Breitbandig in eine 50 Ohm Leitung einkoppeln

[Tim . (cpldcpu)]

Ich würde gerne den Ausgang eines aus diskreten Transistoren aufgebauten 
Breitbandverstärkers (~0 Hz bis >200 MHz) in eine 50 Ohm Leitung 
einkoppeln.

In den meisten LNA-Schaltungen wird ja meist nur relativ schmalbandig 
gematched. Ich frage mich, ob ich hier etwas konzeptionell sehr 
ungewöhnliches verlange?

Aktuell versuche ich es mit einem Emitter-Follower/Kollektorschaltung, 
wie in der Schaltung im Anhang. (U7 ist ein 10µF Kondensator als 
Detailmodell). Das funktioniert so einigermaßen, bringt aber ein paar 
Probleme mit sich:

1) Bei hohen Frequenzen steigt der Ausgangswiderstand des Transistors, 
so dass das Matching nicht mehr passt.

2) Durch die notwendige AC-Kopplung ist nach unten hin bei ca 1 KHz 
schluss.

Was könnte man hier noch probieren?

[Dergute W. (derguteweka)]

Moin,

Gegen 1.) passives LC-Anpassnetzwerk
Gegen 2.) Negative Betriebsspannung einfuehren, auf Koppel C verzichten.

Gruss
WK

[Der Zahn der Zeit (🦷⏳) (Gast)]

1): Soweit ich weiß, wird der der induktive Anteil der Ausgangsimpedanz 
des Emitterfolgers relevant. Im Gegensatz zu WK sehe ich keine einfache 
Kompensationsmöglichkeit über die gesamte Bandbreite.

Ich nehme aber an, dass ein Transistor in Emitterschaltung, bzw. bei 
dieser Bandbreite zwei Transistoren in Kaskodenschaltung, Erfolg 
versprechen würden.

2): Was du da vorhast, ist ja kein Anfängerkram. Deswegen überrascht 
mich die zweite Frage. Das ist doch Anfängerniveau.

[Hp M. (nachtmix)]

Tim  . schrieb:
> Ich würde gerne den Ausgang eines aus diskreten Transistoren aufgebauten
> Breitbandverstärkers (~0 Hz bis >200 MHz) in eine 50 Ohm Leitung
> einkoppeln.

Wo siehst du da ein Problem?
Wenn das wirklich  ein Breitbandverstärker ist,  wird er sich an einer 
50 Ohm Leitung genau so verhalten, wie an einem 50 Ohm Lastwiderstand.
Frequenzgangskompensation kann auch auf der Eingangsseite passieren

Wenn der Verstärker allerdings auch noch eine konstante Ausgangsimpedanz 
von Re 50 Ohm haben soll, dann brauchst du vom Hersteller die 
S-Parameter des Transistors und  musst in der Simulation (Puff?) mit 
einem (beliebig komplizierten) Anpassnetzwerk dafür sorgen, dass S22 des 
Verstärkers für alle Frequenzen in der Mitte der Smith-Chart bleibt.
Weil der Ausgangswiderstand des Emitterfolgers ziemlich gering ist, wird 
dabei irgendwo ein ohmscher Serienwiderstand von knapp 50 Ohm nötig 
sein.

Die DC-Fähigkeit bringst du, wie WK schon schrieb, mit einer negativen 
Versorgung (Strom oder Spannung) hinein.

[Klaus R. (klara)]

Tim  . schrieb:
> Ich würde gerne den Ausgang eines aus diskreten Transistoren aufgebauten
> Breitbandverstärkers (~0 Hz bis >200 MHz) in eine 50 Ohm Leitung
> einkoppeln.

Der gunthard-kraus hat ein tolles Tutorial für LTspice bereitgestellt. 
Er ist aber nicht nur Professor sondern auch Amateurfunker.

HF-Spezialausgabe:  Vollständige Simulation eines 
137MHz-Wettersatelliten- Empfangskonverters mit LTspice IV

http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/CD_LTSwitcherCAD/pdf-file/Rf_German_01.pdf

In seiner Spezialausgabe kannst u.U. etwas für Dein Anliegen entnehmen.
mfg Klaus

[Tim . (cpldcpu)]

Vielen Dank für die guten Rückmeldungen und Denkanstöße. Die Website von
Gunthart Kraus ist sehr interessant!

