Transceiver CW 20 m – Récepteur – Amplificateur RF

admin — Tue, 17 Apr 2012 14:10:43 +0000

Cet étage est basé sur le modèle Common Base Transformer Feedback Norton Amplifier. Cet amplificateur a initialement été décrit par Dr. David E. Norton. Il utilise un amplificateur à base commune qui introduit une contre réaction par transformateur, du collecteur à l’émetteur.

L’amplificateur NORTON

Norton démontre dans une analyse théorique du schéma ci-dessus avec les hypothèses simplificatrices suivantes:
le transistor a une impédance d’entrée nulle et une impédance de sortie infinie,
le gain en courant = 1, que la correspondance des impédances sera obtenue si le rapport de transformation n1: n2: n3 du transformateur satisfait à la condition 1: n: m où n = m2 – m – 1. Il démontre aussi que le gain en puissance est m2.

Le rapport du nombre de tours du transformateur définit le gain et adapte la sortie à la charge. Le résultat est un amplificateur à bruit de phase très faible, et à l’isolement inverse bon dans ma plage d’utilisation.

Dans sa note, Dallas Lankford décrit le résultat des expériences réalisées avec cet amplificateur. Il indique que l’impédance d’entrée dépend et, est égale à l’impédance de charge. De plus, le transformateur de l’amplificateur est un transformateur à large bande, avec une gamme de fréquence qui dépend des paramètres de transformation. Ainsi, la gamme de fréquences pour laquelle l’amplificateur fournit la correspondance entre les impédances d’entrée et de charge, ne dépasse pas la plage de fréquences du transformateur. Les ratios admissibles comprennent 1:1:2, 1:5:3, 1:11:4, 1:19:5, et ainsi de suite. Ainsi, avec un ratio 1:1:2 l’amplification = 4, et le gain = 10 log (4) = 6,02 dB, avec un ratio 1:5:3 l’amplification = 9, le gain = 10 log (9) = 9,54 dB, avec un ratio 1:11:4 le gain = 10 log (16) = 12,04 dB, avec un ratio 1:19:5 le gain = 10 log (25) = 13,98 dB, et ainsi de suite. Le nombre de spires du transformateur peut être modifié pour s’ajuster à la gamme de fréquences de l’amplificateur à condition que le ratio soit maintenu. Par exemple, un amplificateur 1:5:3 peut avoir 1:5:3 ou 2:10:6 ou 3:15:9 tours pour n1: n2: n3 et ainsi de suite. Les points de mise en phase du transformateur indiqués sur le schéma doivent être observés. Comme l’ amplificateur utilise la contre réaction, une inversion serait susceptible d’entraîner l’oscillation de l’amplificateur et en dégraderait les performances.

Application
J’ai repris le schéma de K8IQY. La base du transistor est polarisée avec une LED 2V, 2mA. J’ai simplement remplacé le transistor 2N2222 par le 2N3904 et ajouté un condensateur de liaison C5 = 100 nF entre le filtre passe bande et l’amplificateur. Le tore utilisé est un FT37-43 acheté chez Kits and Parts . Le bobinage 1:11:4 pour obtenir un gain de 12dB dans la bande 14MHz, a été réalisé avec du fil de cuivre émaillé de 0.7 mm récupéré sur un ancien téléviseur. Mini tore calculateur , indique l’inductance pour chaque bobine : 300 nH : 36.3 uH : 4,8 uH. Le bobinage, côté collecteur du transistor est fait de 15 tours de fil avec une prise à 4 tours côté froid. Côté émetteur du transistor, le bobinage est fait d’un fil passé dans le tore côté froid (attention à la phase, voir photo plus bas au paragraphe réalisation).

Télécharger les fichiers Kicad du schèma .

Simulation
Les outils disponibles sur internet permettent de vérifier et de régler les tensions, courants d’un circuit par calcul, de visualiser le fonctionnement d’un circuit par des graphes, d’en modifier le comportement par des paramètres.
J’utilise l’outil gratuit LTspiceIV de LINEAR TECHNOLOGY. Voici le modèle de simulation:

Paramètres de simulation
Pour l’étude il est intéressant de paramétrer l’élément fondamental du circuit, le transformateur. Il sera toujours possible ainsi de l’adapter au tore utilisé et à la bande passante désirée. Cela est fait en reprenant le paramètre magnétique du tore appelé inductance factor A_L et en l’utilisant pour calculer les inductances L1, L2, L3 de façon suivante:
.param L=300n (valeur de Al)
L1 = {L} (L1 = 1 tour * Al = 300 n)
L2 = {4*4*L} (L2 = (4 tours)² * Al = 4,800 u)
L3 = {11*11*L} (L3 = (11 tours)² * Al = 36,300 u)
Pour étudier la polarisation du transistor:
.param Rb=3.3k ;2n3904 (polarisation de la base du transistor)
.param Re=56 (résistance d’émetteur)

