PUFF, ein HF-Simulator

Einfacher Verstärker ca. 6 dB mit BFR193

Der BFR193 von Infineon ist gängig und günstig, man bekommt ihn nicht nur bei z.B. Reichelt oder Conrad.
Auch ist er recht gutmütig, nur geringe Schwingneigung, wenn man es nicht mit der Verstärkung übertreibt.
Ein HF-Transistor für viele Zwecke, eine Art eierlegende Wollmilchsau, ist rauscharm und kann Pegel machen.

Der normale Hobbyelektroniker kommt jetzt ins Schleudern, wo ist da in der Simulation die Betriebsspannung?
Daß eine Betriebsspannung vorhanden ist, wird bei solchen HF-Simulatoren stillschweigend vorausgesetzt.
Damit das klar wird, wie es mit der Betriebsspannung aussieht, noch ein normales Schaltbild.
HF-Simulatoren werten Betriebsspannungen als perfekte HF-Masse, wie es bei der idealen Spannungsquelle gilt.
Die Bauteile, die im Schaltplan an Betriebsspannung angeschlossen sind, verbindet man in der Simulation mit GND.
Damit das auch mit GND in der Realität gut funktioniert, setzt man nicht sparsam Abblockkondensatoren.
Im Schaltbild sind das links oben die drei Kondensatoren, es dürfen auch gern mehr sein.
Bei den kleineren Werten müssen es schon Keramikkondensatoren sein, möglichst SMD, nicht bedrahtet.
Tantal taugt halbwegs für HF, macht sich deutlich besser als der Einsatz von Al-Elkos.
Bei kleineren Kondensatoren bis wenige nF sollte man möglichst NP0/C0G nehmen, wesentlich besser als z.B. X7R.

Die S-Parameter beziehen sich immer auf eine Schaltung, bei der der Emitter direkt auf Masse gelegt wird.
Wir wollen jedoch am Emitter einen Widerstand anschließen, gibt kleinere Verstärkung bei höherer Stabilität.
Damit das in der Simulation funktioniert, darf das aktive Bauteil nicht mehr dev heißen, wir nehmen indef.
Vom Prinzip her rechnet Puff dann die Werte um und kann den Transistor wieder als device behandeln.

Man schaue in die Datei bfr193.s2p, da ist oben der DC-Arbeitspunkt angegeben.
Merkte ich etwas spät, mit der Schaltung ist Uce = 5 V nicht zu schaffen, eigentlich müsste Ub = 8 V sein.
Ist nicht so wild, die 40 mA Kollektorstrom sollten jedoch brauchbar auf etwa +/- 5 mA stimmen.
Wer die Schaltung nachbauen will, sollte 8 oder 9 statt 12 V nehmen, muss jedoch den Spannungsteiler umrechnen.
Grob überschlagen taugt der Verstärker locker bis 10 dBm Ausgangspegel.

Der Spannungsteiler aus 68 Ω und 680 Ω dient hauptsächlich dazu, um in den richtigen DC-Arbeitspunkt zu gelangen.
Auch hat der Widerstand 68 Ω noch einen weiteren Effekt, bringt unseren Eingang recht gut auf 50 Ω.
Am Ein- und Ausgang die Kondensatoren bestimmen zwar auch die Anpassung, dienen aber hauptsächlich zur DC-Trennung.
Alle Angaben nH sind als parasitäre Werte der Bauelemente zu verstehen, sind keine zusätzlichen Spulen.
Bei Widerständen SMD 1206 kann man so etwa mit 1 bis 2 nH rechnen und bei bedrahtet mit 10 bis 20 nH.

Einfach nur fertige Schaltung laden und schöne Werte angucken ist langweilig.
Viel spannender ist es, die Bauteilwerte abzuändern und zu schauen, was dann passiert!
Manche Werte haben nur geringen Einfluss, andere beeinflussen Verstärkung, Frequenzgang und Anpassung sehr stark.
Das Bauteil b (Emitterwiderstand), lumped, hier mit 10 Ω parallel 1,5 pF, ist so ein Kandidat für starke Änderungen.
Wir machen aus 1,5 pF spaßeshalber 150 pF und simulieren.
Die Verstärkung geht drastisch nach oben, jedoch Maximum bei einer Frequenz, kein halbwegs glatter Frequenzgang.
Wir setzen wieder 1,5 pF ein und variieren den Widerstand im Bereich 3 bis 30 Ω.
Setzen wir 30 Ω ein, ist die Verstärkung irgendwo in der Gegend 1, jedoch mit leichtem Hochpasscharakter.
Bei kleinem Wert, z.B. 3 Ω, wird die Verstärkung höher und der Pegel fällt mit steigender Frequenz merklich ab.
Kombiniert man Widerstand und Kapazität geschickt, schafft man in einem weiten Bereich einen glatten Frequenzgang.

