Spf5043z питание по кабелю

Содержание

Малошумящий широкополосный (50МГц – 4000МГц) VHF усилитель на микросхеме SPF5043Z. Как усилить сигнал цифрового ТВ?

Вопрос: "Здравствуйте!
У меня на даче сигнал цифрового ТВ (диапазон 24-30 мультиплексов) ловится только на 2-ом этаже.
При кабеле около 1м все ОК, а опускаю 7м до первого – нет сигнала!
Антенна самодельная, что тройной квадрат, что четвертной – разницы нет.
Есть микросхемка УВЧ SPF5043. Имеет ли смысл перед её входом поставить ПФ 3-го порядка для диапазона 24-30 мультиплексов цифрового ТВ?
Или ФНЧ со срезом 700 Мгц, а то у усилителя полоса чуть ли не до 4ГГц?
Или не мучиться – в разрыв кабеля влупить и изолентой замотать?!".

Ответ: Влупить и замотать! Не нужно чтобы потомки видели наши мучения, вызываемые созерцанием желанной цели и сознанием невозможности её достичь. Отомстим государству за пенсионную реформу. Ударим буржуйской микросхемой по бюрократизму и разгильдяйству!

Только для реального улучшения качества приёма лупить надо в непосредственной близости от полотна антенны, а мотать не абы как, а предварительно впихнув поделку в пластмассовую, а лучше металлическую, а ещё лучше герметичную (тогда и мотать ничего не надо) коробчёнку.

А теперь немного глубокомыслия. Почему в данном случае вопрошающему совета не требуется никаких излишеств?
1. Судя по наличию приёма с коротким куском кабеля – полезный сигнал из антенны вылезает, и выуживать его из помех какими-либо дополнительными фильтрами большой нужды не имеется.
По большому счёту, правильно рассчитанная антенна сама по себе обладает определёнными фильтрующими свойствами.
2. Микросхема SPF5043Z является Ultra-Low Noise (как заявляет производитель), обладает большим динамическим диапазоном, высокой перегрузочной способностью, поэтому лишние 20дБ усиления ИМС ничего плохого с полезным сигналом, поступающим на вход приёмного устройства, не сделают. По сути дела, усилитель просто скомпенсирует затухание сигнала (около 1дБ на каждый метр кабеля), вносимое длинным коаксиалом.

Хорошая статья, посвящённая тестированию микросхемы SPF5043Z, была опубликована в журнале Радио №2/2014 под авторством уважаемого специалиста из области приёмо-передающих устройств Игоря Гончаренко (DL2KQ).
Приведу некоторые выдержки из вышеупомянутой статьи.

«При работе на УКВ малошумящий усилитель, расположенный непосредственно у антенны, необходим практически всегда. На сотнях мегагерц затухание вполне ощутимо даже в очень хороших коаксиальных кабелях (не говоря уже об обычных). И неразумно ослаблять потерями в кабеле и без того слабые сигналы, принятые антенной, — коэффициент шума приёмника возрастает на величину этих потерь. Скомпенсировать их последующим усилением на приёме тоже невозможно: пропорционально будет расти и шум.
Разных антенных МШУ существует немало, но для самостоятельного изготовления предпочтительны усилители, которые:

— имеют простую схему и малое число элементов;
— собраны на простой в изготовлении печатной плате;
— не требуют налаживания;
— имеют большой динамический диапазон по интермодуляции;
— допускают сравнительно большую входную мощность.

Некоторые из этих условий требуют пояснения.
Большой динамический диапазон необходим, поскольку МШУ при перегрузке мешающими сигналами (например, ТВ- и УКВ-вещания, служебных передатчиков и т. п.) порождают помехи на других частотах, причём нередко такие помехи попадают именно на принимаемый сигнал.
Повышенная допустимая входная мощность нужна в случае использования МШУ на радиостанции. В режиме передачи на антенне будет присутствовать мощность в десятки, а то и сотни ватт. Понятно, что на передаче МШУ отключён, но ведь речь идёт об УКВ! И даже малая конструктивная ёмкость хороших реле на УКВ существенно снижает развязку приёмного и передающего трактов.

Принципиальная схема МШУ с полосой пропускания от 100 до 1300 МГц, отвечающего вышеперечисленным условиям, показана на рис. 1.

Он выполнен на микросхеме SPF5043Z и может быть использован как на любительских УКВ-радиостанциях, так и для дальнего приёма ТВ-и УКВ-радиовещания, в популярных ныне широкополосных SDR-приёмниках на основе DVB USB-тюнеров и т. д.
Эта микросхема недорогая (примерно 3 долл. США) и очень удобна для применения в МШУ. Она имеет согласованный в широкой полосе вход и выход, низкий коэффициент шума, большой динамический диапазон и высокую перегрузочную способность по входу.

