Präziser HF-Generator 1,6-30 MHz
Es wurde der Versuch unternommen, mit geringem Aufwand einen frequenz- und amplitudenstabilen Laborgenerator zu bauen. Neben diesen Basisforderungen sollte ein bis etwa 2 Vss entsprechend 10 mW bzw. 10 dBm an 50 Ohm einstellbarer Pegel zur Verfügung stehen.
Von den zahlreichen Oszillatorschaltungen zeichnet sich die nach Colpitts mit Feldeffekttransistor als tiberaus schwingsicher und frequenzstabil aus. Deshalb wurde das Verhalten dieser Schaltung naher untersucht. Als erstes zeigte sich, dass man die üblicherweise geringe Frequenzvariation von etwa 3 bis auf beachtliche 5 ausdehnen kann. Dies bedeutet, dass man mit nur einer Frequenzumschaltung den Bereich von 1,6 bis 30 MHz erfassen kann. Der untere Bereich bestreicht dann 1,6 bis etwa 7 MHz, der obere 7 bis 30 MHz.
Die Schaltung
Nach Bild 1 teilt sich in Oszillator und Verstarker. Der Oszillator hat als Besonderheit einen Dreifach-Drehkondensator 3 × 500 pF als Abstimmelement, wobei die am Gate liegende Kapazitat maximal beachtliche 1.000 pF durch die Parallelschaltung von zwei Paketen aufweist. Dadurch wird die große Frequenzvariation von 5 erreicht.
Bild 1: Die Generatorschaltung ohne Stromversorgung: links der Colpitts-Oszillator, rechts der Verstarkerteil mit MMIC. Die Anschlussbelegung des FETs ist von unten gesehen.
Die Umschaltung der Frequenzbereiche erfolgt mit einem einfachen Schalter S, der nicht umschaltet, sondern nur die kleinere Spule parallel- oder abschaltet. Der Schalter ist in unmittelbarer Nähe der Spulen angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass unerwünschte Resonanzeffekte, wie sie ein Umschalter oder Drehschalter mit seiner Verdrahtung hervorruft, wegfallen.
Durch die Umschaltung kann nun mit der erforderlichen Uberlappung bei 7 MHz der gesamte KW-Frequenzbereich von 1,6 bis 30 MHz lückenlos durchgestimmt werden.
Eine Besonderheit ist auch die Anordnung der Schottky-Diode BAR 28 in Durchlassrichtung vom Gate gegen Masse. Dadurch wird der Arbeitspunkt des FETs stabilisiert, zusatzlich tritt eine Reduzierung der Transistor-Sperrschichticapazitat wahrend der positiven HF-Spitzendurchgange auf. Dies bewirkt eine Reduzierung der Harmonischen sowie einen gritheren Abstimmbereich insbesondere zu hitheren Frequenzen.
Der Source-Widerstand stabilisiert zusatzlich den Arbeitspunkt, wahrend die Drossel mit 1 mH den eigentlichen Arbeitswiderstand für die HF darstellt.
Die erforderliche Mitkopplung zur Schwingungsanfachung erfolgt über den 120-pF-Kondensator.
Durch die Auskopplung vom Gate und somit direkt vom Hochpunkt des Schwingkreises wird hohe Oberwellenfreiheit erreicht.
Das vom Gate abgegriffene HF-Signal hat etwa einen Pegel von 100 mV und muss nun noch verstarkt werden.
Das HF-Signal gelangt über den Trennkondensator 100 nF und der zur "Hohenanhebung" dienenden RC-Kombination an das niederohmige Poti. Der 2,2-Ohm-Widerstand deüniert die Mindestdampfung am unteren Anschlag des Schleifers, ohne ihn kommt es dann zu Verzerrungen.
Uber einen weiteren Trennkondensator geht es nun an den Eingang des MMIC-Verstarkers. Der MSA 0886 ist die preiswerte SMD-Ausührung des groBeren MSA 0885, der ebenfalls verwendbar und infolge seiner mechanischen Grithe etwas einfacher zu loten ist.
Obwohl so ein MMIC normalerweise für seinen Einsatz als Kleinsignalverstarker keinen Bias-Widerstand am Eingang benotigt, ist dieser bei Verwendung als Großsignalverstarker in unserem Gerat notig.
