyb. Je zde ale nutnost použití filtru na vstupu, protože obvod je širokopásmový a bez selektivity na vstupu to nejde, zejména pokud je na QTH v provozu více pásem. Sice klesne zisk a naroste šumové číslo, ale bez něj to skutečně nejde. Je třeba ale dodržet doporučení výrobce a nesnažit se o vlastní výtvory, ve snaze ohnout fyziku, nefunguje to. No a cena ho přímo předurčuje k masivnímu použití na vstupech transvertorů v zesilovacím řetězci, nebo jako LNA, ostatně 2USD si o to přímo říkají. U nás lze tento obvod pořídit kolem 70,- což je pro každou kapsu velice přijatelný cena.

No a kde že to roste, www.elsy.cz (taky mají spoustu krásných součástek)

Bastlení může vesele vzkvétat s novými typy součástek, tak proč je nevyužít.

3RM