Mislukt project - Meetversterker 100Mhz, 1V, rms, 40dB

blackdog

Golden Member

Hi Heren,

Af en toe heb ik een meetversterker nodig en ik had vorig jaar al eens laten zien dat ik op een beurs een HP 461A had gekocht.
Deze heeft de onderstaande specificaties.
De versterking is altijd 40dB, er zit alleen een 20dB verzwakker aan de ingang die schakelbaar is.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-04.gif

Versterking: 20 of 40dB
Bandbreedte: 1dB 150Mhz
Output Max: 500mV
Vervorming: 5% bij 500mV output en 500khz

Dat ze dit kunnen bereiken met zoveel transistor trapjes is knap, vooral als je bedenkt dat dit een ontwerp is van begin 60 jaren.

Mijn 461A is zo rot als een mispel, ik heb er al heel veel tijd in gestoken, maar hij is nog steeds niet goed.
Deze versterker was als eens door een "technicus" onderhanden genomen... Brrr.
Knoeier eerste klas!

Maar goed, toen dacht ik er aan, wat ik zou kunnen doen met wat snelle opamps die ik nog heb liggen.
Ik besloot de AD8004 te nemen, de versie die ik heb liggen is een 14pens DIL.
Dus, handig om mee te experimenteren.
Na wat eerste krabbels op een klein stukje papier toen maar een schema getekend op een groter stuk papier.
Een schema op de computer teken voor iets waarvan de uitkoms erg onzeker is ga ik niet doen, kost te veel tijd.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-01.gif

Even wat uitleg over de opbouw van deze versterker.
Twee van de vier versterkers dienen voor het aansturen van de coax.
Dit heeft een rede, dat dit met twee opamps gedaan wordt.
De uitgangs impedantie van opamps is niet "0" Ohm bij 100Mhz!
Bij 100Mhz is volgens de datasheet deze opamp al meer dan 10 Ohm.
Door nu twee opamps te nemen en deze pararallel te zetten, wordt de opamp minder belast en veranderd de uitgangs SWR ook een stuk minder.

De versterker trapjes zijn zo opgebouwd dat de versterking per trapje laag blijft, maar dat ik toch totaal aan 200x kom.
De helft van de versterking ben ik kwijt in de netwerk om 50-Ohm aan de uitgang te maken.

Aan de ingang een 100-Ohm weerstand naar de inverterende ingang gebruikt en dan kan ik de ingang verder mooi 50-Ohm maken met een parallel weerstand van rond de 100-Ohm.

De problemen waardoor ik het een mislukt project vind...
De bandbreedte is niet zo goed als ik het hebben wou.
Ongecompenseerd is de versterking -1dB bij 17Mhz, -2dB bij 30Mhz, -3dB bij 44Mhz en bij 100Mhz -8,8dB
Als ik alleen de eindtrapjes compenseer met 100-Ohm en 22pf, haal ik -1dB bij 64 Mhz en bij 100Mhz ongeveer -4,5dB.

Dit is een SA plaatje met zowel de eindtrapjes als één van de voortrapjes gecompenseerd.
Ik haal dan -3dB bij 94Mhz.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-05.gif

Hier wordt de vervorming weergegeven bij 15Mhz en 1V RMS aan 50-Ohm, dit is 2x zoveel signaal als de HP461A kan leveren.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-06.gif

Deze foto geeft de vervorming aan bij de 500mV die de HP kan leveren alleen ook hier weer op 15Mhz i.p.v. 500Khz.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-07.gif

De schakeling op de pijnbank, close up.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-03.gif

Hier kan je zien dat de uitgang eerst door een HP verzwakker gaat en deze op -40dB staat ter bescherming van de SA.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-02.gif

Waarom nu een mislukt project...
De versterker is nogal lastig stabiel te houden, ik ga hier nog 1 uurtje tegenaan gooien door een iets andere opbouw van de schakeling.
Nu zitten de twee opamps die de uitgang sturen, aan een lange kant van het IC.
Dit ga ik aan een van de korte kanten bouwen.
Hierdoor wordt de bedrading wat korter en kan hierdoor minder instralen op de eerste versterker trap.