Mit dem 10-kOhm-Einstellregler wird bei der Betriebsspannung von 12 V und bei voll aufgedrehtem 100-Ohm-Poti die Symmetrie der Ausgangsspannung eingestellt.
Die Induktivita am Ausgang bewirkt eine urn etwa 30 % hohere Ausgangsspannung und sollte deshalb unbedingt eingebaut werden.
Das nun am Ausgang anstehende Signal mit etwa 6 Vss wird jetzt urn 3 dB abgeschwacht. Dies scheint keinen Sinn zu machen, ist aber notig, da der MMIC ftir eine Last von 50 Ohm ausgelegt ist. Bei Leerlauf oder hochohmiger Last am Ausgang treten namlich unschone Verzerrungen des Ausgangssignals auf.
Zusatzlich wird mit dem 50-Ohm-Dampfungsglied ein Generator-Innnenwiderstand von 50 Ohm defmiert, was Rir viele Messungen notig ist.
Die Diode 1N4148 wirkt als Verpolungsschutz.
Eine einfache Pegelanzeige sowie ein Ausgang für einen externen Zähler erganzen das Schaltungskonzept.
Erst die Bauteile...
Der Drehkondensator ist bei Oppermann ungebraucht erhaltlich, sehr stabil und solide aufgebaut. Er wurde einst als Abstimmdrehko in Grundig-Satellit-Empfangern benutzt.
Als Potentiometer sollte ein hochwertige Ausführung verwendet werden. Billige Potis, wie in der Audiotechnik verwendet, sollten vermieden werden (Empfehlung s. Stückliste). Das angegebene Poti hat eine 6,35-mm-Achse, dies ist bei der Wahl des Drehknopfs zu berücksichtigen.
Zur Pegelanzeige eignet sich jedes normale Proülinstrument mit ca. 100 µA. Es kann auch jedes andere Drehspulinstrument, das in das Gehause passt, verwendet werden. Das Originalinstrument ist am billigsten bei Bürklin erhaltlich, etwas teurer bei Westfalia. Wen eine Skalenbeschriftung in °C nicht stort, der bekommt es am billigsten bei Conrad.
Für die Arbeitspunkteinstellung des MMICs wird ein 10-kOhm-SMD-Einstellregler verwendet. Es ist darauf zu achten, dass die Anschlusspunkte im Dreieck und nicht in Reihe angeordnet sind. Ist dies nicht der Fall, kann der Einstellregler aufgrund der relativ grollen Lotinseln auf der Platine nicht verwendet werden.
Damit sind wir schon bei den SMD-Bauteilen. Bei den 100-nF-Kondensatoren sind die grol3eren Typen, Gehause G1206 mit einer Lange von 3,2 mm, vorzuziehen. Fur die Widerstande gibt es runde MELF-Typen mit metallisierten Endkappen, die problemlos wieder auslotbar sind, sowie eckige in Bauform 1206. Nach Moglichkeit die MELF Typen verwenden!
Der Frequenzzahler wird wie immer zum Problem, wenn man ein Einbaudisplay sucht. Verschiedene Modelle sind far meter oder weniger Geld (ab 110 DM) bei verschiedenen Handlern erhaltlich. Auf alle Falk sollte man ein LCD und kein LED-Display verwenden, da der Stromverbrauch bei LED-Anzeigen bis 400 mA betragen kann. So ein LC-Display ist hingegen die optimale Losung, es kann bequem im Gehause integriert werden.
| Betriebsspannung | 11-14 V |
| Stromverbrauch | 60 mA bei 12V |
| HF-Ausgangsspannung | einstellbar von 0,2-3 Vss an 50 Ohm, bis 6 Vss hochohmig |
| Frequenzgang | 2 dB von 1,6 bis 30 MHz |
| Frequenzdrift | 3 ppm/K |
| Überwellenabsenkung | min. 40 dBc |
| Phasenrauschen | -80 dBc bei 25 kHz Abstand |
Im Original wurde ein abgesetzter Zahler von Conrad (leider nur als LED-Version erhaltlich) verwendet.
