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

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No artigo publicado aqui, nosso autor regular analisa os circuitos de amplificadores de antena fabricados na Polônia e fundamenta sua abordagem consciente para sua escolha em termos de ruído e ganho. Ele também dá recomendações para o reparo de tais dispositivos, que muitas vezes falham por descargas de raios, e para a eliminação da auto-excitação. Isso permitirá 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 MB, os parâmetros dessa antena são amplamente determinados pelo amplificador de antena instalado nela. É esse bloco que tem várias desvantagens: é propenso à auto-excitação, possui um nível bastante alto de ruído próprio, é facilmente sobrecarregado por sinais poderosos da faixa MB e geralmente é danificado por descargas de raios. Esses problemas são familiares a muitos proprietários de tais 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 com sinais MB. Os proprietários de antenas precisam lidar com o restante das deficiências de maneira conhecida: substituindo os amplificadores, escolha o melhor. No entanto, esse método requer muito tempo e esforço, pois o amplificador, como regra, é de difícil acesso - ele está 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 um esquema padrão e representa um amplificador aperiódico de dois estágios baseado em transistores bipolares de micro-ondas conectados de acordo com o esquema OE. Em apoio a isso, vamos considerar modelos de diferentes empresas: um simples amplificador SWA-36 da TELTAD, cujo diagrama esquemático é mostrado na Fig. 1, e o amplificador comum SWA-49 (semelhante ao SWA-9) da ANPREL - fig.2.

Fig.1-2

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]). Diferenças menores são mais frequentemente encontradas no segundo estágio, que pode ser equipado com diferentes circuitos de correção de frequência, ter diferentes profundidades de feedback 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 base do transistor VT2. Isso torna possível cobrir ambos os estágios com um loop de feedback 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 (número de ruído Ksh e ganho Ku) dos modelos básicos de amplificadores SWA de acordo com o catálogo ANPREL são mostrados na Tabela. 1.

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 frp. Os amplificadores SWA usam transistores de microondas bipolares da estrutura npn, marcados como T-67, menos frequentemente - 415, que determinam o ganho máximo alcançável Ku de um amplificador de dois estágios de cerca de 40 dB. Obviamente, em uma faixa de frequência operacional tão ampla, o ganho não permanece constante - suas alterações atingem 10 ... 15 dB devido à resposta de frequência desigual em frequências mais altas da faixa e correção nas mais baixas. Nos valores máximos do coeficiente de amplificação Ku é difícil garantir a estabilidade dos amplificadores, portanto, em vários modelos, é limitado a valores de até 10 ... 30 dB, o que em muitos casos é bastante (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 sensibilidade um pouco pior, limitada pela sincronização. E, finalmente, a sensibilidade mais baixa é limitada ao 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 de recepção se deve principalmente à influência da interferência de 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 pelo 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 ser aplicado um sinal útil na entrada da TV, aproximadamente 5 vezes maior, ou seja, deve ser fornecida uma relação sinal-ruído de cerca de 100 [2].

O amplificador da 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 Ksh. Se não for pequeno o suficiente, aumentar o ganho é inútil, pois tanto o sinal quanto o ruído são amplificados igualmente e sua proporção não melhora. Como resultado, mesmo com nível de sinal suficiente na entrada da antena da TV, a imagem será afetada por interferência de ruído intenso (a conhecida "neve").

Para uma avaliação unificada do ruído de um caminho multiestágio, existe um indicador do fator de ruído reduzido à entrada Ksh, que é igual ao nível de ruído na saída dividido pelo ganho total, ou seja, Ksh=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 Ksh é a figura de ruído do primeiro transistor. Portanto, obtemos Ksh = Ksh1, 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 canais das TVs de quinta geração, é usado um transistor de efeito de campo KP327A com uma figura de ruído de 4,5 dB na frequência de 800 MHz [1]. Portanto, no primeiro estágio do amplificador de antena, um transistor com Ksh4,5 <1 dB na mesma frequência deve funcionar. Além disso, quanto menor este valor comparado ao coeficiente KshXNUMX da TV, mais eficiente será o uso do amplificador e maior será 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 da correspondência determinam o coeficiente reduzido Ksh = 1,7 ... 3,1 dB (ver 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 Ksh <2 dB pode ser considerado muito bom. Da mesa. 1, os melhores modelos podem ser considerados SWA-7, SWA-9, tendo Ksh = 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 marca de cabo difundida RK-75-4-11 é de 0,07 dB / m no primeiro ao quinto, 0,13 dB / m no sexto ao décimo segundo e 0,25 ... 0,37 dB / m no 21 - 60º canais de televisão [2]. Com um comprimento de alimentação de 50 m, a atenuação nos canais 21-60 será de 12,5...17,5 dB. Se for instalado um divisor passivo industrial, ele introduz perdas adicionais em cada uma de suas saídas, cujo valor, via de regra, é indicado no gabinete.