Komende week meer hierover, of het me gelukt is :-)

Er zijn al een paar zeer breedbandig MMIC versterkertjes onderweg die de 1V-RMS moeten aankunnen op 200Mhz en dan ook nog goed recht zijn wat frequentie karr betreft.
We zullen zien wat dit gaat worden.

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

Niet zeuren blackdog! ;) Ik vind het (en ik denk velen met mij) al een hele predtatie dat je zover bent gekomen!
Als je HP journals leest en ziet hoeveel tijd, energie en teamwork er in de ontwikkeling van een apparaat wordt gestoken, hoef je je echt niet te generen :)

Rommelige werkplek? In de natuur is wanorde de meest stabiele toestand; de entropie is dan maximaal. Het handhaven van "orde" kost daarom altijd energie. ----> TUBE COLLECTORS ASSOCIATION - RIP
rbeckers

Overleden

Blackdog, dit is best lastig.

Misschien heb je iets aan deze tips:
- in het schema zit over een terugkoppelweerstand een instelpot.
instelpot weglaten.
- losse opamps gebruiken.
- bij dip8 de terugkoppelweerstand niet langs pen3. Dus bij dead bug van pen6 langs pen7 en parallel, op een paar mm, aan de printplaat.
- tussen pen3 en pen6 een schotje zetten.
- de 2x 100 vervangen door 2x 91 ohm.

blackdog

Golden Member

Hi Heren,

De resultaten zijn best aardig voor dit IC, allen de instabiliteit vond ik ech niet aardig.
Daar ben ik natuurlijk zelf schuldig aan.
Het geheel heeft nu grotendeels smd weerstanden is is nu stabiel, misschien later vandaag plaatjes.

rbeckers, goede tips, potmeter zat er al niet in en heb geen IC op voorraad dat coax kan sturen met een bandbreedte van meer dan 100Mhz.

Nu naar een feestje ;-)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
blackdog

Golden Member

Hi,

Nu wat plaatjes om aan te geven hoe ik de instabiliteit heb aangepakt.
De frequentie respons kan ik met dit IC nooit zo vlak krijgen als de HP461A.
Daar is de bandbreedte van dit IC te klein voor.
Denk niet te licht over dit IC, Quad opamp, 3KV/usec slew rate, ruis 1,5nV/peentje uit de frequentie. -3dB bij een gain van 2x bij 100Mhz.
Dan zijn de specificaties die ik bereik, eigenlijk niet slecht voor drie trapjes achter elkaar.

OK, hoe heb ik het nu aangepakt...
Als eerste alle onderdelen weer van het IC afgesoldeerd.
Hierna van dun koper, een stripje over de buik van het IC gesoldeerd.
Dit dient voor de afscherming en als een laag Ohmig pad voor 2x 3,3nF ontkopple condensator.
Verder heb ik zoveel mogelijk gebruik gemaakt van SMD weerstanden.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-08.gif

Hier zijn de twee 3,3nF condensatoren goed te zien, de ontkopeling is nu, 22uF tantaal, 0,47uF Cer en 3,3nF Cer.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-13.gif

Op deze foto is te zien dat op de hoeken van het IC 2x 1K2, dat is 600-Ohm tussen de uitgang en de inverterende ingang gesoldeerd zit.
Ook de grotere 100-Ohm uitkoppel weerstanden zijn aan de rechter kant te zien.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-10.gif

Dit zij aanzich maakt het iets duidelijker, alles dus erg kort bedraad.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-09.gif

Hier wordt de schakeling getest met twee compensatie condensatoren.
Er zijn nog een paar hele kleine waarden aangebracht die hier niet op de foto te zijn zijn voor een optimaal frequentie bereik.
http://www.bramcam.nl/NA/Meet-Amp/Meet-Amp-12.gif

Is deze versterker nu een echte LAB meetamp, nee dus.
De vervorming van 20 tot zo'n 60Mhz is nogal aan de hoge kant, ook bij minder dan de 500mV uitput.