Wir spielen mal mit d, dem Kondensator am Ausgang herum, setzen 10 pF ein.
Bei tiefen Frequenzen verhält sich der Verstärker wie ein Abschwächer, hat aber mehr als 6 dB bei 435 MHz.
Leider ist in dem Fall die Ausgangsanpassung sehr stark in Mitleidenschaft gezogen, unschön.
So etwa 47 bis 470 pF macht sich ganz gut, wir wissen jetzt, der Kondensator 100 pF ist vom Wert eher unkritisch.

Bleiben wir in der Gegend und ändern Bauteil c, den Widerstand zwischen Kollektor und Betriebsspannung.
Der hat hauptsächlich Einfluss auf die Anpassung am Ausgang, man beachte die blaue Kurve S22.
Beinahe vergessen, man muss in F2 auf eine leere Zeile gehen und dort S22 eintippen, keine Standardeinstellung.
Ist man nach einem Simulationsdurchlauf auf so einer Zeile und drückt <Shift> und <0>, erscheinen Xs, Rs und L.
Für großes Smith-Diagramm drückt man <Alt> und <s>, kommt auch mit der Tastenkombination wieder zurück.
Wer das alles durchprobiert hat, merkt, einen Wunschverstärker hinzubekommen, ist gar nicht so einfach.

73 de DL2JAS, Andreas

Bauvorschlag für den Verstärker

Im Bild der Verstärker ist zwar auch mit BFR193 gebaut, jedoch für einen spezielleren Zweck.
Der ist auf rauscharm gezüchtet, Empfangsvorverstärker, und zudem recht breitbandig, ein paar mehr Bauteile.
Dennoch ein gutes Beispiel, wie man HF-Verstärker sinnvoll für wenig Geld bauen kann.
Das Weißblechgehäuse stammt von einem TV-Tuner, bekam ich damals mal günstig NOS als Restposten.
Die Platine ist FR4, oben Lötaugen Punktraster und unten Massefläche, ließ ich mir mal anfertigen.
Im Bild der Verstärker ist soweit SMD, jedoch mit hochwertigen Spulen Silberdraht, handgewickelt.

So wie im ersten Bild muss man nicht bauen, es geht auch für nicht zu hohe Frequenzen wie KW einfacher!
Man nehme gängige Punktrasterplatine einseitig, jedoch FR4, besser nicht Hartpapier.
Lange Leiterbahnen GND vermeiden, die haben eine meist nicht vernachlässigbare parasitäre Induktivität.
Wie ich in der Simulation zeigte, in manchen Fällen ist bei Bauteilen eine parasitäre Induktivität angenehm.
Fast immer trifft das beim Kollektorwiderstand zur Betriebsspannung zu, da passt bedrahtet.
Ist der Ein- oder Ausgang kapazitiv, geht man naheliegenderweise mit bedrahtetem Bauteil an die Buchsen.

Im zweiten und dritten Bild eine Punktrasterplatine, mit der ich einen Verstärker bis etwa 50 MHz aufbaute.
Die doppelseitige Platine bekommt man aktuell für 4,25 Euro mit SMA-Buchsen bei box73 (Funkamateur):
Universalmodul
Sehr von Vorteil ist die durchgehende Masse rundherum, die Platine taugt auch noch für Schaltungen 2 m.
Wie man sieht, verwendete ich dort sinnvolle Mischbestückung, SMD und bedrahtet.
Leider ist die Platine von box73.de was klein, reicht aber für die Schaltung in der Simulation zuvor.

73 de DL2JAS, Andreas

Beispiel Puff mit allen vier Ports

Anfangs schrieb ich, mit PUFF gehen bis zu vier Ports, RFSim99 kann diese Simulation nicht.
Bis jetzt brachte ich Beispiele, Antennen und Verstärker, die direkt praxistauglich sind, 1:1 nachbaubar.
Hier das Beispiel mit dem Koppler ist eher als theoretisches Beispiel zu verstehen, grundsätzliche Betrachtung.

