IF Verstärker mit "Norton-Amplifier"

Zitat von chirt

Hallo

Vielleicht kann mir jemand weiterhelfen beim Verstehen und Berechnen eines "Norton-Verstärkers"?
Darüber hinaus interessiert mich natürlich jeder gute Hinweis auf Infoquellen und die allgemeine Diskussion über diese Art des ZF Verstärkers. Ich hoffe dieses Thema ist nicht schon so durchgekaut, daß es niemand mehr interessiert.

Hallo Christian,
es gibt auch noch was bei Detlef Lechner: Kurzwellenempfänger. Militärverlag der DDR, 1985, S. 173-175
Kann es Dir gerne einscannen und per e-Mail zusenden.
73 de Heiko, DL2VER

Lbr chirt,

im allgemeinen wird der Basisteiler für einen Transistor so berechnet, daß das Anheben der Basisvorspannung über Grund der Kollektorwechselspannung möglichst wenig Spannungshub wegnimmt, zu anderen soll die Vorspannung doch so hoch sein, daß sich im Zusammenspiel mit dem Emitterwiderstand eine genügende Gleichstromgegenkopplung ergibt.

Normalerweise wähle ich als Basisspannung über Grund 2,7 Volt. Am Emitter liegen dann bei Siliziumtransistoren 2,0 Volt. Der Emitterwiderstand ist dann 2V geteilt durch den gewünschten Emitter- oder auch Kollektorstrom. Mit dem Kollektorstrom ist auch der in etwa auftretende Basisstrom des Transistors bekannt. Damit der Basisteiler ein Spannungsteiler bleibt, sollte der Querstrom durch den Basisteiler möglichst 10 mal so hoch sein wie der Basisstrom.

Nur bei der Kollektorbasisschaltung wählt man üblicherweise den Basisteiler so, daß die Basis auf der halben (gesiebten bzw gut abgeblockten) Betriebsspannung liegt.

Das wäre eigentlich alles an Regeln.

OK?

Hallo Christian,
am Emitterwiderstand sollten etwa - Faustregel für sichere Betriebsweise - 20% der Betriebsspannugn abfallen, daher etwa 2 V bei 10 V Betriebsspannung. Die Wicklungsverhältnisse mit unterschiedlichen Windungszahlen gelten für eine Anschlussimpedanz von Eingang = Ausgang = 50 Ohm. Bei gleichen Windungszahlen in der Kollektorwicklung ist die Wicklung bifilar einfacher herzustellen, die Schgnittstellenimpedanz jedoch nicht mehr 50 Ohm. Bei kaskadierten breitbandigen Verstärkern muss das aber auch nicht unbedingt sein. Berechnungsgrundlagen für die 50-Ohm-Variante findet man in der von Dir angegebenen Literatur.
Achtung: Mit sehr rauscharmen GHz-Transistoren schwingt der Nortonverstärker fast immer!!! Vor allem bei höheren Verstärkungen. Manchmal hilft dagegen ein kleiner Kondensator von wenigen pF zwischen Basis und Emitter, der sich bei tieferen Frequenzen nicht bemerkbar macht. Bei R&S wird diese Schaltung häufig eingesetzt. Zur Vermeidung von Schwingen legen die Ingenieure eine sorgfältig dimensionierte Serienschaltung aus R und C zwischen Kollektor und Emitter. Diese Schwingneigung ist insbesondere dann kritisch, wenn die Verstärkerkette nicht reell abgeschlossen, sondern an Ein- und Ausgang mit Blindanteilen, wie z. B. Filtern abgeschlossen wird. Dann kann ich nur empfehlen, die zweite Stufe als Emitterstufe mit etwas höherem Kollektorstrom (IM-Festigkeit) aufzubauen, um die Gesamt-Rückwärtsisolation zu erhöhen.
73, Uli, DK4SX

Hallo, Christian,

Zitat

1. Wie kann ich theoretisch die notwendige Basisvorspannung berechnen (praktisch für den BFG135a)? Gerade zu diesem Punkt finde ich leider im Web und in der Literatur so gut wie nichts ?