Deze versterker kan wel mooi dienst doen als meettrapje voor het meten van ruis/prut uit voedingen naar de scoop toe.
De bandbreedte is rond de 80Mhz -3db en dat is ruim voldoende voor deze toepassing.

Ik ga ook, wat ik al eerder aangaf, een 40dB trapje maken, die ik recht wil hebben tot ongeveer 200Mhz.
Dit met minder onderdelen, maar ook een stuk lastiger te bouwen, daar het om versterkers gaat, die 7 a 8 Ghz bandbreedte hebben.
En dit opgebouwd gaat worden op een stukje koperprint...
En nu maar hopen dat dit geen breedband zender wordt :-)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

Ik vind dit soort dingen echt ontzettend knap, met name omdat het zo ver in de marge zit. En met marge bedoel ik dan de marge waar je bij een simpelere schakeling lekker in kunt rommelen, maar bij dit soort schakelingen absoluut niet uit het oog mag verliezen.

Leuk om te lezen ook.

If you want to succeed, double your failure rate.
rbeckers

Overleden

Foutjes worden bestraft!

Bij sommige zeer snelle opamps, die met een GBW > 1GHz, wordt in de datasheet beschreven wat de gevolgen zijn van een (parasitaire) condensator van ongeveer 1pF. 1pF is erg weinig.
Verder is er veel kennis en ervaring voor nodig om dit soort schema's te ontwerpen en te bouwen.

blackdog

Golden Member

Hi René, :-)

Ik weet het, tegen beter weten in probeerde ik toch enigzins normale componenten te gebruiken, met resultaat een Zender!
Verder kwam ik nog een paar vreemde effecten tegen, waar ik het hier nog niet over gehad heb.
Dat zijn de stromen die er lopen, vanaf de massa aansluiting van de coax.
Daar dit inverterende trapjes zijn (de meeste bandbreedte) is de referentie (massa coax) die via het massa vlak loopt en DOOR de ontkoppeling!!!
Dit samen ook weer met de meestal niet zo goede onderdrukking op de voedingspanning van de opamps ~15dB bij 100Mhz bij de AD8004!!!
Het effect is dat de vervorming niet mooi lineair oploopt met de frequentie en wat aan de hoge kant is.
Dus ik denk, dat niet inverterende trapjes uiteindelijk wat vervorming betreft, beter zal zijn, dit natuurlijk ten koste van wat bandbreedte.

Dit was zondermeer weer een zeer leerzaam project voor mij, ondanks dat ik niet de specificaties bereikte, die ik er dacht uit te kunnen halen met optimalisatie.

Wat betreft de supersnelle opamps, ik heb nog een paar TI OPA en THS liggen, dat wordt heel lastig hier iets goed mee te bouwen.
Deze opamp hebben eigenlijk altijd een geoptimaliseerde SMD print nodig, en hier houd mijn "dooie tor" methode op, goed werkbaar te zijn.

Mijn hoop is dus gevestigt op de Minicircuit Gali-84.
Er komen steeds meer van dit soort versterkers op de markt maar ook vele die niet voor DC geschikt zijn.
Ik denk dat de interne ontkoppeling gebruiken die niet van buiten toegankelijk is vandaar dat ze vaak vanaf 5 a 50Mhz werken.

Laters dus weer meer.

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
blackdog

Golden Member

Hi rbeckers,

De LT1227 is niet goed genoeg voor 100Mhz.
De vervormingsvrije bandbreedte is nogal beperkt, het liefs heb ik 1VRMS output tot 100Mhz.
Dat haalt dit IC helemaal niet, ook 0,5V is niet goed mogelijk, dit omdat de spanning aan de uitgang 2x hoger is dan aan de belasting van 50-Ohm.
De onderdrukking op de voedingslijnen is rond de 100Mhz rond de 10dB <= tja...