Wer es nicht so genau braucht, kann das am Drehkondensator angeflanschte Potentiometer daze benutzen, eine analoge Frequenzanzeige mit einem Gleichspannungsinstrument aufzubauen. Jedoch ist der Frequenzgang nicht linear, man muss eine Skala für das Instrument zeichnen.
... dann der Aufbau
Verwendet wurde ein Aluminiumgehause von Teko, in dem bequem die gesamte Schaltung Platz ündet.
Man konnte sogar noch einen Akku einbauen und damit das Gera portabel gestalten.
Samtliche Schaltungselemente sind im Unterteil eingebaut, das Oberteil kann bequem abgehoben werden, ohne die Funktion zu beeintrachtigen.
Der Drehkondensator ist direkt auf die Kupferseite der Platine montiert und mit Masse verbunden. Bild 2 zeigt den Schaltungsaufbau auf der Platine. Verwendet wird eine nor-male kupferbeschichtete Epoxyplatine ohne Fotobeschichtung.
Bild 2: Der Schattungsaufbau wirkt vielleicht etwas unübersichtlich, dafür braucht die Platine nicht geatzt zu werden. Die 2-µH-Induktivitüt besteht aus 0,6-mm-CuL-Draht auf einem Kern T68-6. Der Drehko wird auf die Platine montiert. Unter dem MMIC muss die Masseverbindung bestehen bleiben, daher liegen diese Lotstiltzpunkte mit 8 mm etwas welter auseinander. Die meisten gegen Masse gehenden Bauelemente wurden nicht eingezeichnet.
Mit einem im Baumarkt erhaltlichen Fraser der Klein- und Hobbygerateürma Dremel werden die entsprechenden Lotinseln mit einem Durchmesser von 5 mm in die Kupferschicht gefrast. Dabei die Platine fest einspannen, da der Fraser leider keine Zentrierspitz aufweist (er ist ja auch nicht daftir gedacht). Die Bohrmaschine wird auf hochste Drehzahl gestellt.
Man kann auch einen modiüzierten 5-mm-Holzbohrer benutzen, bei dem man die Zentrierspitze anschleift.
Bild 3 zeigt mogliche Bohrer, Bild 4 die entsprechenden Lotinseln und Bild 5 erste Lotaugen.
Bild 3: Zwei verschiedene 5-mm-Bohrertypen sind geeignet.
Bild 4: Je nach Bohertyp gibt's eM Lochlein in der Mitte oder nicht.
Bild 5: Als erstes kann der Drehkondensator angeschlossen werden.
Für den Anschluss von positiver Spannung, Potentiometer, Zahlerausgang, Pegelanzeige usw. ist es ratsam, Lotstifte zu verwenden.
Ebenfalls hat es sich gut bewahrt, den FET auf Stifle zu loten, da falls defekt, keine langwierigen Absaug-Experimente auf den Lotaugen anfallen.
Vorteilhaft ist die Verwendung von SMD-Bauelementen. Wem aber die notige Routine fehlt, der kann die Platine far normale Widerstande auslegen.
Die Koppel- und Abblockkondensatoren 100 nF sollten aber in SMD-Technik eingebaut werden.
Die Bilder 6 und 7 gestatten einen Blick in das fertige Gerat. Bild 8 zeigt es von außen.
Bild 6: Slick von oben in das Gerat.
Bild 7: Von schräg hinten in den Generator geschaut.
Bild 8: Ansicht des fertigen Geräts von vorn.
Die Inbetriebnahme
Ist der Oszillatorteil aufgebaut, sollte eine erste Funktionsprobe erfolgen.
Am Schleifer vom l00-Ohm-Poti sind maximal etwa 100 mV zu messen. Der Frequenzbereich 6,5-30 MHz kann durch die Windungszahl von L2 (16-18 Wdg.)eingestellt werden.
AnschlieBend ist der MMIC-Verstarker sorgfaltig einzuloten (beide Massefahnen) und mit R8 auf Minimum der Verzerrungen bei voll aufgedrehtem Poti einzustellen. Dies demonstriert Bild 9: Die Pegelanzeige kann mit dem Trimmer 10 kOhm bei Anschluss eines Oszilloskops auf eine Maximalanzeige bei 2 Vss eingestellt werden.
