طراحی و تست تقویت کننده کم نویز – قسمت 2

در آخرین پست، روند فکری خود را در مورد طراحی تقویت کننده کم نویز در اطراف تراشه PGA-103+ از Minicircuits توضیح دادم. من با تعریف مشخصات، تبدیل آنها به شماتیک، انجام طراحی PCB و غیره شروع کردم. من سرانجام آن را توسط JLCPCB ساخته و مونتاژ کردم. این پست وبلاگ با استفاده از ابزارهای سرگرمی به کل فرآیند تست می پردازد. ابزارهای ضروری برای آزمایشگاه خانگی شما NanoVNA و TinySA Ultra هستند. این دستگاه های مقرون به صرفه به شما امکان می دهند مدارهای RF را در محدوده 5 تا 6 گیگاهرتز به طور موثر طراحی و آزمایش کنید.

مدت‌ها پیش در مورد مقایسه NanoVNA با تحلیلگر شبکه برداری N9952A Keysight پست کردم. همه ما شاهد عملکرد خیره کننده NanoVNA در محدوده فرکانس کاری آن بودیم. من در عملکرد او تردیدی ندارم. نتایجی که من در اینجا ارسال می کنم به اندازه کافی دقیق هستند که بتوان به زنجیره برای استفاده حرفه ای اعتماد کرد. TinySA Ultra برای برخی از اندازه گیری ها استفاده می شود.

طرح تست

قبل از اینکه به آزمایش تقویت کننده کم نویز بپردازیم، بیایید یک طرح آزمایشی آماده کنیم. یک برنامه آزمایشی به ما امکان می دهد تا به طور سیستماتیک نتایج مورد نیاز را آزمایش کرده و تولید کنیم. در مواردی که پارامترهای زیادی برای آزمایش دارید، برنامه آزمایشی قطعاً همه چیز را مرتب نگه می دارد.

جدول زیر تست های انجام شده و ابزار مورد استفاده برای آزمون داده شده را فهرست می کند.

اولین آزمایش شامل پاسخ فرکانسی کلی DUT است. با نگاهی ساده به ضریب بازتاب ورودی و بهره رو به جلو، عملکرد کلی تقویت کننده کم نویز را درک می کنیم.

در آزمایش دوم، ولتاژ تغذیه را از 5 ولت به 12 ولت تغییر دادم تا ببینم آیا تفاوت قابل توجهی در پاسخ فرکانسی ایجاد می کند یا خیر. تنظیم کننده ای که LNA را تغذیه می کند باید اطمینان حاصل کند که رفتار در محدوده ولتاژ ورودی ثابت می ماند.

تست سوم شامل tinySA Ultra برای اندازه گیری نویز دستگاه است. این پارامتر به ما می گوید که DUT چه مقدار توان نویز به سیگنال ورودی اضافه می کند. نویز کمتر حساسیت گیرنده را بهبود می بخشد.

در نهایت، پس از اینکه آمپلی فایر کم نویز من تمام این تست ها را گذراند، آن را به RTL-SDR وصل می کنم و از طریق سه راهی بایاس آن تغذیه می کنم. پیکربندی مانند این به ما این امکان را می دهد که از این LNA برای دریافت سیگنال های LRPT ماهواره آب و هوا بدون نیاز به منبع تغذیه اضافی استفاده کنیم.

تست پاسخ فرکانس پارامتر S

بیایید تنظیمات آزمایشی برای اندازه گیری پاسخ فرکانس تقویت کننده کم نویز خود را درک کنیم.

همانطور که در قسمت 1 توضیح داده شد، برای تغذیه مدار تقویت کننده به یک تی بایاس نیاز داریم.

در اینجا من DC را با استفاده از سه راهی که از قبل در موجودی آزمایشگاهم دارم تزریق می کنم. برای مشاهده تنظیمات دقیق من به تصویر زیر نگاه کنید.

