Neuer Verstärker für Breitband Magnetantenne

  • Hallo zusammen,


    nach langer Zeit möchte ich mich mal wieder mit einem Verstärker für Breitband-Loops beschäftigen und hoffe auf eure Unterstützung. Beim letzten Mal im Jahr 2017 habe ich nach vielen vergeblichen Versuchen den Vorschlag von LZ1AQ nachgebaut. Wir haben den Verstärker übrigens im B08 als Projekt umgesetzt und immerhin für 21 OM gebaut.

    Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna


    Die originale Schaltung spielt (vermutlich) unschlagbar auf den unteren Bändern, ich möchte sie auf 80 - 6 m hin optimieren. Im Hinterkopf habe ich noch, den Verstärker bis 2m zur QRM-Suche zu verwenden.

    Dafür habe ich mir die folgenden Ziele gesetzt:

    - Eine große Antenne mit geringer Induktivität vorsehen, angeschraubt auf der Flachbaugruppe.

    - Tiefpass vorsehen. Bei mir belasten (bei großer Antenne) allerhand Störungen unter 200 kHz den RX unnötig.

    - Hochpass ändern für 170 MHz DAB. Es gibt bei mir keine starken UKW-Sender.

    - Verstärkung erhöhen, um keine Probleme mit Störern im Shack zu bekommen. Die folgenden Rauschwerte sind schon mit 6 dB mehr gerechnet.

    - Eigenrauschen oberhalb von 10 MHz reduzieren. Aus der ITU-R P.372 habe ich mir 10 nV/sqrtHz bei 21 MHz als Hintergrundrauschen errechnet. Ich hoffe auf weniger, das Original (+6 dB) simuliere ich zu 15 nV/sqrtHz.


    Aus meiner Sicht muss daher eingangsseitig ein OpAmp mit geringem Eingangs-Spannungsrauschen ran, ich nehme mal den LMH6629 mit 0,7 nV/sqrtHz. Um dieses nicht unnötig zu verstärken, soll sich die Antenne möglichst wie eine ideale Stromquelle verhalten, also kein C im Filter gegen Masse.

    Ausgangsseitig wäre natürlich ein spezieller "line driver" wie der THS6214 oder OPA2674 schön, das kostet aber einige nV/sqrtHz an Rauschen, zumal ja auch etwas Verstärkung gewünscht ist.

    Ich spiele mal mit zwei Transimpedanzverstärkern pro Seite parallel mit Zwangssymmetrierung. Dadurch nimmt das Rauschen weiter ab und die max. Ausgangsspannung an 50 Ohm steigt immerhin von 2,X Vpp auf 3,X Vpp.


    Was sagt ihr zu meinem Vorschlag im Anhang? Wären für euch ein 1 dB Kompressionspunkt von nur 3,5 Vpp ein Problem? Würdet ihr einen diskreten Ausgangstreiber (z.B. mit BFP196W) probieren?


    Ich hoffe auf eine angeregte Diskussion und bin gespannt auf das Ergebnis.

    Danke im Voraus und Viele Grüße, 73

    Bernhard, DL1BG

  • Jeweils ein Opamp reicht, um als Transimpedanz Verstärker die erforderliche Strom/Spannungswandlung zu erreichen. Das Hauptaugenmerk ist auf die symmetrische Zusammenschaltung am Ausgang zu legen. Zusätzlich muss der Ausgang über einen Balun erdfrei vom koaxialen Ausgang entkoppelt werden.


    73

    Günter

    "For every complex problem there is an answer that is clear, simple, and wrong" (H.L. Mencken)

  • Hallo Günter,

    danke für die schnelle Antwort.

    Der LMH6229 kann (wie die meisten dieser speziellen low-noise Typen) nur etwas mehr als 2 Vpp am Ausgang treiben an 100 Ohm. Bei Leistungsanpassung bleiben also noch 1 Vpp an 50 Ohm übrig, das ist zu wenig.

