HF-Verstärker mit BC550?

Hier stelle ich einen einfachen Verstärker 1 bis 30 MHz mit BC550 und 10 dB vor.

Vorab, der Verstärker funktioniert soweit, man sollte ihn jedoch nicht exakt so nachbauen.
Es kommen mehrere Fortsetzungen, auch Nachbau mit Layout und Simulationen.
Auf Verbesserungen gehe ich ein, wenn frequenzabhängig die Messwerte folgen.

Was war das Ziel?
Möglichst einfach nachbaubarer Verstärker, der bis locker 10 dBm (10 mW) taugt.
Der reicht z.B. für Ringmischer 7 dBm wie den bekannten SRA-1W von Mini-Circuits.
Das Material soll möglichst wenig kosten und gut verfügbar sein, Bastelkiste.
Aufbau möglichst mit bedrahteten Bauteilen auf Punktrasterplatine.
Betriebsspannung typische 12 Volt, wie meist im Amateurfunk üblich.
Verstärker im klassischen A-Betrieb, also keine nennenswerten Oberwellen.

Wie kam ich auf die Idee, einen BC550 (BC546 bis BC550) zu nehmen?
Immer wieder reizt es mich, Transistoren, die eher für Audio sind, für HF auszuprobieren.
Wichtig dabei, der Transistor sollte eine hohe Transitfrequenz aufweisen.
Ein Klassiker ist der 2222A, der je nach Hersteller eine Transitfrequenz von über 300 MHz hat.
Beim BC550 ist es ähnlich, laut ON (siehe Bild) schafft man mit dem etwa 350 MHz.
Später gehe ich darauf ein, bei anderen Herstellern ist die Tansitfrequenz meist niedriger.
Die SPICE-Parameter zu dem sind bei ON auf der Homepage verfügbar.

Wie funktioniert die Schaltung?
Von der Grundschaltung her handelt es sich um einen A-Verstärker aus dem Lehrbuch.
Mit R1 und R2 parallel stellt man die Grundverstärkung ein, unterer Frequenzbereich.
Zusätzlich hat er am Emitter Kondensatoren, Kompensation beim Frequenzgang.
Die sorgen zu den höheren Frequenzen hin für mehr Verstärkung.
Würde man auf die verzichten, knickt die Verstärkung zu früh ab.
Der Arbeitspunkt des Verstärkers sollte 40 mA sein, gesunder Kompromiss.
Dafür ist die Serienschaltung aus R4 und R5 zuständig, Basisstrom.
Sehen wir später, man muss herumprobieren, stark abhängig von der Transistorverstärkung.
Manch Leser wird sich fragen, wozu die Induktivität L1 am Eingang dienen soll.
Die Eingangsimpedanz des Transistors ist deutlich frequenzabhängig.
Ohne L1 knickt der Verstärker wieder zu früh ab und das SWR wird teilweise unschön.
Es geht aber auch ohne L1, dann noch bis etwa 20 m mit guter Eingangsanpassung.
Oben der Kondensator C5 mit 100 nF ist ein kleiner Trick.
Für HF relevant sind dann nur noch R6 und R7 mit je 27 Ω, zusammen 54 Ω.
Die Verlustleistung wird besser aufgeteilt, der Transistor wird weniger warm.

Die Diskussion ist eröffnet!
Demnächst Fortsetzung, vermutlich zuerst Simulation, auch mit S-Parametern.

73, Andreas

Freut mich, das Thema scheint doch interessant zu sein!

Eigentlich wollte ich nur ein wenig mit BC550 herumprobieren.
Dann dachte ich mir, ich schreibe was darüber, selbst bei einem Bauchplatscher.
Wird noch interessant, ich probierte mehrere Transistoren, verschiedene Hersteller.

Der BF199 ist zwar angenehm schnell, taugt jedoch nur für kleine Pegel.
Sein Limit ist 25 mA Kollektorstrom, 10 dBm bekommt man an 50 Ω nicht hin.
Es ist halt ein alter Klassiker, beispielsweise für Keramikfilter ZF 330 Ω.
Hergestellt wird er noch, werden aber weniger Firmen.