In der Tat habe ich gerade erst vor kurzem damit angefangen, mich etwas
mit RF Design zu beschäftigen. Wahrscheinlich nicht immer mit den
richtigen Denkansätzen und Tools. Das Nutzen einer negativen
Betriebsspannung, um den Arbeitspunkt gegen 0 Volt zu legen ist klar.
Ich hatte gehofft, dass es da evtl. noch ein paar Tricks gibt :)

Die Problemstellung aus der sich die Fragen oben ergeben haben ist
eigentlich trivial: Ich will den Ausgang eines von mir entworfenen
Verstärkers an ein Oszilloskop anschließen (Rigol MSO5000). Dazu setze
ich eine Serienterminierung ein. Leider hat sich herausgestellt, dass
das Matching auf Oszilloskopseite alles andere als ideal ist.

Dazu habe ich in der Zwischenzeit auch einen Thread im EEVblog gefunden:
https://www.eevblog.com/forum/testgear/inexpenive-50-ohm-feed-through-terminations/

Anbei S11 Messungen des verwendeten Serienterminators offen und am
Oszilloskop. Leider ist das Matching ausgesprochen schlecht, so dass es
Reflexionen gibt, die durch gutes Matching des Ausgangs verhindert
werden müssten. Ansonsten wäre ein Attenuator vor dem Oszilloskope wohl
noch eine Lösung?

[argos (Gast)]

Tim  . schrieb:
> Anbei S11 Messungen des verwendeten Serienterminators offen und am
> Oszilloskop. Leider ist das Matching ausgesprochen schlecht, so dass es
> Reflexionen gibt, die durch gutes Matching des Ausgangs verhindert
> werden müssten. Ansonsten wäre ein Attenuator vor dem Oszilloskope wohl
> noch eine Lösung?

Der S11 Verlauf ist typ. für einen 50 Ohm Parallelabschluß am Eingang 
eines Oszilloskops mit Cin ~ 15pF. Es gibt nichts was man groß daran 
ändern könnte.

Wenn das Oszilloskop keine schaltbaren 50 Ohm Eingang besitzt, dann ist 
ein 20dB Dämpfungsglied (das Äquivalent zum 10:1 Tastkopf) eine valide 
Lösung zur Verbesserung der Anpassung. Die Bandbreite liegt bei typ. 
450MHz. Bis 250MHz ist der Amplitudenfehler minimal.

[Tim . (cpldcpu)]

argos schrieb:
> Der S11 Verlauf ist typ. für einen 50 Ohm Parallelabschluß am Eingang
> eines Oszilloskops mit Cin ~ 15pF. Es gibt nichts was man groß daran
> ändern könnte.
>
> Wenn das Oszilloskop keine schaltbaren 50 Ohm Eingang besitzt, dann ist
> ein 20dB Dämpfungsglied (das Äquivalent zum 10:1 Tastkopf) eine valide
> Lösung zur Verbesserung der Anpassung. Die Bandbreite liegt bei typ.
> 450MHz. Bis 250MHz ist der Amplitudenfehler minimal.

Danke! Mal ganz blöd gefragt: Spricht etwas dagegen, den Attenautor 
bereits auf die Quellseite zu setzen? (Spannungsteiler am 
Emitterfolger). Wenn das Matching gut ist, sollte die rücklaufende Welle 
ja nicht noch einmal reflektiert werden. Außerdem könnte man den 
Arbeitspunkt dann in die Nähe von 0V setzen und die AC-Kopplung 
eliminieren.

Allerdings ist der Gesamtgain des Systems dann natürlich für die Katz...

Ich habe die Schaltung des LNAs einmal angehängt. Erstaunlicherweise 
liegen LTspice-Simulation und S21 Messung gar nicht weit auseinander. 
(Anfängerglück?) Das spricht für die Spice-Modelle von NXP.

Wahrscheinlich sollte mir ich mit den emitter-follower einfach sparen 
und nur eine common-emitter stufe einsetzen. Der EF sollte ein- und 
Ausgang besser entkoppeln.

Die Sprungantwort habe gemessen, indem ich mit einem TLV3501 Komparator 
+ 30 dB Attenuator die Steilheit des im MSO5000 eingebauten 
Pulsgenerators verbessert habe. Die ~1.4 ns entsprechen der TLV3501 
spec, würden sich aber auch aus der Verstärkerbandbreite ergeben. Ich 
werde noch einen besseren Pulsgenenator bauen.