Calculando a atenuação no cabo e somando a atenuação no divisor (se houver), obtém-se o ganho mínimo do amplificador da antena. Uma margem de 12 ... 14 dB é adicionada para amplificar os sinais fracos, o que é necessário devido à baixa eficiência das antenas de recepção de banda larga de pequeno porte. De acordo com o valor obtido de Ku, 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 [Z]. Segue-se que o uso de 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 de transistores 2T3124A- 2, 2T3124B-2, 2T3124V- 2, KT3132A-2 reduz Ksh para 1,5 dB, o que melhora os parâmetros do amplificador. Esta circunstância torna possível recomendar a substituição do primeiro transistor do amplificador pelos últimos indicados mesmo em amplificadores reparáveis, mas "ruidosos", a fim de melhorar a qualidade de seu trabalho. Deve-se notar que na Tabela. 2 limites são dados, os parâmetros típicos são geralmente melhores [Z].

Transistores de microondas de baixo ruído da série 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 mais potentes KT391A-2, KT3101A-2 (ver Tabela 2) e mesmo as séries KT371, KT372, KT382, KT399 e outras com frequência de corte de cerca de 2 GHz [XNUMX]. No entanto, neste último caso, o ganho nas frequências superiores da faixa será um pouco menor.

As dimensões do corpo dos microtransistores importados são 1,2x2,8 mm com comprimentos de chumbo de 1...1.5 mm. Assim, as distâncias na placa entre as almofadas impressas para as saídas dos transistores são pequenas. A instalação de transistores domésticos com um diâmetro de caixa de 2 mm do lado da montagem em superfície, embora possível, é difícil: eles podem ser danificados durante a soldagem. É melhor instalar novos transistores no lado oposto da placa, perfurando previamente os furos para os cabos com uma broca com diâmetro de 0,5 ... 0,8 mm. É melhor perfurar não no próprio condutor impresso, mas de modo que o furo toque a borda da almofada. Se houver uma camada de folha no lado oposto à montagem em superfície, os orifícios devem ser escareados com uma broca com um diâmetro de 2 ... 2,5 mm (exceto o orifício para saída do emissor do transistor VT1) .

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

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 de coletor depende do parâmetro h21e, no qual os transistores têm uma dispersão significativa. 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 (SPZ-23, SPZ-27, etc.) com uma resistência de 68 ... 100 kOhm. Antes de ligar a alimentação, o controle deslizante do resistor deve estar na posição de resistência máxima para não danificar o transistor.

O amplificador é alimentado com tensão 12 8 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, obtém-se uma corrente de coletor de cerca de 5 mA, que corresponde a um mínimo de ruído de acordo com a característica dos transistores [0,125]. Isso completa a afinação e em vez de um resistor de afinação, uma constante de mesma resistência (MLT-XNUMX ou importada) é soldada, tendo previamente reduzido suas conclusões ao mínimo.

Depois disso, a placa de circuito impresso e os transistores sem encapsulamento 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 auto-excitação: um microanel de ferrite é colocado na saída do coletor do transistor VT1 (é usado nos seletores de canal SK-M do ZUSTST e 4USTST televisores). A corrente de coletor do transistor VT1 é definida pelo resistor R1 (Fig. 3,6) com um valor nominal de 51 kOhm (era 33 kOhm).

Figura.3

Na segunda etapa, os transistores da série KT372, KT399 foram testados, com os quais a estabilidade e um ganho suficiente foram mantidos. Ao mesmo tempo, foi verificada a possibilidade de instalar um capacitor adicional Cd com capacidade de 150 pF (Fig. 3,6), 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, N 7, p.15.
2. Nikitin V. Dicas para quem gosta de recepção de televisão de longo alcance. Sat: "Para 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; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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