Amplificadores de antena SWA. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Comentários do artigo

No artigo publicado aqui, o autor analisa os circuitos dos amplificadores de antena fabricados na Polônia e fundamenta sua abordagem consciente de sua escolha em termos de ruído e ganho. Ele também dá recomendações para o reparo de tais dispositivos, que muitas vezes falham devido a descargas atmosféricas, e para a eliminação da auto-excitação. Esperamos que isso permita que muitos radioamadores não apenas escolham o amplificador necessário, mas também melhorem seu desempenho.

Antenas ativas da empresa polonesa ANPREL e algumas outras são amplamente utilizadas na Rússia e nos países da CEI. Com um leve ganho intrínseco, especialmente na faixa de MV, os parâmetros dessa antena são amplamente determinados pelo amplificador de antena instalado nela. É este bloco que tem uma série de desvantagens: é sujeito à auto-excitação, tem um nível bastante alto de ruído próprio, é facilmente sobrecarregado por sinais poderosos da faixa de MW e é frequentemente danificado por descargas atmosféricas. Esses problemas são familiares para muitos proprietários dessas antenas.

As questões de operação de amplificadores de antena SWA e similares são muito pouco abordadas na literatura. Podemos apenas observar a publicação [1], onde é indicado que o amplificador está sobrecarregado por sinais de MW. Os donos de antenas têm que lidar com as demais deficiências de uma forma conhecida: substituindo os amplificadores, escolha o melhor. Porém, esse método exige muito tempo e esforço, pois o amplificador, via de regra, é de difícil acesso - fica localizado junto com a antena em um mastro alto.

Com base na análise de circuitos, minha própria experiência e alguns materiais da ANPREL, proponho uma abordagem mais consciente na escolha de amplificadores, bem como um método de reparo que permite restaurar uma unidade danificada e, em alguns casos, melhorar seus parâmetros .

O mercado está repleto de muitos modelos intercambiáveis ​​de amplificadores de antena fabricados pela ANPREL, TELTAD e outros sob várias marcas e números. Apesar dessa diversidade, a maioria deles é montada de acordo com o esquema padrão e representa um amplificador aperiódico de dois estágios baseado em transistores bipolares de microondas conectados de acordo com o esquema OE. Em apoio a isso, vamos considerar modelos de diferentes empresas: um amplificador SWA-36 simples da TELTAD, cujo diagrama esquemático é mostrado na Fig. 1, e o amplo amplificador SWA-49 (semelhante ao SWA-9) da ANPREL - fig. 2.

O amplificador SWA-36 contém dois estágios de amplificação de banda larga baseados nos transistores VT1 e VT2. O sinal da antena através de um transformador correspondente (não mostrado no diagrama) e do capacitor C1 entra na base do transistor VT1, que é conectado de acordo com o circuito OE. O ponto de operação do transistor é definido pela tensão de polarização determinada pelo resistor R1. A realimentação negativa de tensão (NFB) atuando neste caso lineariza a característica do primeiro estágio, estabiliza a posição do ponto de operação, mas reduz levemente sua amplificação. Não há correção de frequência no primeiro estágio.

O segundo estágio também é feito em um transistor de acordo com o esquema com OE e com realimentação de tensão através dos resistores R2 e R3, mas também possui realimentação de corrente através do resistor R4 no circuito emissor, que estabiliza rigidamente o modo do transistor VT2. Para evitar uma grande perda de ganho, o resistor R4 é desviado em corrente alternada pelo capacitor C3, cuja capacitância é escolhida relativamente pequena (10 pF). Como resultado, nas frequências mais baixas da faixa, a capacitância do capacitor C3 acaba sendo significativa e o feedback CA resultante reduz o ganho, corrigindo assim a resposta de frequência do amplificador.

As desvantagens do amplificador SWA-36 incluem perdas passivas no circuito de saída no resistor R5, que é conectado de tal forma que tanto a tensão de alimentação constante quanto a tensão do sinal caiam nele.

O amplificador SWA-49 é construído de forma semelhante (Fig. 2), que também possui dois estágios montados de acordo com o esquema OE. Diferencia-se do SWA-36 pelo melhor isolamento da fonte de alimentação através dos filtros L1C6, R5C4 em forma de L e aumento do ganho devido à presença do capacitor C5 no circuito OOS (R3C5R6) do segundo estágio e do capacitor de transição C7 na saída.