من یک تضعیف کننده 3dB را به ورودی LNA وصل کردم که ممکن است لازم نباشد. این پورت فقط ورودی RF ورودی را می بیند. در انتهای دیگر برد LNA، منبع تغذیه DC ورودی را در حالی که سیگنال RF تقویت شده را بیرون می راند، می بیند. برق DC با استفاده از مدار Bias T در سمت راست تزریق می شود. در نهایت، یک تضعیف کننده 20 دسی بل در خروجی تضمین می کند که هرگز تحلیلگر شبکه را اضافه بار نمی کنیم.

من NanoVNA v2 را با یک تضعیف کننده 3dB و یک تضعیف کننده 20dB کالیبره کردم تا تلفاتی را که آنها وارد تنظیمات من می کنند جبران کنم. بنابراین، من فقط عملکرد LNA و مدار Bias T را ترکیبی ارزیابی می کنم. تلفات انحراف تقریباً 0.5 دسی بل تا 1 دسی بل قبلاً اندازه گیری شده است.

بیایید نتایج را ببینیم.

NanoVNA Saver، نرم‌افزار منبع باز که با NanoVNA ارتباط برقرار می‌کند، ویژگی‌های فیلتر باند گذر را محاسبه می‌کند و آن را به خوبی نمایش می‌دهد، همانطور که در بالا نشان داده شده است. فیلتر باند گذر دارای پهنای باند -3dB از 122.8 مگاهرتز تا 157 مگاهرتز است. این کاملاً به محاسبات نظری نزدیک است. همچنین، بهره فوروارد تقریباً 18.2 دسی بل است. صفحه داده PGA-103+ حداکثر بهره 22 دسی بل را نشان می دهد. با در نظر گرفتن این رقم، فیلتر باند گذر باید حدود 3 دسی بل تلفات ایجاد کند.

باند توقف پایین تر، تضعیف خوب > 60 دسی بل و افت شدید 129 دسی بل/اکتاو را نشان می دهد. در حالی که باند توقف بالاتر یک رول آف نسبتاً تدریجی 50 دسی بل/اکتاو و سطح تضعیف کمتر را نشان می دهد. اکنون این رفتار نیز با فیلتر اندازه گیری تئوری یکسان است.

با نگاهی به ضریب بازتاب ورودی، > 10dB S11 را می بینیم. وقتی صحبت از LNA به میان می‌آید، ممکن است ضریب بازتاب ورودی ضعیفی را تجربه کنید، اما عملکرد کلی بی‌تأثیر باقی می‌ماند.

نوسان ولتاژ ورودی

وجود یک رگولاتور در مدار تضمین می کند که LNA همیشه بهینه بایاس شود. این تست بسیار ساده بود و تنها کاری که باید انجام می دادم این بود که ولتاژ ورودی را از 5 ولت به 12 ولت تغییر دهم.

تثبیت کننده، که در محدوده ولتاژ ورودی قرار دارد، ولتاژ خروجی ثابت به LNA را تضمین می کند و عملکرد همیشه بدون تغییر باقی می ماند.

تست مقدار نویز

من از tinySA Ultra برای تست رقم نویز تقویت کننده کم نویز استفاده کردم. چند وقت پیش مقاله ای در مورد اندازه گیری مقدار نویز با استفاده از tinySA ultra نوشتم. از طرف دیگر، اگر اتفاقاً طیف تحلیلگر بهتری دارید، می توانید در مورد “روش به دست آوردن اندازه گیری نویز” که مدت ها پیش نوشتم نیز بخوانید.

در مقایسه با تنظیمات قبلی متشکل از NanoVNA v2، ما از tinySA ultra برای اندازه‌گیری نویز استفاده می‌کنیم. همچنین، شما نیاز به یک استراحت 50 اهم در طول تست دارید.

روش بسیار ساده باقی می ماند.