Bild 9: Abgleich auf minimale Verzerrungen. Hier werden 2 Vss bei 30 MHz dargestellt.
Erweiterungen sind moglich
Der Frequenzbereich kann durch andere Werte von Ll bzw. L2 betrachtlich erweitert werden, ohne den Drehkondensator zu wechseln. Als Faustformel gilt: Verdoppelt man eine bestimmte Frequenz, benotigt man 1/4 der ursprünglichen Induktivitat bei gleichem Kapazitatswert des Drehkondensators. Halbiert man also eine Frequenz, dann vervierfacht sich der benotigte L-Wert.
Der Generator ist so stabil, dass es Sinn macht, eine Feineinstellung vorzusehen. Jede Feineinstellung ist aber mit Vorsicht zu genießen, da - egal, ob als Trimmer oder Potentiometer - zusatzliche Abstimmelemente mit Temperaturgang und/oder Kontaktproblemen ins Spiel kommen. Der Vollstandigkeit halber sollten aber einige Moglichkeiten beschrieben werden:
1.Veranderung der Oszillator-Betriebsspannung
Man schaltet ein 100-Ohm-Potentiometer in Serie zur Betriebsspannung nach dem 8-VRegler. Nachteil: Nicht nur die Frequenz, sondem auch die Ausgangsspannung wird geringfügig verandert.
2. Trimmer parallel zu einem Drehkondensatorpaket
Nachteil: Betriebsfrequenzen nahe 30 MHz konnen u. U. nicht mehr erreicht werden. Außerdem wirkt die Feineinstellung, bedingt durch einen etwa 30 pF groBen Trimmer, nur bei hoheren Frequenzen.
3. Zusitzliche Abstimmdiode
Nachteil: erhohtes Phasenrauschen durch die Diode.
Im Mustergerät wurde keine Feinverstellung vorgesehen, denn der Drehkondensator kann durch die Spannverzahnung und die 1:3-Untersetzung feinfühlig auf 100 Hz genau eingestellt werden.
Falls der Einstellbereich des Potentiometers nicht ausreicht, kann am Ausgang ein 50- Ohm-Dampfungsglied mit einstellbaren Dampfungswerten angeschlossen werden [1]. Bild 10 zeigt den Generator mit dem Eigenbau-Abschwdcher, mit dem in 1-dB-Schritten gedampft werden kann.
Bild 10: Messaufbau mit schaltbarem Dümpfungsglied.
Messungen und Ergebnisse
Die Ermittlung des Frequenzgangs (Bild 11) des Generators erfolgte mit einem Speicher-Analyzer bei einer Ausgangsspannung von 2 Vss an 50 Ohm. Das sichtbare Band beginnt bei 1,6 MHz and endet bei 30 MHz. Ein Amplitudenabfall von 2 dB zeigt sich bei tiefen Frequenzen, von 4 MHz aufwürts ist der Frequenzgang weitgehend linear.
Bild 11
Die Messung der Oberwellen erfolgte mit einem Spectrumanalyzer. Bild 12 zeigt die spektrale Verteilung am Ausgang bei einem Pegel von 2 Vss an 50 Ohm und einer Frequenz von 2 MHz. Es zeigt sich die beachtliche Unterdrückung von über 50 dB für die Oberwellen (MaBstab: horizontal 1 MHz/Skalenteil, vertikal 10 dB/Skt.)
Bild 12: Oberwellen-Unterdrückung bei 2 MHz.
Bild 13 zeigt die Absenkung bei 30 MHz. Es werden noch immer 40 dB für die erste Oberwelle bei 60 MHz erzielt (MaBstab: horizontal 15 MHz/Sid., vertikal 10 dB/Skt.).
Bild 13: Oberwellen-Unterdrückung bei 30 MHz.
Zusammenfassung
Es entstand ein erstaunlich praziser HF-Generator, der z. B. als VFO in Direktmischempfangern oder QRP-Geraten verwendet werden kann.
Mit dem Gera sind zahlreiche Messungen moglich, die in einer der nächsten Ausgaben beschrieben werden.
DJ1UGA, Hans Nussbaum.
Literatur
- H. Nussbaum: Ein Stufenabschwacher..., "funk" 08/2000