Simulation 1 : analyse transitoire
Elle calcule les variables du circuit en fonction du temps. Une tension sinusoïdale Vpp = 2 V peak to peak et F = 14 MHz est injectée à l’entrée du circuit au travers d’ une résistance de 47 Ohms et l’on observe la tension à la sortie. Au cours de cette analyse on calcule:
.measure Tran VoutPP PP V(OUT) (tension pp de sortie)
.measure Tran VxPP PP V(x) (tension pp au point x d’entrée)
.measure Tran VinPP PP V(IN) (tension pp par le générateur)
.measure Tran Zin PARAM 47*VxPP/(VinPP-VxPP) (impédance d’entrée)

Voici le graphe obtenu:

Résultat des calculs:
voutpp: PP(v(out))=4.02434 Vpp FROM 0 TO 0.001
vxpp: PP(v(x))=1.02666 Vpp FROM 0 TO 0.001
vinpp: PP(v(in))=1.99613 Vpp FROM 0 TO 0.001
zin: 47*vxpp/(vinpp-vxpp)=49.7726 Ohms

Simulation 2 : analyse petit signal AC
Elle calcule automatiquement le point de polarisation du circuit pour ensuite établir le schéma équivalent petit signal de tous les éléments non linéaires du circuit (diodes, transistors bipolaires,etc…). Elle visualise la courbe de réponse, amplitude et phase des différentes grandeurs du circuit en fonction de la fréquence lorsqu’un signal d’amplitude infinitésimale est appliqué au circuit. Au cours de cette analyse on calcule:
.measure AC OUTMAX max mag(V(out)) (Gain maximum sur la plage 1 à 100 MHz)
.measure AC out1 find mag(V(out)) AT 14Meg (Gain maximum à 14 MHz)

Voici le graphe obtenu:

Résultat des calculs:
outmax: MAX(mag(v(out)))=(11.9227dB,0°) FROM 1e+006 TO 1e+008
out1: mag(v(out))=(11.9218dB,0°) at 1.4e+007

Observations
On constate sur le premier graphe la parfaite amplification du signal. Sur le second graphe on note que la courbe de réponse est plate dans la partie des 14 Mhz et sur une très large bande. Le gain à 14 MHz = 11,92 dB est approximativement le gain maximum sur la plage 1 à 100 MHz et correspond au gain théorique prévu de 12 dB avec le transformateur 1:11:4.

Télécharger les fichiers LTspice de la simulation .

Réalisation
Le circuit est réalisé sur une plaque d’époxy cuivrée simple face de 5 x 3,8 cm. La gravure est simple: 4 x 3 = 12 îlots identiques. Un îlot a été découpé en 2 parties pour le transistor. Cette plaque est soudée au moyen du fil de masse sur la plaque d’époxy cuivrée qui sert de support à toutes les cartes et reliée par un condensateur de 100 nF au filtre passe bande. La photo 1 montre le circuit. Pour obtenir la valeur désirée, certaines résistances sont obtenues en soudant 2 résistances en parallèle. Les condensateurs de découplage de 100 nF sont des CMS 1206. Ces composants minuscules se soudent très facilement en utilisant la technique décrite par Francis THOBOIS. La photo 2 montre comment l’inductance L1 est enroulée sur le tore.

Photo 1

Photo 2

Test
Je me suis assuré d’abord des valeurs des tensions:
alimentation = 13,8 V
aux bornes de la LED = 2 V
jonction base et émetteur Vbe = 0.7 V
aux bornes de la résistance d’émetteur = 1,11 V.
Pas de fumée, tout est OK!

Pour tester le circuit, j’ai utilisé un petit générateur HF. J’ai injecté un signal de 14 MHz à l’entrée du filtre passe bande et observé le résultat à l’oscilloscope.

Photo 3 signal en sortie de l’amplificateur

La mesure donne:
signal à l’entrée de l’amplificateur Vin = 36 mVpp
signal à la sortie de l’amplificateur Vout = 128 mVpp.
Gain en puissance = 10 log Pout/Pin = 10 log Uout²/Uin² quand les impédances Zin=Zout, soit 20 log Uout/Uin = 20 log 128/36 = 11 dB.
La mesure confirme la théorie.

Références
- Common Base Transformer Feedback Norton Amplifiers de Dallas Lankford, 8 VI 94, rev. 21 V 07,
- Development of a low noise high reverse isolation low distortion RF Amplifier de KO4BB,
- Notes on Common-Emitter Transformer Feedback Amplifiers de KE5FX,
- Transistor Amplifier with Impedance Matching Transformer David E. Norton, US Patent 3,891,934, June 1975 (expired)
- A 20 Meter, Discrete Component CW Transceiver Built Manhattan-style de Jim Kortge K8IQY.

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