Du könntest z.B. als Basisvorspannung 1/3 von Ub nehmen. Damit fällt über dem Transistor nur noch ca. 10V ab und die Verlustleistung wird nicht zu groß. Über den Emitterwiderstand stellst du dann den notwendigen Betriebsstrom ein.
Die erste Stufe wird, für hohe Rauscharmut und je nach gewünschtem Inband IIP3, mit wenig Strom (z.B. ca. 5...15mA) betrieben. Die folgende Stufe sollte min. 3dB höheren IIP3 haben als der OIP3 (IIP3 + Pg) der vorhergehenden Stufe (Faustregel). Um dies sicherzustellen spendierst du der 2. Stufe z.B. den 3..4 fachen Strom.

Die 10pF C's kannst du zwar im Layout vorsehen sind aber für den Anfang nicht notwendig. Diese bilden mit der Eingangswicklung eine Anpassglied (hier Aufwärtstransformator). Die Größe der Kapazität hängt von der Eingangswicklung bzw. von der äußeren Beschaltung ab und läßt sich, wenn überhaupt nötig, nur an einem Messplatz bestimmen.

Zitat

2. Der Verstärker hat 3 Wicklungen, deren Verhältnis entscheidend ist. Ich habe 2 Varianten gefunden: mit 3 unterschiedlichen Windungszahlen (z.B. 1-5-3) und mit 2 gleichen und der Rückkopplungswicklung. Welche Variante ist für meinen Zweck zu bevorzugen und wieso?

Betrachte fürs Erste nur die Ein- und Ausgangswicklung ohne Anzapfung. Die Anzapfung ist ja nur da um auf 50W zu transformieren. Nachfolgend eine kleine Tabelle mit den notwendigen Kollektorlastwiderständen für eine 50W Eingangimpedanz sowie die zugehörige Leistungsverstärkung Pg:

N (1 : xWdg) ..... RL .............. Pg
1:3 ................ 110W ........ ca. 6dB
1:4 ................ 160W ......... ca. 7dB
1:5 ................ 210W ......... ca. 7,5dB
1:6 ................ 260W ......... ca. 8dB
1:7 ................ 300W ......... ca. 8,5dB
1:8 ................ 360W ......... ca. 9dB
1:9 ................ 400W ......... ca. 9,5dB
1:10 .............. 460W ......... ca. 10dB
1:11 .............. 510W ......... ca. 10,5dB
1:12 .............. 570W ......... ca. 11dB
1:15 .............. 720W ......... ca. 12dB

Da die Eingangsimpedanz direkt von der Last abhängt würde sich z.B. die 1:8 Version (hier 1:5:3Wdg mit der 50W Anzapfung am Ausgang) hervorragend für einen praktischen Aufbau eignen. Man könnte zwei dieser Stufen nehmen und am Ausgang ein zusätzliches 3dB Dämpfungsglied vorsehen, das erhöht zusätzlich die etwas mickrige Rückwärtsisolation. Die 1:3 (1:1:2 Wdg) bzw. 1:15 Version (1:11:4Wdg) wäre aufgrund eines passenden "runden" Wicklungsverhältnisses selbstverständlich auch gut geeignet.

Zitat

3. Welcher Transistor ist für meine Zweck zu empfehlen (auch wenn ich den BFG135a schon liegen habe)?

Norton Verstärker schwingen sehr gerne, wie alle Basisschaltungen auch. Da eine Ferritperle schlecht auf den Kollektoranschluss beim BFG135A passt kann man sich bei Selbsterregung z.B. mit einem R/C Glied zwischen Kollektor und Emitter behelfen, die genaue Dimensionierung hängt aber von der Schaltung und der Frequenz bei der die Stufe schwingt ab.