Am bekanntesten dürfte gerade bei den Amerikanern der 2222A sein.
Mit dem geht was, gibt aber teilweise Anpassungsprobleme am Eingang.
Günter erwähnte den 2N3904, auch ein gut erhältlicher verlockender Transistor.
Anbei der Verlauf der Transitfrequenz in Abhängigkeit vom Kollektorstrom.
Ganz aussagekräftig ist das Diagramm von ON nicht, gilt für Uce = 1 Volt.
Wesentlich schöner sieht es bei dem von Diodes Incorporatet aus, Uce höher.
Die geben in einem weiten Bereich eine Transitfrequenz von über 400 MHz an.

73, Andreas

Simulationen mit LTspice und RFSim99

Beide Simulatoren sind kostenlos, kann man frei herunterladen, funktionieren unter Win.
RFSim99 ist ursprünglich für Windows 98, man bekommt aber auch eine Version für aktuelles Win.
Beide Simulatoren haben ihre Vor- und Nachteile, ergänzen sich jedoch sinnvoll.

Mit SPICE-Simulatoren wie LTspice kann man prima DC-Arbeitspunkte ermitteln.
Man schaue in das dazugehörige Schaltbild, gute Richtwerte für die Arbeitspunkteinstellung.
Wie ich zuvor schrieb, 40 mA Ruhestrom ist ein guter Wert, wenn man 10 dBm erreichen will.
Im Bereich 10 mA bis 70 mA, Aussteuerungsbereich, geht die Transitfrequenz nicht unter 300 MHz.
Bei 10 mW, 10 dBm, ist die Ausgangsspannung noch recht sauber, praktisch oberwellenfrei.
2 dB darüber sieht es anders aus, da ist man schon merklich im Bereich der Kompression.
Das Oszillogramm bekommt man, wenn man bei der Simulation .tran verwendet.
Eigentlich ist .tran für das Startverhalten, Einschwingen, gedacht, hier uninteressant.
Unten die Simulationsdatei für die Schaltung, wieder vorher .txt entfernen.
Der BC550 von ON muss nicht extra geladen werden, die Parameter sind im Schaltbild eingetragen.

Wesentlich interessanter für Hochfrequenz ist der auf S-Parametern basierende Simulator RFSim99.
Dafür benötigt man natürlich Dateien, die bei Transistoren vom Typ .s2p sind.
Eine für den Arbeitspunkt 40 mA ist unten zum Herunterladen, erstellt aus SPICE-Parametern.
Die Datei sollte auch ohne Umschreiben mit den Simulator PUFF funktionieren.
PUFF ist etwas empfindlich, stürzt gern mal bei Syntaxfehlern in der Datei .s2p ab.

Man beachte den Schaltplan, der gegenüber dem eingangs viele Induktivitäten enthält.
Fast alle sind parasitär, können je nach Frequenz jedoch gewaltig stören.
Die mit 3 nH sind die Anschlussbeinchen des Transistors im Gehäuse TO-92.
3 nH ist bei Kurzwelle meist gut vernachlässigbar, jedoch nicht mehr ab ernsthaft VHF.
Bei bedrahteten Widerständen vom Typ 0207 darf man Pi mal Daumen 15 nH ansetzen.
L1 mit 220 nH plus 15 nH von R3 ergibt dann 235 nH, deswegen der scheinbar krumme Wert.
Ähnlich bei R6 und R7 in Serie, sind dann zusammen 30 nH, langsam für Kurzwelle interessant.

Im ersten Diagramm mit RFSim99 sieht man S21, die Verstärkung im Bereich 1 bis 50 MHz in dB.
Die Simulation meint 10 dB, tatsächlich gemessen eher 9 dB, ich gehe später darauf ein.
Auch sieht man unten blau die Ausgangsanpassung, im ganzen Bereich besser -20 dB.
Viele Leser können mit Smith-Diagrammen eher wenig anfangen, die beiden letzten Bilder.
S11 ist die Eingangsanpassung und S22 die Ausgangsanpassung, bezogen auf 50 Ω.
Befindet man sich im Mittelpunkt des Diagramms, hat man perfekte Anpassung.
Hier ist in beiden Fällen die Anpassung recht gut, sollte etwa SWR = 1,1 entsprechen.

73, Andreas

Günter, würdest Du breitbandig transformieren?