En als je kijkt naar de uitgangs impedantie bij 100Mhz, geloof je rond de 100-Ohm :-)
De LT1227 is een mooie opamp maar niet geschikt voor die frequenties, de AD8004 trouwens ook niet, maar die is toch nog een stukje sneller en heeft een lagere Ri rond de 100Mhz.

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

misschien is deze application note een bron van inspiratie ? Ik denk dat als je de versterker van figuur 12 met 'echte' HF-torren uitvoert, je al een heel eind kunt komen aan de specs die je wenst.
40 dB versterking is 100x spanningsversterking, dat moet kunnen.
1vrms in 50 ohm is best veel (13 dBm), Maar niet onmogelijk.

rbeckers

Overleden

GBW moet hoog (1GHz) zijn, bij 100MHz minimaal gain van 3, en dan nog slewrate en voeding onderdrukking, uitsturing, vervorming, drive vermogen en aangezien vanaf DC ook drift en offset.
En dan nog dissipatie, stabiliteit.

De LT1227 voldoet inderdaad niet aan alle eisen.
Nu kun je bepaalde zaken wel omzeilen, maar dan heb je meer opamps nodig. Slewrate van de uitgang, uitsturing en vervorming blijven.

Toch maar een andere aanpak kiezen.

Jinny

Golden Member

Is een SGA-6386 niet iets?
Ook geen dead bug, maar wel van DC tot lekker hoog...
Heb overigens geen idee wat het uitgangsvermogen is....

Hoe doen vrouwen op TV dat toch? Wakker worden met prachtig glanzend haar en mooi gestifte lippen..... Wanneer ik wakker word heb ik een coupe 'Leeg geroofd vogelnest' en een incidenteel straaltje kwijl.. Gaat ook door voor 'Wilt wief' naar horen zeggen
blackdog

Golden Member

Hi Jinny,

Bedankt voor de tip, ik heb er een paar meebesteld :-)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

Heb in het verleden wel eens een ad8009 (1Ghz GBW Current Feedback opamp) gebruikt. Het doel was het zelfde (100Mhz 40dB amp ala de HP461A), maar vanwege tijd en gebrek aan een spectrum analyzer, nooit afgemaakt. Maar het begint wel weer te kriebelen om het weer op te pakken :)

blackdog

Golden Member

Hi Lexy, :-)

Daar ben je mooi wat laat mee om de AD8009 te noemen, mijn bestelling was net verzonden!

Geen idee waarom ik de AD8009 vergeten was, maar kwam door je opmerking wel een AD8099 hier tegen in het bakje samples.
Kan mooi voor de ingangstrap dienen erg "low noise" en net voldoende bandbreedte.
De AD8009 is trouwens onderweg die gaat als test als uitganstrapje dienen.

Er komen verschillende opsetjes om te kijken wat het beste is.
Of ik een MMIC, zoals de Minicircuits Gali-84 of andere als eindtrapje ga gebruik, dit samen met dan de AD8009 of andere snelle Godzilla opamp.

Dit wordt uiteindelijk veel afwegen, tussen bandbreedte, ruis in de lage frequenties en Ri bij 100Mhz enz.
De eerste twee trapjes ga ik vrijwel zeker sturen op de +ingangen, dit omdat de opamp dan minder belast wordt en de Ru van de sturende opamp dan minder van belang wordt.
Ongeveer 75-Ohm belasting of 1K, groot verschil!

Ook denk ik nog na om de eerste trap omschakelbaar te maken.
Misschien tot zo'n 20Mhz een trapje met een Fet ingang met zeer lage ruis (audio Fet in cascode setting).
Dan zit ik niet vast aan de 50-Ohm ingang met de zeer grote koppelcondensatoren voor de lage frequenties.
HP gebruikt 4,7uF tussen de trapjes, dat zijn van die mooi tantaals in metalen behuizing die bijna nooit stuk gaan.