Усилитель в описанном конструктивном исполнении имеет следующие измеренные параметры в любительских УКВ-диапазонах:

1. Усиление — 22,8 дБ на 144 МГц, 20,5 дБ на 432 МГц, 12,1 дБ на 1296 МГц.
2. Коэффициент шума — 0,6 дБ на 144 МГц, 0,65 дБ на 432 МГц, 0,8 дБ на 1296МГц.
3. КСВ по входу— 1,7 на 144 МГц, 1,3 на 432 МГц, 1,4 на 1296 МГц. Это без всяких цепей согласования.
4. Точка IP3 — не менее 26 дБм во всех вышеперечисленных диапазонах.
5. Допустимая мощность на входе — уровень сигнала на входе 200 мВт.
6. Потребляемый ток — 25 мА.

Усилитель собран на плате размерами примерно 18×14 мм, вырезанной обычным резаком. Используется фольгированный с двух сторон стеклотекстолит толщиной 1 мм. На нижней стороне фольга сохранена полностью и используется в качестве общего провода, а на верхней стороне прорезаны зазоры, как показано на рис. 2.

Габариты корпуса SOT-343 микросхемы (без выводов) — 1,2×2 мм. Это, конечно, мелкая деталь, но SPF5043Z ещё вполне можно паять тонким жалом обычного паяльника, не используя специальную паяльную станцию с феном.
Пассивные элементы платы применены типоразмера 0603 для поверхностного монтажа. Красными точками на рис. 2 показаны места перемычек, соединяющих проводники общего провода верхней и нижней сторон платы. Их число выбирают по принципу "кашу маслом не испортишь". Эти перемычки обеспечивают низкоимпедансную "УКВ-землю" и устойчивость усилителя к внешним полям. Устойчивость МШУ при таком конструктивном выполнении такая, что он не нуждается в экранированном корпусе.
Вход усилителя распаивают сразу на антенну (если она приёмная) или на реле коммутации RX-TX (если она приёмопередающая). Для защиты от статического электричества и грозовых разрядов желательно, чтобы антенна была замкнута по постоянному току и/или заземлена (петлевой или рамочный вибратор и т. п.). Если антенна разомкнута по постоянному току, параллельно входу МШУ надо установить пару ограничительных диодов СВЧ-диапазона, включённых встречно-параллельно.

Устройство не требует налаживания. Даже не представляю, что нужно сделать, чтобы этот усилитель работал неправильно.

Если для питания используется не то напряжение, которое указано на рис. 1, надо изменить соответственно R1 (на самом усилителе должно быть 3 В — это оптимум по шумам). При повышении питания на усилителе до 5 В немного возрастает коэффициент шума, но и увеличивается динамический диапазон (и потребляемый ток тоже)».

Малошумящий усилитель LNA (аббревиатура от англ. Low-noise amplifier) прямо на антенне при сколь-нибудь серьезной работе на VHF необходим. Затухание даже в очень хороших коаксиальных кабелях на сотнях мегагерц вполне ощутимо (не говоря уж об обычных). И неразумно еще до приемника ослаблять потерями в кабеле и без того маленькие сигналы, принятые антенной.

Разных антенных LNA существует немало. Но для самостоятельного изготовления радиолюбителем многие из них имеют следующие недостатки:

Довольно сложные схемы.

Печатная плата с высокими требованиями по точности (которую проблемно, а то и вовсе невозможно изготовить в домашних условиях).

Необходимость настройки (для чего требуются измерительные приборы, которые далеко не у всех есть).

Малый динамический диапазон по интермодуляции. Т.е. при перегрузке мешающими сигналами (например, ТВ и радиовещания, служебных передатчиков, и т.п.) LNA производит помехи на других частотах. Которые по нерушимому закону подлости попадают в принимаемый нами диапазон.

Для ослабления этого на входе приходится ставить узкополосные LC-контура. Но потери в них прямо прибавляются к коэффициенту шума LNA, ухудшая шумовые характеристики всей системы. Для снижения этих потерь контура приходится делать высокодобротными, т.е. с большими катушками. А это усугубляет и без того немалые проблемы следующего пункта.

Этот пункт относится к приемопередающей антенне. При передаче на ней будут десятки, а то и сотни ватт. Понятно, что на передаче LNA отключен. Но ведь речь идет о VHF. И даже малая конструктивная емкость хороших реле на VHF имеет не очень высокий импеданс, снижая развязку.