Ich habe die Sprungantwort mit unterschiedlichen Kabellängen gemessen. 
Da sieht man schön, dass das Matching auf Ausgangsseite noch nicht ideal 
ist. Gleichermaßen geht das aus der S22 Messung hervor.

Gibt es etwas, dass ich hier grundsätzlich falsch angegangen bin? (Es 
fehlen Induktivitäten, um die Supplykopplung zu eliminieren. Das habe 
ich schon gemerkt...)

[argos (Gast)]

Tim  . schrieb:
> Mal ganz blöd gefragt: Spricht etwas dagegen, den Attenautor
> bereits auf die Quellseite zu setzen? (Spannungsteiler am
> Emitterfolger).

Ja, das 20dB Dämpfungsglied ließe sich auch direkt am Ausgang des 
Verstärkers anschließen. Zwischen Abschluß am Oszilloskop und 
Dämpfungsglied sitzt dann ein beliebig langes 50 Ohm Koaxkabel. Da das 
Oszilloskop nur eine durchschnittliche 50 Ohm Last darstellt, ist, 
bedingt durch die transformatorischen Eigenschaften des Koaxialkabels, 
bei S11 eine leichte Welligkeit zu beobachten (s. Anhang).

Tim  . schrieb:
> Wahrscheinlich sollte mir ich mit den emitter-follower einfach sparen
> und nur eine common-emitter stufe einsetzen. Der EF sollte ein- und
> Ausgang besser entkoppeln.

So wie ich das verstanden habe, ist dein Hauptanliegen aus dem 
Oszilloskop eine gute 50 Ohm Senke zu machen, was mit dem zusätzlichen 
20dB Dämpfungsglied klappt.
Als Verstärker reicht eigentlich auch eine einstufige Variante. Im 
Anhang findest du 2. Bsp.:

12dB Verstärker:

Es wird sowohl Parallel- als auch Seriengegenkopplung benutzt. Der 
Verstärker ist auf bestes S22 optimiert, S11 ist aber auch nicht zu 
verachten. Die Betriebsspannung wird über den 330 Ohm 
Kollektorwiderstand zugeführt, Bias-Widerstände und sonstige 
Entkoppelmaßnahmen werden im Ersatzschaltbild nicht berücksichtigt. Zur 
Optimierung des Frequenzganges wurden, an passender Stelle, kurze 
Leitungen vorgesehen.

10dB Verstärker:

In 2. Bsp. wird nur mit Parallelgegenkopplung gearbeitet. Wegen des 
geringen Ein- und Ausgangswiderstandes, helfen Reihenwiderstände bei der 
Anpassung aus. Ein- und Ausgang haben einen leicht induktiven Anteil, 
der breitbandig über jeweils ein RC-Glied kompensiert wird. Sowohl 
S11/S22 als auch die Isolationseigenschaften (S12) des Verstärkers sind 
sehr gut.

[Egon D. (Gast)]

Tim  . schrieb:

> Die Problemstellung aus der sich die Fragen oben
> ergeben haben ist eigentlich trivial: Ich will den
> Ausgang eines von mir entworfenen Verstärkers an
> ein Oszilloskop anschließen (Rigol MSO5000). Dazu
> setze ich eine Serienterminierung ein.

Das geht nicht.


> Anbei S11 Messungen des verwendeten Serienterminators
> offen und am Oszilloskop.

Ein echter Serienterminator müsste m.E. ein wesentlich
schlechteres S11 am NWA ergeben. Ich vermute, Du hast
einen Durchgangsabschluss, d.h. einen Parallelabschluss
mit zusätzlichem Ausgang für ein hochohmiges Messgerät
(=Oszi).


> Leider ist das Matching ausgesprochen schlecht,

Du hast noch keine ausgesprochen schlechte Anpassung
gesehen :)

Schalte ein Dämpfungsglied von 6dB vor und miss nochmal.

[Egon D. (Gast)]

argos schrieb:

> Tim  . schrieb:
>> Anbei S11 Messungen des verwendeten Serienterminators
>> [...]
>
> Der S11 Verlauf ist typ. für einen 50 Ohm Parallelabschluß
> [...]

Entscheidet Euch mal bitte: Serie oder Parallel?


> Es gibt nichts was man groß daran ändern könnte.

Nun ja.
Mich würde interessieren, was passiert, wenn man längs
vor den Eingang die Parallelschaltung von 50 Ohm und
37.5 nH einschaltet...