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Amplificatore Bidirezionale per RadioFrequenza

Amplificatore Bidirezionale per RadioFrequenza

Quando si progetta un ricetrasmettitore SSB si deve risolvere un problema che a prima vista sembra banale ma che comporta scelte importanti. Alcune sezioni del circuito possono essere usate sia in ricezione sia in trasmissione, commutando opportunamente gli ingressi e le uscite.

Un ricevitore a singola conversione, partendo dall’antenna, è costituito da:

    A) Primo mixer e VFO
    B) Amplificatore post-mixer
    C) Filtro a quarzi
    D) Amplificatore di media frequenza (IF)
    E) Rivelatore a prodotto e BFO
    Il filtro a quarzi (C) è bidirezionale. Se si usano mixer passivi (mixer bilanciati a quaterna di diodi, mixer H-mode etc) i blocchi (A), ed (E) sono bidirezionali.

In trasmissione occorre commutare la direzione del segnale nel blocco (B) e commutare l’amplificatore di media frequenza (D). Ogni commutazione comporta almeno due scambi. L’alternativa è rinunciare al riutilizzo dei blocchi e costruire due catene, una in ricezione ed una in trasmissione, riducendo il numero delle commutazioni. Ad esempio ho visto schemi di RTX QRP, anche kit commerciali, che usano due filtri a quarzi e quattro mixer, secondo me uno spreco di componenti. A volte si scelgono soluzioni miste (tra il massimo riutilizzo e la duplicazione completa), ad esempio commutando il filtro a quarzi (componente più costoso) e duplicando il resto.

Amplificatore_Bidirezionale-RF

Progettare un amplificatore post-mixer bidirezionale permetterebbe il riutilizzo dei blocchi (A), (B) e (C) senza commutazioni.

Inoltre, rinunciando al controllo automatico di guadagno, si può eliminare completamente l’amplificatore di media frequenza (D), aumentare il guadagno della bassa frequenza, ed ottenere un blocco IF completamente bidirezionale. Rimangono da commutare solo la bassa frequenza e la radiofrequenza. Ma anche per la bassa frequenza ho trovato una soluzione che però non sarà trattata nel presente articolo.
A prima vista eliminare l’amplificatore di media frequenza sembra un’eresia. Se il ricevitore prevede la ricezione della modulazione d’ampiezza, con il rivelatore a diodo, è necessario fornire al diodo un segnale robusto e di livello quasi costante, il controllo automatico di guadagno è necessario; in SSB e CW si usa il rivelatore a prodotto che non richiede segnali forti come dimostrato dai ricevitori a conversione diretta. Diciamo che se tra antenna e rivelatore a prodotto le attenuazioni ed i guadagni si compensano (guadagno = 0dB ma anche –6dB nelle bande basse) si può ottenere la sensibilità, la selettività e la dinamica di un buon apparato commerciale ma rinunciando al controllo automatico di guadagno. Basta collegare direttamente il filtro a quarzi al rivelatore a prodotto. Un eventuale CAG può essere realizzato in bassa frequenza. Uno schema di principio di amplificatore RF bidirezionale si trova nel libro “Experimental Methods in RF Design” (1) a pag. 6.61.

Catena_di_media_frequenza_bidirezionale
Fig. 2 - Catena di media frequenza bidirezionale

Amplificatori bidirezionali sono impiegati nel transceiver BITX20 di Ashfar Fahran (2). Cercherò di spiegare in modo semplificato (e a volte approssimativo) come progettare un amplificatore bidirezionale di buone prestazioni. Le semplificazioni/ approssimazioni sono rese possibili dalla disponibilità dei programmi di simulazione che permettono di verificare in tempi rapidissimi “cosa succede se…”, pertanto si può calcolare in modo approssimato una parte del circuito, inserire questi valori approssimati nel programma di simulazione e variare i valori (non a caso ma pensando a quello che si sta facendo) fino ad ottimizzare il progetto.

Ho usato i programmi “BiasNPN” per la polarizzazione in continua e “FBA” per l’ottimizzazione a radiofrequenza. I programmi sono contenuti nel CDROM allegato al libro citato (1).