Большинство транзисторных LNA имеют допустимую входную мощность всего 1 мВт (0 dBm). И при заметном ее превышении горят, даже будучи отключенными от питания. Поэтому для коммутации приём-передача с такими LNA одного, даже очень хорошего, реле на входе как правило недостаточно. Приходится применять более сложные системы коммутации, с дополнительным реле, замыкающим вход LNA.

Если на входе LNA имеются катушки заметных размеров (фильтр или согласование), то ситуация усугубляется. Антенна ведь на передаче излучает. А катушка принимает наводку (контур на входе настроен на рабочую частоту, поэтому его катушка принимает довольно эффективно), которая может быть довольно большой, невзирая на замыкание входа. Поэтому такой LNA приходится хорошо экранировать от собственной антенны. Что тоже не упрощает конструктив.

LNA на SPF5043Z

Принципиальная схема LNA на микросхеме SPF5043Z, лишенного вышеперечисленных недостатков, показана на рис. 1.
Рис. 1

Его основа – недорогая (около 3$), но очень удобная микросхема SPF5043Z. Она имеет согласованный вход и выход в широкой полосе, низкий коэффициент шума, большой динамический диапазон и высокую перегрузочную способность по входу.

Параметры

LNA рис.1 при описанном ниже конструктивном исполнении имеет следующие измеренные параметры в любительских УКВ диапазонах:

Усиление: 22,8 дБ на 144 МГц, 20,5 дБ на 432 МГц, 12,1 дБ на 1296 МГц.
Коэффициент шума: 0,6 дБ на 144 МГц , 0,65 дБ на 432 МГц, 0,8 дБ на 1296 МГц .
КСВ по входу: 1,7 на 144 МГц, 1,3 на 432 МГц,1,4 на 1296 МГц. Это без всяких цепей согласования входа.
Точка IP3: выше 26 dBm во всех вышеперечисленных диапазонах (сравните, у большинства транзисторных LNA этот параметр около 0 dBm).
Мощность на входе: поданные на вход 200 мВт (23 dBm) не привели к повреждению усилителя во всех диапазонах (в мануале написано, что он выдерживает до 25 dBm, но выходить на предел мне не захотелось).
Ток потребления 25 mA.

Конструкция

Уважаю людей, способных красиво развести и вытравить аккуратную печатную плату под узел, нужный в одном или, максимум, нескольких экземплярах. Но свою лень уговорить на подобный подвиг не удалось. Поэтому усилитель собран на плате, вырезанной обычным резаком. Используется двусторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1 мм, на нижней стороне фольга сохранена полностью и используется в качестве земли, на верхней процарапаны дорожки, как показано на рис. 2.

Габариты платы оцените сами, исходя из того, что габариты корпуса микросхемы 1,2 х 2 мм (не считая выводов). Это, конечно, маленькие размеры, но SPF5043Z еще вполне можно паять тонким жалом обычного паяльника, не используя специальную паяльную станцию с феном.

Пассивные элементы платы типоразмера 0603. Красными точками на рисунке 2 показаны места перемычек, соединяющих шины земли верхней и нижней стороны платы. Их количество выбирается по принципу "кашу маслом не испортишь" – эти перемычки обеспечивают низкоимпедансную VHF землю и устойчивость усилителя к внешним полям.

Последняя при данном конструктиве такова, что LNA не нуждается в отдельном экранированном корпусе.

Вход усилителя распаивается сразу на антенну (если она приемная) или на реле коммутации RX-TX (если приемопередающая). Для защиты от статики и гроз очень желательно, чтобы антенна была бы замкнута по постоянному току иили заземлена (петлевой или рамочный вибратор и т.п.).

Настройка

Не требуется. Совсем. Даже не представляю, что можно такого сделать, чтобы этот усилитель в описанном конструктиве работал бы неправильно.

Единственное, если для питания используется другое напряжение, чем указано на рис. 1, то измените соответственно R1 (на самом усилителе должно быть 3 В, это оптимум по шумам, при этом он потребляет около 25 мА. При повышении питания на усилителе до 5 В немного возрастает коэффициент шума, но растет динамический диапазон и ток потребления).

Измерения

На рис. 3 приведена частотная зависимость усиления. Чтобы не перегрузить вход анализатора, на выходе усилителя был включен аттенюатор 20 дБ, т.е. усиление выше графика рис. 3 на 20 дБ.

На рис. 4 приведена зависимость KCB входа усилителя от частоты.

Согласование в широкой полосе достаточно хорошее. Чтобы разобраться как его улучшить, обратимся к рис. 5, на котором показана зависимость комплексного входного импеданса от частоты.

Из графика рис.5 следует, что если LNA используется как однодиапазонный, то на 144 МГц для лучшего согласования достаточно включить дроссель 30 нГн последовательно со входом. При этом достигается КСВ