    Bei zwei Stück steigt eben die Ausgangsleistung ohne zusätzliches Spannungsrauschen durch eine weitere Verstärkerstufe. Laut Simulation sinkt das Rauschen sogar durch die Parallelschaltung.

    Zusätzlich muss der Ausgang über einen Balun erdfrei vom koaxialen Ausgang entkoppelt werden.

    Auch das CAT5 Kabel habe ich mir bei LZ1AQ abgeschaut und bin bereits bei der letzten Version gut damit gefahren. Davor hatte ich zwar auch einen BalUn (25 µH Gleichtaktdrossel), aber den halte ich mittlerweile für unsinnig. Die Bezugsmasse des Verstärkers hängt je eh nur (über eine Drossel) am Kabel.

  • Der LMH6229 kann (wie die meisten dieser speziellen low-noise Typen) nur etwas mehr als 2 Vpp am Ausgang treiben an 100 Ohm

    Ich bin mir nicht schlüssig, ob die Datenblatt Rauschwerte, die nur in einer ganz speziellen Beschaltung gelten, in der speziellen Anwendung für eine Loop Antenne eine ausschlaggebende Rolle spielen oder ob da andere begrenzende Faktoren zu berücksichtigen sind. Das gleiche gilt für eine große Aussteuerbarkeit von mehr als 2V (50mVeff sind S9 +60dB) . Wichtiger erscheint mir eine hohe Linearität 2. und 3. Ordnung bei Mehrsignalaussteuerung.


    Ich selber benutze für solche Anwendungen als Opamp bevorzugt den LTC6228. Er wird mit 10V Single Supply betrieben, ist sehr rauscharm und auch an 100 Ohm Lasten sehr linear.


    Denkbar wäre auch eine Schaltungsanordnung die anstatt eines Gegentakt-Übertragers mit drei solcher OPs als Instrumentenverstärker arbeitet. Die Eingangsstufen als Transimpedanzverstärker und die Ausgangsstufe differentiell um die gewünschte Symmetrie zu erreichen.


    73

    Günter

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  • Wären für euch ein 1 dB Kompressionspunkt von nur 3,5 Vpp ein Problem? Würdet ihr einen diskreten Ausgangstreiber (z.B. mit BFP196W) probieren?

    Bei einer Breitband Aktivantenne ist eine möglichst hohe Linearität aka möglichst geringe Intermodulation anzustreben. Die wichtigsten Kennwerte sind m.E. ein ausreichend hoher IP2 und IP3. Weniger eine möglichst hohe Spannungsaussteuerbarkeit.


    Ein diskreter Ausgangstreiber kann schon Sinn machen. Ich treibe mit dem HF-OPamp gerne eine komplementär-Emitterfolger Gegentaktendstufe mit simplen aber hochlinearen 2N2222A /2N2907A bzw. deren Medium-Power Äquivalent im SOT223 Gehäuse. Wenn man diese bewährten Transistoren aus einer niederohmigen Quelle wie einem Opamp treibt, sind sie bis VHF einem dezidierten schnellen HF-Transistor überlegen und auf jeden Fall stabiler und gutmütiger. Die Ausgangsimpedanz einer solchen Stufe beträgt nur wenige Milliohm bis Ohm, sie kann auch recht niederohmige Lasten treiben . Der Nachteil ist ein hoher Ruhestromverbrauch eines solchen AB-Buffers, den ein OpAmp so nicht hat.



    73

    Günter

    "For every complex problem there is an answer that is clear, simple, and wrong" (H.L. Mencken)

  • Mit der Betrachtung des IP3 hast du natürlich Recht, Günter.

    Den 1 dB Kompressionspunkt kann ich mir eben einfach vorstellen und er lässt sich (soweit ich weiß) zuverlässig simulieren.