Progettazione di un amplificatore post-mixer classico
Ho scelto di usare il transistor BFR96, plastico, con prestazioni discrete, economico. Costa meno di un euro, se durante le prove ne rompiamo qualcuno non è una grossa perdita. Per avere prestazioni (dinamica) migliori si possono usare i vari 2N3866, 2N5109, BFR95 con un dissipatore a stella e portare la corrente a 60 o 70 mA. Dal data sheet o dalle tabelle del BFR96 si ricava:
VCEO = 15 V
hFE = 50
IC = 75 mA
PD = 0,5 W
fT = 5 GHz
Si trova inoltre (tabelle Siemens) che le condizioni di prova RF sono IC=50 mA con VCE = 10V per una dissipazione di 0,5watt. Scegliamo una polarizzazione simile. Stabiliamo corrente e tensione di emettitore, quindi IE =(circa) IC=50mAeVE =(circa) 2 V. Calcoliamo R103 con R = VE/IE =2/0,05 = 40ohm (39 ohm, R103 in figura 3).

Lo schema del classico amplificatore RF controreazionato.
Fig. 3 - Lo schema del classico amplificatore RF controreazionato

A questo punto stimiamo il valore delle resistenze di polarizzazione della base. Avendo imposto che VE = 2 V e sapendo che VBE =circa 0,65 V calcoliamo VB =VE + VBE = 2,65 V, diciamo 3 volt circa. Sappiamo anche che se IE = 50 mA e hFE = 50 la corrente di base IB deve essere IE/hFE= 1 mA. Il partitore R101 + R102 dovrà far passare una corrente circa 5 o 10 volte IB quindi dovrà avere una resistenza totale tra 2000 e 1200ohm, troviamo che la combinazione 1200 + 470ohm è appropriata. Apriamo il programma BiasNPN e inseriamo questi valori, modifichiamo i valori di R100 e VCC per non superare la dissipazione massima di 0,5 W, eventualmente ritocchiamo (di poco) i valori delle altre resistenze fin quando siamo soddisfatti. La polarizzazione in continua del nostro amplificatore è a posto. Passiamo ora a calcolare la controreazione in radiofrequenza, che determina il guadagno e le impedenze di ingresso e di uscita. Occorre verificare l’effetto delle resistenze tra collettore e base e tra emettitore e massa. Qui l’uso del programma di simulazione FBA è indispensabile (figura 5). La resistenza di emettitore, per la radiofrequenza, è data dal parallelo R103 con R104. La resistenza tra collettore e base può essere unica, come R101 in figura 3, oppure può essere costituita da una rete RC serie/parallelo in modo da avere due valori diversi per la corrente continua e per la radiofrequenza.

Il programma di simulazione BiasNPN.
Fig. 4 - Il programma di simulazione BiasNPN

 

Il programma di simulazione FBA
Fig. 5 - Il programma di simulazione FBA

É anche possibile, rinunciando un poco alla stabilizzazione della polarizzazione in continua, collegare R101 direttamente alla tensione di alimentazione e mettere tra collettore e base una resistenza con in serie un condensatore da 0,1 ohmF per la sola controreazione RF. Nel libro (1) ci sono diversi esempi di circuiti perfettamente funzionanti che possono essere simulati per impratichirsi con l’uso del programma. L’uso dei due programmi di simulazione permette anche a chi “è allergico ai calcoli” di studiare un circuito preso da una rivista ed apportare modifiche ragionate per adattarlo alle sue esigenze.

L’amplificatore bidirezionale
Per rendere bidirezionale il circuito occorre realizzare due amplificatori uguali e fare in modo che commutando semplicemente l’alimentazione ne funzioni uno alla volta; il secondo amplificatore, quello spento, non deve influire sul funzionamento di quello acceso. Dopo alcune prove sono arrivato al circuito di figura 6, provato a 9 MHz.