Circuitos semelhantes são inerentes à maioria dos outros amplificadores SWA (veja, por exemplo, o circuito amplificador SWA-3 mostrado em [1]). Pequenas diferenças são encontradas com mais frequência no segundo estágio, que pode ser equipado com diferentes circuitos de correção de frequência, ter diferentes profundidades de realimentação e, consequentemente, o ganho. Para alguns modelos, por exemplo, SWA-7, o primeiro e o segundo estágios são conectados diretamente - o terminal coletor do transistor VT1 é conectado diretamente ao terminal básico do transistor VT2. Isso torna possível cobrir ambos os estágios com um loop de realimentação de corrente contínua e, assim, melhorar a estabilidade térmica do amplificador.

Em cascatas em transistores conectados de acordo com o circuito OE, a influência das conexões internas e capacitâncias das junções do transistor é maior. Manifesta-se na limitação da largura de banda e na tendência do amplificador à auto-excitação, cuja probabilidade é maior, quanto maior o ganho. Para avaliá-lo, é conhecido o conceito de limiar de estabilidade - o valor limite do ganho, acima do qual o amplificador se transforma em gerador. Muitos amplificadores de antena SWA de alto ganho operam perto do limite de estabilidade, o que explica sua auto-excitação frequente.

Como medidas para melhorar a estabilidade dos amplificadores, o ANPREL utiliza diferentes topologias de placas de circuito impresso (que afetam a capacitância de montagem), bobinas de superfície e bulk, bobinas, etc. Um método mais radical: ligar transistores em circuito cascode com OE-OB - por algum motivo não é usado. Com o mesmo circuito de comutação de transistores com OE-OE, para resolver o problema de estabilidade, a empresa prefere produzir fontes de alimentação ajustáveis. Ao reduzir sua tensão, é possível eliminar a auto-excitação do amplificador mantendo um ganho suficiente.

Os principais parâmetros (figura de ruído NR e ganho KU) dos modelos básicos de amplificadores SWA de acordo com o catálogo ANPREL são apresentados na Tabela. 1.

Tabela 1

(1) Com sistema de balanceamento a bordo. (2) Amplificadores diferem em placas. (3) Com filtro cruzado

Vamos considerar a relação dos principais parâmetros com os circuitos dos amplificadores e sua influência na qualidade da recepção.

Como se sabe, o ganho em altas frequências em cascatas com OE é crítico para os parâmetros dos transistores utilizados, principalmente para a frequência de corte fGR. Os amplificadores SWA usam transistores bipolares de micro-ondas da estrutura npn, marcados como T-67, com menos frequência - 415, que determinam o ganho máximo alcançável do ganho de um amplificador de dois estágios de cerca de 40 dB. Obviamente, em uma banda de frequência operacional tão ampla, o ganho não permanece constante - suas alterações chegam a 10 ... 15 dB devido à resposta de frequência desigual nas frequências mais altas da faixa e correção nas mais baixas. É difícil garantir a estabilidade dos amplificadores nos valores máximos de ganho KU, portanto, em vários modelos, é limitado a valores de até 10...30 dB, o que é suficiente em muitos casos (ver Tabela 1).

Ao contrário da crença popular, deve-se notar que o ganho não pode ser considerado o principal parâmetro do amplificador de antena. Afinal, as próprias TVs possuem uma margem muito grande de ganho próprio, ou seja, possuem uma alta sensibilidade limitada pelo ganho. Eles têm uma sensibilidade um pouco pior, limitada pela sincronização. E, finalmente, o mais baixo é a sensibilidade limitada pelo ruído [2]. Portanto, o fator que determina a recepção de longo alcance deve ser o nível de ruído intrínseco do caminho eletrônico, e não o ganho. Em outras palavras, a limitação da recepção se deve principalmente à influência da interferência do ruído, e não à falta de amplificação do sinal.

A influência do ruído é avaliada pela relação sinal-ruído, cujo valor mínimo é tomado igual a 20 [2]. Com essa relação, determina-se a sensibilidade limitada ao ruído, que é igual à tensão do sinal de entrada, que é 20 vezes maior que a tensão do ruído intrínseco.