Zitat

Leider bin jetzt aber auch daraufgekommen, daß mir gerade der 1984 Jahrgang vom Ham Radio Magazin fehlt und damit das oben erwähnte --> Joe Reisert, W1JR: Ham Radio Magazine Columne “VHF/UHF World, 11/1984 nicht verfügbar ist. Hat diesen Artikel jemand?

Email ist unterwegs. Wer den Artikel auch lesen möchte der kann das hier tun.

Ich hab bei mir noch einen Artikel gefunden, darin wird auch auf die Tauglichkeit diverser Transistoren eingegangen.
2m -Vorverstärker mit S/E-Umschaltung, Bernhard Kaehs, DL6MFI http://www.darc.de/uploads/media/2m_vv.pdf</a>
Der OM nimmt für seinen Zweck als Transistor den NE85639 (2SC4093) in der Norton Schaltung.

Ansonsten wird gerne der BFR96S vorgeschlagen. Um die Schwingneigung zu unterdrücken auf jeden Fall eine Ferritperle über den Kollektor einplanen und am besten mit einem Spektrum Analyzer kontrollieren.

Da die ZF 45 MHz beträgt, empfiehlt sich auch ein MMIC:
MGA 62563, verwendbar von 30 MHz bis 2 GHz..
Die Rauschzahl ist ca. 1dB, gain ca. 20dB, OIP3 +32dBm...
Bei richtigem Aufbau ist der MMIC unbedingt stabil.
( SMD, etwas fummelig zu verlöten)

Siehe UKW-Berichte 3/2005.

vy 73 de Bodo/DL2FCN

Nachsatz:
Hier ab Seite 15 der Artikel von I2FHW

http://www.rfmicrowave.it/catalogo/eng/F.pdf

vy 73 de Bodo/DL2FCN

Zitat von chirt

DL4ZAO: Bei der Schaltung des genannten 2m Vorverstärkers ist mir aufgefallen, daß der Emitterwiderstand direkt am Emitter VOR der Rückkopplungswicklung auf Masse geht. Bei allen anderen mir bekannten Schaltungen ist das immer nach der Wicklung die direkt am Emitter liegt. Der Grund?

ich denke nicht, dass es dafür einen besonderen Grund gibt. Der Emitterwiderstand ist ja lediglich zur Einstellung des Gleichstromarbeitspunktes erforderlich und daher in der Regel auch verdrosselt. Und da die Gegenkopplungswicklung beim Norton Verstärker in der erwähnten Schaltung nur eine Windung hat, macht es wenig aus, ob der Emitterwiderstand vor oder nach der einen Windung angebracht ist. Ich gehe davon aus, dass es bei der Schaltungsaulegung von DL6MF nur eine Frage des Layouts und der Stabilität ist, warum er die Emitterkombination so angeordnet hat.

Grundsätzlich gilt ja für den Norton Verstärker: Unter der Voraussetzung, dass die Leerlaufverstärkung des Transistors im Frequenzbereich hoch genug ist, hängt der Verstärkungsfaktor allein vom Transformationsverhältnis des Gegenkopplungstrafos ab.

Neben allen unbestrittenen Vorteilen dieser einfachen Schaltung sollte man allerdings auch einen Nachteil nicht unerwähnt lassen: die mangelnde Isolation zwischen Ein- und Ausgang.

73, Fred

Hi Christian,
das RC-Glied zwischen Emitter und Kollektor ist mit etwa 5,6 pF und 4,7 Ohm bemessen. Wenn Du keinen Spektrumanalyzer zur Verfügung hast um eine Schwingneigung zu erkennen, würde ich von der Norton-Schaltung Abstand nehmen. Mit entsprechend hohem Strom und der klassischen Spannungsgegenkopplung (R,C in Serie zwischen Kollektor und Basis) lassen sich auch Emitterschaltungen intermodulationsfest und stabil mit kleiner Rauschzahl realisieren. Den MMIC kann man schon verwenden - zur Erhöhung der Stabilität und der Rückwärtsisolation könnte man am Ausgang ein Dämpfungglied mit etwa 6 dB einfügen. Das MMIC ist aber nur geeignet, wenn der Eingangs-IP von 12 dBm ausreicht.
73, Uli, DK4SX