Amplificatore_Bidirezionale-RF

R105+R109 sostituiscono la resistenza di polarizzazione di base per la continua R101 di figura 3. R113 + R117 sono al posto di R103 per la continua. Se si alimenta il punto 12,5Rx il transistor Q101 riceve la polarizzazione di base e, tramite D100, vengono alimentati i collettori di entrambi i transistor. La base di Q102 è mantenuta a massa tramite R116, l’emettitore di Q102 è mantenuto ad una tensione positiva dalla caduta di tensione della corrente di emettitore di Q101 che scorre in R117, quindi la giunzione base emitter è polarizzata inversamente. Il segnale RF da J101 entra nella base di Q101 ma raggiunge anche il trasformatore T102 che si comporta come un’impedenza (XL) circa 10 volte più grande dell’impedenza di base di Q101, quindi il suo effetto è trascurabile. Il segnale RF esce dal centro di T101 e raggiunge l’uscita J100 tramite C107. L’uscita ha in parallelo verso massa, tramite C110, il circuito di base di Q102. Ma abbiamo visto prima che la giunzione è polarizzata inversamente e quindi non conduce, rimane il parallelo di R108 con R116 che rispetto ai 50ohm è abbastanza alto da non introdurre perdite significative. Si può notare che la controreazione RF tra collettore e base viene realizzata tramite la resistenza R118 da 1000, che è collegata non ai collettori ma alla presa intermedia dei trasformatori dove l’impedenza è 50ohm anziché 200ohm, in questo caso il programma di simulazione non fornisce risultati accurati ma il circuito funziona comunque. La degenerazione di emitter avviene sulla resistenza R113 (la R117 ha in parallelo C111, che per la RF è un cortocircuito). All’uscita è previsto il collegamento con un filtro a quarzi, pertanto ho inserito un attenuatore da 6 dB. Se si alimenta il punto 12,5Tx Q101 si spegne mentre Q102 amplifica, quindi il segnale entra da J100 ed esce J101.

Conclusioni
La scelta di come eseguire le commutazioni in un ricetrasmettitore influisce sui costi e sulla complessità del progetto; spesso si è nel dubbio se conviene duplicare un circuito o aggiungere delle commutazioni. L’uso dei programmi di simulazione ha permesso di verificare ed ottimizzare il funzionamento di un amplificatore RF senza dover eseguire calcoli complicati o modifiche e misure a ripetizione sul prototipo. Si è arrivati a realizzare un amplificatore RF classico che poi è stato parzialmente modificato per renderlo bidirezionale. Il circuito ottenuto non è perfettamente ottimizzato, tuttavia funziona egregiamente in un ricetrasmettitore QRP monobanda per i 20 metri in modo PSK31 nel quale ci sono due soli punti di commutazione: il relè di antenna e la commutazione TX-RX prima del primo mixer, realizzata con due diodi 1N4007. Il ricetrasmettitore sarà forse oggetto di un prossimo articolo.

Nota finale
Se sulla base del transistor spento arriva una tensione radiofrequenza superiore a circa 0,6volt la giunzione base-emettitore conduce e si innesca una controreazione positiva che porta il circuito in oscillazione. Usando mixer bilanciati ad anello di diodi tipo SBL1, MD108, MD109 (che richiedono un oscillatore locale da +7 dBm) la massima potenza ammessa sull’ingresso RF si aggira intorno a -10 dBm, pari a 0,1 V picco-picco, ed il circuito funziona. Usando mixer ad alto livello la tensione RF può superare questo limite e far oscillare il circuito. Suggerisco anche di sostituire i due diodi D100 e D101 con 1N914 oppure con diodi da 1 A, tipo 1N4001, 1N4007. I diodi 1N4148 a 50 mA sono sovraccaricati.

Bibliografia
1) Wes Hayward (W7ZOI), Rick Campbell (KK7B), Bob Larkin (W7PUA), “Experimental Methods in RF Design”, ARRL, 2003, ISBN # 0-87259-879-9.
2) BITX20: un transceiver QRP SSB bidirezionale per ELMER, RadioKit Marzo 2005 e mesi seguenti.

radiokit elettronica

 

 

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