Para televisores da terceira à quinta geração, a sensibilidade limitada ao ruído é de 50 ... 100 μV. No entanto, com uma relação sinal-ruído de 20, observa-se uma qualidade de imagem muito ruim e apenas grandes detalhes são inteligíveis. Para obter uma imagem de boa qualidade, deve-se aplicar um sinal útil na entrada da TV, aproximadamente 5 vezes maior, ou seja, uma relação sinal-ruído de cerca de 100 [2].

O amplificador de antena deve aumentar a relação sinal/ruído, e para isso é necessário amplificar o sinal, não o ruído. Mas qualquer amplificador eletrônico inevitavelmente tem seu próprio ruído, que amplifica junto com o sinal útil e degrada a relação sinal-ruído. Portanto, o parâmetro mais importante do amplificador de antena deve ser considerado sua figura de ruído NR. Se não for pequeno o suficiente, aumentar o ganho é inútil, pois tanto o sinal quanto o ruído são amplificados igualmente e sua relação não melhora. Como resultado, mesmo com um nível de sinal suficiente na entrada da antena da TV, a imagem será afetada por intensa interferência de ruído (a conhecida "neve").

Para uma avaliação unificada do ruído de um caminho de vários estágios, existe um indicador da figura de ruído NR reduzida à entrada, que é igual ao nível de ruído na saída dividido pelo ganho total, ou seja, KSh \u1d KSh.out / KU. Como o nível de ruído de saída KSh.out depende em grande parte do nível de ruído do primeiro transistor, amplificado por todos os estágios subsequentes, o ruído dos estágios restantes pode ser desprezado. Então KSh.out = KSh1KU, onde KSh1 é a figura de ruído do primeiro transistor. Portanto, obtemos NR = NRXNUMX, ou seja, a figura de ruído reduzida do caminho de amplificação não depende do número de estágios e do ganho total, mas é igual apenas à figura de ruído do primeiro transistor.

Isso leva a uma importante conclusão prática - o uso de um amplificador de antena pode dar um resultado positivo quando a figura de ruído do primeiro transistor do amplificador é menor que a figura de ruído do primeiro estágio da TV. Nos seletores de canal das TVs de quinta geração, é usado um transistor de efeito de campo KP327A com uma figura de ruído de 4,5 dB a uma frequência de 800 MHz [3]. Portanto, no primeiro estágio do amplificador de antena, um transistor com NR1 <4,5 dB na mesma frequência deve funcionar. Além disso, quanto menor esse valor em relação ao coeficiente NR1 da TV, mais eficiente é o uso do amplificador e maior a qualidade da recepção.

A figura de ruído também depende da qualidade da correspondência na entrada do amplificador e do modo de operação do primeiro transistor. Para amplificadores SWA, o tipo de transistor VT1, seu modo de operação e a qualidade do casamento determinam o coeficiente reduzido KSh = 1,7 ... 3,1 dB (consulte a Tabela 1).

Pelo exposto, fica claro que a escolha de um amplificador de antena de acordo com o princípio - quanto maior o ganho, melhor - é incorreta. É por isso que muitos proprietários, trocando de amplificadores, não conseguem obter um bom resultado. A razão para um fato tão paradoxal, à primeira vista, é que a figura do ruído geralmente é desconhecida (não está nas informações comerciais das empresas), mas na verdade difere apenas ligeiramente para muitos modelos com ganhos diferentes (ver Tabela 1) . ). Aumentar o ganho com a mesma figura de ruído não resulta em ganho na relação sinal-ruído e, portanto, melhora na qualidade da recepção. Um sucesso raro é alcançado apenas quando um amplificador de baixo ruído é encontrado acidentalmente.

Portanto, ao escolher um amplificador de antena, você precisa se concentrar principalmente no nível mínimo de ruído. Um amplificador com NR <2 dB pode ser considerado muito bom. Da Tabela. 1, os melhores modelos podem ser considerados SWA-7, SWA-9, tendo NR = 1,7 dB. Informações sobre a figura de ruído dos novos amplificadores podem ser encontradas nos catálogos da ANPREL ou na Internet.

Quanto ao ganho, é claro que também importa, mas não para a amplificação máxima de sinais fracos, mas, antes de tudo, para compensar as perdas no cabo de conexão, dispositivos de ramificação correspondentes, etc. o ganho não for suficiente, o nível do sinal na entrada da TV pode cair abaixo do limite, temporização limitada ou até mesmo ganho, impossibilitando a recepção. Portanto, para a escolha correta do fator de ganho, é necessário conhecer a atenuação do sinal em todo o caminho de conexão. E seu valor aproximado é fácil de calcular.