    Beim LMH6629 ist sogar der OIP3 im Datenblatt angegeben, was auch immer mit "composite" genau gemeint ist. Ich nehme mal an, dass die Differenzielle Verschaltung und die Serienwiderstände zur Leistungsanpassung ihre Effekte gegenseitig aufheben; wären bei 25 MHz also ein OIP3 von 31 dBm.


    Beim Vorgänger mit dem LMH6703 und 10 V Versorgungsspannung hatte ich den OIP3 mal mit 40 dBm gemessen. Ich hoffe das war damals richtig.

    Der TS-590S hat einen IIP3 von 29 dBm. Bedeutet das, dass mehr am Antennenverstärker sowieso nichts bringt?


    Einen diskreten Ausgangstreiber mit dem 2N2222A habe ich jetzt mal simuliert. Für mich war das Ergebnis überraschend gut (wie du ja schreibst, Günter), aber eben auch im Rauschen nicht besser als mit dem OPA2674. Ob nun 4,8 nV/sqrtHz oder 8,X ist eben nicht egal. Ich probiere mal mit einem "synthetischen Anpasswiderstand" Link herum, vielleicht lässt sich damit die einstufige Schaltung in der Großsignalfestigkeit optimieren.

  • Hier noch eine Zusammenfassung der aus der Simulation ermittelten Daten zur Schaltung aus dem ersten Beitrag.

    - Die Grenzfrequenzen von Hoch- und Tiefpass sind von der konkreten Antenne abhängig und daher weit weg vom Nutzbereich gelegt

    - Das Eigenrauschen ist wie bereits geschrieben "benchmark", trotzdem: 6 nV/sqrtHz entsprechen bei 2,4 kHz Bandbreite -9 dBµV / S2.

    - 1 dB Kompressionspunkt: 4,8 Vpp, vorher hatte ich den Trafo vergessen. Das ist deutlich mehr als das Datenblatt verspricht, ich hoffe die Simulation hat keinen Fehler.

    - der Simulation des IMD3 traue ich nicht so recht, aber bis 5 Vpp bleiben die IM-Produkte konstant

  • der Simulation des IMD3 traue ich nicht so recht, aber bis 5 Vpp bleiben die IM-Produkte konstant

    Wie simulierst du IMD3?
    Am sinnvollsten ist eine zweite Stromquelle mit 1...3 MHz unterschiedlicher Frequenz zu addieren um eine Zweitonaussteuerung zu erhalten. Und dann LT-Spice die FFT einer Transienten Simulation über viele Perioden berechnen lassen.


    73

    Günter

    "For every complex problem there is an answer that is clear, simple, and wrong" (H.L. Mencken)

  • Oh, entschuldigung, das war unklar formuliert und die Bilder waren falsch beschriftet.

    In den Bildern "IMD3_XXX.png" war schlichtweg die zweite Oberwelle bewertet, dieser Simulation würde ich erstmal trauen.

    Einen IMD3 wollte ich nicht simulieren, weil ich weder das Modell des OpAmps noch die Details der FFT kenne.


    Spaßeshalber habe ich den IMD3 mal simuliert, siehe Anhang.

  • Um ein Gefühl für die Machbarkeit eines hoch symmetrischen Layouts zu bekommen, habe ich mal in KiCAD losgelegt.

    Symmetrisch müssen ja sowohl die parallelgeschalteten Verstärker untereinander, als auch die komplementären Seiten sein.


    Dazu habe ich die Gleichtaktdrosseln (WE SL2) zu Gegentaktdrosseln verschaltet. Ich habe soetwas noch nie gemacht und hoffe, dass es so gehen sollte.

    Die DC-Block Kondensatoren an den Ausgängen der OpAmps sind entfernt, bei 150 µV Eingangsoffset und 25 Ohm in Reihe wird wohl keine Drossel in Sättigung getrieben.


    Frage an die Mitleser: was haltet ihr von L13 / L14? Habt ihr eine solche Symmetrierung schonmal gesehen und funktioniert das?