Ik ga mij tot de onderdelen binnen zijn verdiepen in datasheet en ondertussen een oude Delta voeding voorzien van een iets snelle
2N3055 om hem rustig te krijgen.
Ja en snellere, dit geeft minder fase verschijving binnen de loop :-)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
rbeckers

Overleden

Ik heb net het schema van de HP641 bekeken en dat valt mee.
Als ingangstrap een PNP emittervolger, dan 5 AC gekoppelde NPN versterkertrapjes en als uitgsng een NPN emittervolger.

blackdog

Golden Member

Hi rbeckers,

Uhm, het schema is goed te begrijpen, het repareren, zorgen dat hij weer mooi binnen 1 dB vlak is, is wat minder makkelijk...
Probeer maar eens een probe in dat ding te prikken.
Dan heb je een 1pf Fet probe nodig, die ik niet heb.
Verder is de schakeling ook niet goed op te splitsen voor een "deel" meting.
Dat zal zondermeer aan mijn "kunst en kunde" liggen. :-)

Ik ga het tot 100Mhz proberen en dan ga ik er voor zorgen dat de ruis veel beter wordt dan de HP461A. (hoop ik)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
rbeckers

Overleden

Blackdog, heb je wel een 100:1 (HV) probe?
Die belasten het meetobject met ong. 4pF.
Vervolgens, bijv. Q4 met een collectorweerstand van 1100 ohm, vervang je (tijdelijk?) die 1100 door 100 en 1k in serie. De 100 ohm met een kant aan de voeding. Op het knooppunt van de 100 en 1k hang je de probe. Andere waardes kunnen beter zijn. ;)
Of je gebruikt een low-z probe, of een oppikwinding, eventueel in combinatie met je SA met TG.

blackdog

Golden Member

Hi rbeckers,

Goede tip van die 1:100 probe, de laag-Ohmige versie kan hier hier vrij snel maken.

Ik zal even nadenken over de opslitsing van de schakeling zoals jij voorsteld.
Ik wil weten waarom het frequentie gebied zo snel daald t.o.v wat wordt voorgesteld in de datasheet van de HP461A.

De transistoren zijn bijna allemaal vervangen door types met betere Beta en Hfe, dit hielp wel een beetje maar nog lang niet voldoende.
Aan de compensatie spoeltjes is niet geknoeid, ook door mij niet :-)

Eerst nu de Delta voeding afmaken en als de onderdelen binnen zijn,
verder met mijn versie van de breedband versterker.

Oja, de sukkelige gebruiker had natuurlijk ook de ingang opgeblazen van de HP461A, en dat moet met en redelijk vermogen gebeurd zijn,
dit is te zien aan de brandplekken van een aantal weerstanden.
Misschien moet hij maar gewoon op de schroothoop...

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
rbeckers

Overleden

Bij dit soort schakelingen is de C-B capaciteit belangrijk.
De ft en de hfe zijn minder van belang. Dus een BF type zal beter zijn dan een BC(547).

Niks schroothoop. ;)

Hewlett

Honourable Member

* Hewlett ziet schroothoop en HP

dat kan niet hè :-) ik wil hem anders wel voor je repareren

HamRadio PA2HK // Keep Calm and Carry On.
RAAF12

Golden Member

Of snelle switchers zoals de 2N914, oud spul wellicht opgevolgd door betere types.

Grensovergang Spanje-Algarve (9-6-2024) https://www.youtube.com/watch?v=sserlsJy0wI&t=210s
blackdog

Golden Member

Hi Heren,

De meeste transitoren zijn vervangen voor de 2n5179.
Deze heeft een wat lagere Vce maar werkt tot nog toe goed in deze schakeling, de werkspanning is een stuk lager dan de 12V die de 2n5179 continu mag hebben
Voor de PNP ingangstor, had ik ook nog een snel type voor met een goed ruisgetal (BFR99).
De emittorvolger aan de uitgang is nu een 2n5109.

Ik heb al flink wat onderdelen vervangen, veel van de door de audio gestoorde geprezen weerstanden, zijn allemaal verlopen.
Hierdoor haalde hij de versterking van 100x helemaal niet.

Maargoed, eerst andere projectjes afmaken :-)

Gegroet,
Blackdog

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.