A atenuação específica do sinal na popular marca de cabos RK-75-4-11 é de 0,07 dB / m do primeiro ao quinto, 0,13 dB / m do sexto ao décimo segundo e 0,25 ... 0,37 dB / m nos 21- 60 canais de televisão [2]. Com um comprimento de alimentador de 50 m, a atenuação nos canais 21-60 será de 12,5...17,5 dB. Se for instalado um splitter passivo industrial, ele introduz perdas adicionais em cada uma de suas saídas, cujo valor, via de regra, é indicado na caixa.

Calculando a atenuação no cabo e adicionando a ela a atenuação no divisor (se houver), obtém-se o ganho mínimo do amplificador da antena. Uma margem de 12 ... 14 dB é adicionada a ele para amplificar sinais fracos, o que é necessário devido à baixa eficiência das antenas receptoras de banda larga de pequeno porte. De acordo com o valor de KU obtido, um amplificador de antena é selecionado. O valor obtido do ganho não deve ser muito excedido, pois isso aumenta a probabilidade de auto-excitação e sobrecarga por sinais poderosos de estações próximas.

O reparo de amplificadores de antena se reduz principalmente à substituição de elementos ativos danificados por descargas atmosféricas. Deve-se notar que a presença de um diodo na entrada em alguns modelos não garante proteção completa contra raios: com uma poderosa descarga atmosférica, tanto o diodo de proteção quanto, via de regra, os dois transistores rompem.

Os amplificadores de antena SWA são montados usando a tecnologia de montagem automática de superfície em microelementos, o que exige precisão durante os reparos. A solda deve ser feita com um ferro de solda de tamanho pequeno com uma ponta afiada. Em um amplificador inativo, com cuidado, tentando não danificar os finos condutores impressos, solde os microtransistores VT1, VT2 e o diodo de proteção (se houver).

Os principais parâmetros dos transistores domésticos adequados para instalação em amplificadores SWA são mostrados na Tabela. 2 [3]. Conclui-se que o uso dos transistores KT391A-2, KT3101A-2, KT3115A-2, KT3115B-2, KT3115V-2 no primeiro estágio não piora as características de ruído da maioria dos modelos de amplificadores, e o uso dos transistores 2T3124A- 2, 2T3124B-2, 2T3124V- 2, KT3132A-2 reduz o NR para 1,5 dB, o que melhora os parâmetros do amplificador. Esta circunstância permite recomendar a substituição do primeiro transistor do amplificador pelos indicados pelos últimos, mesmo em amplificadores úteis, mas "ruidosos", para melhorar a qualidade do seu trabalho. Deve-se notar que na Tabela. 2 limites são dados, parâmetros típicos são geralmente melhores [3].

Tabela 2

Os transistores de micro-ondas de baixo ruído das séries 2T3124, KT3132 são relativamente caros e de baixa corrente, por isso é melhor instalá-los apenas no primeiro estágio e, no segundo, usar transistores mais baratos e potentes KT391A-2, KT3101A-2 (ver Tabela 2) e até mesmo as séries KT371, KT372, KT382, KT399 e outras com frequência de corte de cerca de 2 GHz [3]. No entanto, no último caso, o ganho nas frequências superiores da faixa será um pouco menor.

Os transistores de micro-ondas de baixo ruído das séries 2T3124, KT3132 são relativamente caros e de baixa corrente, por isso é melhor instalá-los apenas no primeiro estágio e, no segundo, usar transistores mais baratos e potentes KT391A-2, KT3101A-2 (ver Tabela 2) e até mesmo as séries KT371, KT372, KT382, KT399 e outras com frequência de corte de cerca de 2 GHz [3]. No entanto, no último caso, o ganho nas frequências superiores da faixa será um pouco menor.

As dimensões do corpo dos microtransistores importados são 1,2 (2,8 mm com um comprimento de chumbo de 1 ... 1,5 mm. Consequentemente, as distâncias na placa entre almofadas impressas para cabos de transistor são pequenas. Instalação de transistores domésticos com um diâmetro de corpo de 2 mm do lado de montagem da superfície , embora possível, mas difícil: eles podem ser danificados durante a soldagem. É melhor instalar novos transistores no lado oposto da placa, tendo previamente feito furos para os cabos com uma broca de diâmetro 0,5 . .. 0,8 mm.É melhor perfurar não no próprio condutor impresso, mas de modo que o orifício toque a borda do local.Se houver uma camada de folha no lado oposto à montagem da superfície, os orifícios nela deve ser escareado com uma broca com diâmetro de 2 ... 2,5 mm (exceto o orifício para saída do emissor do transistor VT1).