1. رقم نویز TinySA Ultra را اندازه گیری کنید
2. مقدار نویز اندازه گیری شده را در حافظه ابزار ذخیره کنید
3. DUT را وصل کرده و روشن کنید
4. سود DUT را وارد کنید
5. شما نتیجه را می گیرید

TinySA ultra به طور خودکار مقدار نویز دستگاه و افزایش DUT را کم می کند. هر چه باقی می ماند شماره نویز شماست.

در این حالت، LNA تقریباً 18.2 دسی بل افزایش می یابد. ما همچنین رقم نویز را در 145 مگاهرتز اندازه گیری می کنیم. در نهایت، اندازه گیری شکل نویز 0.5 را دریافت می کنیم. اندازه گیری کاملا دقیق و مشابه اعداد گزارش شده در دیتاشیت است.

به طور کلی، من از نتایج اندازه گیری بسیار راضی هستم.

تست RTL SDR

این تست کاملا ساده است. من خروجی LNA را مستقیماً به RTL-SDR وصل کردم و نرم افزار SDRAngel را برای بازی روشن کردم. تا آنجا که من می دانم، SDR# گزینه ای برای فعال کردن سه راهی بایاس داخلی RTL-SDR برای تغذیه تقویت کننده های خارجی ندارد. از سوی دیگر، کنسول SDRC، SDRAngel، هر دو به شما اجازه می دهند انحراف را کنترل کنید.

من NanoVNA خود را در حالت CW پیکربندی کردم. این حالت یک خروجی فرکانس ثابت تولید می کند که می تواند برای آزمایش مدارها و غیره استفاده شود. در این مورد، NanoVNA من تنظیم شده است تا یک سیگنال ثابت 145 مگاهرتز تولید کند که از طریق یک تضعیف کننده 3dB به LNA من تغذیه می شود. ابتدا سه راهی را خاموش نگه می دارم و سطوح سیگنال را اندازه گیری می کنم که در زیر قابل مشاهده است. همچنین توجه داشته باشید که من تمام آمپلی فایرهای داخلی AGC و RTL را خاموش کرده ام.

در اینجا سطوح نویز در حدود -80dBm است در حالی که اوج سیگنال در حدود -26dBm است.

حالا بیایید سه راهی RTL-SDR را روشن کنیم. این باید LNA ما را تغذیه کند و شروع به تقویت سیگنال های ورودی کند.

بلافاصله سطح نویز ~ 20dB می پرد و به دلیل قدرت اضافی، شاهد تولید محصولات intermodulation هستیم. به هر حال، این ثابت می کند که LNA بدون هیچ مشکلی همانطور که طراحی شده است کار می کند.

نتیجه گیری

ما با یک لیست مشخصات شروع کردیم، شماتیک ها را ترسیم کردیم و طراحی را روی PCB پیاده سازی کردیم. برای تولید آن، مجموعه‌ای از اسناد را برای سازنده ایجاد کردیم. در پایان یک مدار مونتاژ شده و کاملاً کارآمد دریافت کردیم که می توانید از آن برای چندین پروژه جالب RF استفاده کنید. در این مقاله یاد گرفتیم که چگونه یک سری تست را تعریف کنیم و آنها را اجرا کنیم تا تایید کنیم که مدار ما واقعاً کار می کند. تقویت‌کننده‌های کم نویز طراحی پیچیده‌ای نیستند، اما برای طراحی، مونتاژ، تعریف آزمایش‌ها و در واقع اجرای آزمایش‌ها برای اثبات اینکه مطابق طراحی کار می‌کند، کمی تلاش لازم است.

این یک سفر رضایت بخش برای من بوده است و امیدوارم از خواندن این در تمام طول مسیر لذت برده باشید. پس از پشت سر گذاشتن همه اینها، من به ده ها برد LNA رسیدم – بسیار بیشتر از آنچه می توانستم استفاده کنم. بنابراین اگر قصد خرید آنها را دارید، در نظرات زیر با من تماس بگیرید.

من در نهایت اولین دیتاشیت خود را نیز ایجاد کردم.