Hallo Christian,
Liebe Bastelgemeinde,

Anbei noch ein Datenblatt vom NE461M02 Transistor. Dieser Transistor (erhältlich bei Digi Key) ist sehr rauscharm und auch für höhere Ströme einsetzbar. Mit dem BFG135 hatte ich so meine Schwierigkeiten einen mehrstufigen Nortonverstärker Aufbau stabil hinzubekommen. Die Schaltung für den 70.2 MHz Verstärker findest du anbei. Alles (bis auf das Quarzfilter) ist in SMD aufgebaut und die Drosseln in den Kollektorleitungen sind notwendig. Ich habe dafür Ferritdrosseln (z.B. Würth Elektronik 74 -279216, RS 669-4125) verwendet. Zum Messen der Intermodulationsprodukte habe ich zwei Varianten aufgebaut, die sich nur durch die Gegenkopplungswicklung des Transformators unterscheiden. Variante 1 hatte 1 Windung und Variante 2 hatte 2 Windungen. Die Variante 1 hatte dann eine Leistungsverstärkung von ca. 8.5 dB bei einem OIP3 von ca. 37dBm bzw. einem IIP3 von ca. 28.5dBm. Die Variante 2 ergab eine Leistungsverstärkung von ca. 5.5dB und hatte einen OIP3 von ca. 38.5dBm bzw. einen IIP3 von 33dBm. Die abgebildete Schaltung funktioniert schon seit längerem ohne irgendwelche Stabilitätsprobleme.

vy 73 de Klaus, OE2KHM aus Salzburg

Icom verwendet in den aktuelleren TRX (IC-7600, 7700, 7800) jeden Menge Nortonverstärker und setzt dafür auf allerlei vorbeugende "Beruhigungsmaßnahmen" für diese manchmal schwingfreudigen Stufen. Zu beobachten sind RC-Glieder von Emitter nach Masse, zwischen Emitter und Kollektor, Kollektorwiderstand (anstatt Ferritperle/Drossel), kleine Kapazität von Kollektor nach Masse, mit Widerstand überbrückte Eingangswicklung. Der Hersteller möchte wahrscheinlich für die Produktion, unter allen Umständen, Bauteiletoleranzen auffangen die womöglich zu unerwünschten Effekten führen würden, dies sagt aber nichts über die tatsächliche Stabilität der Verstärker ohne diese Maßnahmen aus.

Hi,
der Kollektorserienwiderstand ist ein probates Mittel um generell schwingfreudige Verstärkerstufen zu beruhigen. Das gilt für Basisischaltungen ebenso wie z. B. für Dual-Gate-Mosfets. Es muss unbedingt auf kürzeste Verbindung zwischen diesem Widerstand und dem Kollektor/Drain geachtet werden - das funktioniert mit SMD-Bauteilen sehr gut. Lediglich die Verstärkung der Stufe geht durch diese Maßnahme etwas zurück.
Der Anti-Schwing-Kondensator am Emitter sollte nicht nach Masse, sondern unmittelbar gegen die Basis geschaltet werden, denn sonst liegt er in Serie mit dem Basis-Block-C. Liegt dieses ungünstig im Layout, wirkt er nicht oder schlecht und muss im Wert zu stark erhöht werden.
73, Uli, DK4SX

Zitat von chirt

Ist das Thema erschöpft oder hat noch jemand Praxisbericht, Schaltungsidee, Quellen etc. ?

Bei Werner Schnorrenberg, DC4KU findet man viel Interessantes über HF-Front Ends und deren Design, stöbern lohnt sich.
http://www.mydarc.de/dc4ku/
73, Fred

Hallo Schaltungstechniker,

wer den ZF-Verstärker von DC4KU ohne Schwingneigung und mit vollem Regelumfang aufgebaut hat, möge mir berichten, wie er das gemacht hat.
Damit meine ich den mechanischen Aufbau.

73 de Olaf, DL7VHF