Em seguida, novos transistores são instalados de forma que o suporte de cristal ou a caixa do dispositivo toque a placa. Se os fios se projetarem significativamente do outro lado, eles devem ser mordidos após a soldagem. Os transistores de micro-ondas são sensíveis à eletricidade estática, portanto precauções de segurança apropriadas devem ser tomadas ao soldar. Tempo de soldagem - não mais que 3 s [3].

O diodo de proteção pode ser omitido. A melhor proteção contra a eletricidade atmosférica é um bom aterramento da antena.

Nos amplificadores SWA, ambos os transistores operam com uma corrente de coletor de 10 ... 12 mA. Após a substituição, essa corrente é aceitável para o segundo transistor (por exemplo, KT3101A-2), mas excede o permanentemente permitido para o primeiro se os transistores das séries KT3115, KT3124 e KT3132A-2 estiverem instalados (consulte a Tabela 2). A corrente do coletor depende do parâmetro h21E, no qual os transistores possuem um spread significativo. Portanto, após a montagem de uma instância específica, é necessário definir o ponto de operação do transistor VT1. Para fazer isso, solde o microresistor R1 e, em vez disso, conecte temporariamente um resistor de ajuste (SP3-23, SP3-27, etc.) com uma resistência de 68 ... 100 kOhm. Antes de ligar a energia, o controle deslizante do resistor deve estar na posição de resistência máxima para não danificar o transistor.

O amplificador é alimentado com uma tensão de 12 V da fonte de alimentação e a queda de tensão no resistor R2 é medida (ver Fig. 1 e 2). Ao dividir a tensão medida pela resistência do resistor R2, a corrente do coletor é encontrada. Ajustando a resistência do resistor de sintonia para baixo, consegue-se uma corrente de coletor de cerca de 5 mA, o que corresponde a um mínimo de ruído nas características dos transistores [3]. Isso completa o ajuste e, em vez de um resistor de ajuste, uma constante da mesma resistência (MLT-0,125 ou importada) é soldada, tendo previamente reduzido suas conclusões ao mínimo.

Depois disso, a placa de circuito impresso e os transistores sem embalagem são cobertos com uma camada de verniz ou composto de engenharia de rádio.

A aparência do amplificador SWA-36 restaurado é mostrada na fig. 3. Utiliza transistores (Fig. 3a) 2T3124B-2 (VT1) e KT3101A-2 (VT2). Em conexão com o design mais simples do amplificador, foram tomadas medidas para eliminar a autoexcitação: um microanel de ferrite é colocado na saída do coletor do transistor VT1 (é usado nos seletores de canal SK-M das TVs 3USCT e 4USCT ). A corrente do coletor do transistor VT1 é definida pelo resistor R1 (Fig. 3, b) com um valor nominal de 51 kOhm (era 33 kOhm).

Na segunda etapa, foram testados transistores da série KT372, KT399, com os quais a estabilidade e um ganho suficiente foram mantidos. Ao mesmo tempo, foi verificada a possibilidade de instalar um LED de capacitor adicional com capacidade de 150 pF (Fig. 3b), resistor de derivação R5 (ver Fig. 1), para aumentar o ganho. Ao instalar um capacitor, a auto-excitação do amplificador é eliminada diminuindo a tensão de alimentação.

Na versão principal (com transistores 2T3124B-2 e KT3101A-2), o amplificador proporcionou melhor qualidade de recepção do que antes do reparo, que visualmente foi estimado ser aproximadamente igual à recepção com o novo amplificador SWA-9.

Literatura

1. Amplificador Tuzhilin S. UHF de banda larga. - Rádio, 1997, nº 7, p. quinze.
2. Nikitin V. Dicas para quem gosta de recepção de televisão de longo alcance. Sáb: "Ajudar o radioamador", vol. 103. - M.: DOSAAF, 1989.
3. Dispositivos semicondutores. transistores de baixa potência. Diretório. Ed. A. V. Golomedova. - M.: Rádio e comunicação, 1989.

Autor: A.Pakhomov, Zernograd, região de Rostov

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