Es handelt sich um einen Koppler, Rückwärtskoppler, wie man ihn in einfacheren SWR-Metern findet.
Man schaue sich kurz an, was dazu in Wikipedia steht:

Stehwellenmessgerät – Wikipedia

de.wikipedia.org

Recht weit oben rechts ist das Prinzipschaltbild, hier als Simulation etwas angepasst/vereinfacht umgesetzt.
Dort im Prinzipschaltbild sieht man einen Koppler mit drei Leitungen, kennt Puff nicht.
Hier sind es zwei einzelne Koppler hintereinander geworden, einer für Vorwärts- und der zweite für Rückwärtsleistung.
Statt den Dioden im Prinzipschaltbild nahm ich Widerstände 1000 Ω und Ports 50 Ω statt Voltmeter.
Im Simulationsbeispiel befindet sich am Ausgang eine Antenne mit ca. 37 Ω in Resonanz, Lambda/4.
Sieht man nicht sofort, Port 4 mit 50 Ω (perfekte Anpassung) und dazu parallel lumped d mit 140 Ω.

Was sagen uns die Ports?
Port 3 ist der Eingang des simulierten SWR-Meters, an dem unser Funkgerät angeschlossen wird.
Der Ausgang des SWR-Meters ist Port 4, der 50 Ω hat.
Bauteil d, lumped, dient lediglich dazu, Fehlanpassung zu erzeugen, Stehwelle.
An Port 1 sehen wir die Vorwärtsleistung und an Port 2 erscheint die Rückwärtsleistung bei Fehlanpassung.
S43: Ist bei guter Anpassung praktisch 0 dB (voller Durchgang), sinkt zunehmend bei Fehlanpassung.
S33: Reflexion, hier in der Musterschaltung ca. -100 dB bei praktisch perfekter Anpassung am Ausgang.
Problem, S43 und S33 können wir schön simulieren, jedoch nur mit einem (vektoriellen) Netzwerkanalysator anzeigen lassen.
Der Koppler ist so nett und liefert uns dafür Werte dem Betrag nach (Gleichrichtung mit Dioden) an den Ausgängen 1 und 2.
S13: Indikator für die Eingangsleistung, hier fast konstant, ca. -53 dB bei Designfrequenz 500 MHz.
Direkt in Puff kann man die Leistung nicht verändern, um hier was zu sehen, kann man einen Eingangsabschwächer setzen.
Man beachte die Abhängigkeit von der Frequenz, je kürzer der Koppler bezogen auf Lambda, desto weniger Pegel.
S23: Indikator für die Rückwärtsleistung, bei guter Anpassung ca. -100 dB und bei böser Fehlanpassung ca. -53 dB.

Die interessierteren Leser werden vermutlich simulieren wollen, wieder wie zuvor .TXT bei der Datei SWRKOP1.PUF entfernen.
Hauptsächlich interessant ist Bauteil d, lumped, bei dem aktuell 0140Ü -j00Ü eingetragen ist.
Man variiere die Werte, Real- und Blindanteil, um je nach Wunsch viel oder wenig Fehlanpassung zu simulieren.
Schnell sieht man, S33 korreliert mit S23, der Fehlanpassung, die hier mit einer Spanne von gut 40 dB angezeigt wird.
Wer will, kann noch die Länge bei den Kopplern, clines, abändern, gab ich in Grad an, bezogen auf fd mit 500 MHz.
Damit ein SWR-Meter von der Länge her nicht unhandlich groß wird, sollte der Wert möglichst klein sein.
Haken an der Sache, dann wird natürlich auch der Pegel an den Ausgängen kleiner, ärgerlich beim Gleichrichten.

Ich bin soweit mit der Vorstellung von Puff durch, ganz einfache Schaltung bis hier zum anspruchsvollen Beispiel Koppler.
Puff kann noch ein paar Sachen mehr, die sollte sich der geneigte Leser im Handbuch ansehen, wird hier sonst zu speziell.
Im Alltagsgebrauch nehme ich meist RFSim99, dafür werde ich keine eigene Vorstellung schreiben, da wesentlich bekannter.
Es ist angenehmer zu bedienen, hat einige Vorteile, kennt z.B. im Gegensatz zu PUFF stability circles, sehr praktisch.
RFSim99 hat auch Macken, echte Bugs im Programm, die man teilweise nicht sofort bemerkt, z.B. unplausible Ergebnisse.
Wenn ich demnächst mit RFSim99 HF-Schaltungen vorstelle, sich ein gutes Beispiel ergibt, gehe ich darauf ein.

73 de DL2JAS, Andreas