Mir ging es schon darum, zu zeigen, daß man gut am Ein- und Ausgang Anpassung 50 Ω hinbekommt.
Als eine Art Endstufe ist die einfache Transistorschaltung bestimmt nicht gedacht.
Da würde ich vermutlich was wie bei MMICs üblich probieren mit L zwischen Ub+ und Kollektor.
Je nach Anwendung ist eine gute Anpassung schon wichtig.
Keinesfalls sollte man da bei Filtern schludern, gibt schnell verbogenen Durchlassbereich.
Wir probierten das mal, anderes Forum, mit ZF-Filtern 10,7 MHz.
Das waren Keramikfilter von Murata, wollen meist 330 Ω am Ein- und Ausgang sehen.
Eventuell zeige ich es als Kür mit BC550, mit dem sollte auch 330 Ω gut funktionieren.

73, Andreas

Reinhold, richtig erkannt!

Der BF199 ist ein Klassiker für eher hochohmige Verstärker wie ZF-Verstärker.
Direkt an 50 Ω geht mit dem nicht viel Pegel.
Übertrager 4:1, UnUn, kann man machen, hier mit Kanonen auf Spatzen geschossen.
Das ist ja Sinn und Zweck meines Themas, ob es auch einfach und günstig mit BC550 geht.
OIP ist hier reichlich uninteressant, soll auch kein rauscharmer Empfangsvorverstärker werden.
Anfangs nannte ich einen sinnvollen Verwendungszweck, z.B. für Ringmischer 7 dBm geeignet.
Da ist der dann sauber, also oberwellenarm, um ungewollte Mischprodukte zu vermeiden.
Hier in dem Zusammenhang ist der Kompressionspunkt -1dB interessanter und aussagekräftiger.

73, Andreas

Ich habe die Simulationsdateien vergessen!

Jetzt kann man sie unten herunterladen.
Die mit S-Parametern .s2p gilt für 40 mA und Uce = 8 Volt, BC550 von ON.
Bei PUFF bin ich mir nicht mehr sicher, ob die so akzeptiert wird.
Wenn nicht, vorher alle mit ! beginnenden Zeilen entfernen, Kommentarzeilen.

Anbei eine zweite Verstärkerversion, ebenfalls 10 dB, diesmal mit Gegenkopplung.
Der Widerstand 33 kΩ ist für den Ruhestrom 40 mA, wird für HF mit 22 nF kurzgeschlossen.
Die Schaltung sieht etwas anders aus als die von Günter, ist aber das gleiche Prinzip.
Wie zu erwarten ist die Anpassung nicht so schön, jedoch für die Praxis tauglich.
Das SWR bleibt unter 1,5 im interessanten Bereich von 1 MHz bis 30 MHz.
Als Beispiel, für den Fall 7 MHz kommt ein SWR von 1,2 am Ausgang heraus.
Mit Gegenkopplungsschaltungen muss man etwas aufpassen, können zum Schwingen neigen.
Ist hier nicht der Fall, ich untersuchte es mit den stabilty circles bei RFsim99.
Meine ursprüngliche Version hat den Vorteil, daß die Schaltung sehr stabil ist.
Ist halt mit der frequenzabhängigen "Dummy Load" aus L1 und R3 am Eingang erkauft.
Für Interessierte, so etwa ab 50 MHz kommt man beim BC550 in die Gegend 50 Ω an der Basis.

73, Andreas

Ist anscheinend nicht so ganz angekommen!

Es ging mir nicht darum, einen speziellen Verstärker vorzustellen.
Ist man z.B. auf Rauscharmut aus, wird man einen anderen Transistor nehmen.
Ziel war es, den BC550 auf Eignung für HF-Anwendungen zu überprüfen.
Anfangs hatte ich nur eine ganz einfache Musterschaltung zur Beurteilung des HF-Verhaltens.
Dann machte ich daraus eine Schaltung, mit der man was in der Praxis anfangen kann.
Also bitte nicht zu viel in das Verstärkerchen hineininterpretieren!

73, Andreas

Günter, ist mir bekannt!

Das mit den Quarzoszillatoren ist so eine Nische.
Der BC550 ist durchaus rauscharm, jedoch bei niedrigem Strom.
Bei Anwendungen wie Phono- oder Mikrophonverstärkern macht der sich gut.
Der typische Kollektorstrom ist dann deutlich unter 1 mA und die Quelle hochohmig.
Deswegen ist der BC550 auch bei Quarzoszillatoren interessant.
Hier bei 40 mA gehen seine Rauscheigenschaften in den Keller.

73, Andreas