Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Vorverstärker mit Hochohmigem Eingang für Frequenzzähler von 0 - 60 MHz
Seit der starken Verbilligung von integrierten Schaltungen der TTL-Serie ist der Bau von Digital-Frequenzmessern auch für Funkamateure finanziell möglich geworden, wie viele Baubeschreibungen (1) - (5) und Bausätze zeigen. Es ist heute ohne weiteres mit preiswerten IS ein Frequenzbereich bis 60 MHz zu bestreichen.
Zwar sind mit Schottky-TTL-Schaltungen Frequenzen bis 100 MHz zu beherrschen, jedoch wird der Aufbau kritisch, weil auch kurze Leitungen an den prinzipiell voll reflektierenden TTL-Ein- und Ausgängen zu starkem Überschwingen und Mehrfachimpulsen führen. Außerdem ist die hohe Ansteuerspannung bei 100 MHz oft nur schwer aufzubringen, so daß ab etwa 60 MHz ECL-Schaltungeni deren Ein-und Ausgänge an 50-Ω-Leitungen angepaßt werden können, vorzuziehen sind.
Bei 60 MHz dürfte auch die Grenze für einen hochohmigen Verstärkereingang liegen, da ein üblicher Eingang mit 1 MΩ // 20 pF bei 60 MHz nur noch einen Eingangswiderstand von rund 150 Ω aufweist (kapazitiver Nebenschluß). Eingangsschaltungen für höhere Frequenzen sollten daher niederohmig (50 - 60 Ω) sein.
Ein Digital-Frequenzmesser für 0 bis 60 MHz, der nach Möglichkeit auch noch als Perioden- und Impulszähler verwendet werden kann, sollte mit einem hochohmigen Eingang (z.B. 1 MΩ // 20 pF) und einem Vorverstärker ausgerüstet sein, der eine Empfindlichkeit von etwa 20 mV im gesamten Frequenzbereich hat. Leider finden sich in den verschiedenen Baubeschreibungen solche Vorverstärker nicht (mit Ausnahme von (3), wo eine sehr teure ECL III-Schaltung benutzt wird). Stattdessen werden beispielsweise für NF und HF getrennte Schaltungen benutzt, häufig nur mittel- oder niederohmig, deren untere Grenzfrequenz meist für Impuls- und vor allem Perioden-Messungen unter 20 Hz zu hoch liegt(6),(7). Aus diesem Grund wurde ein Vorverstärker entwickelt, der die oben genannten Forderungen erfüllt und außerdem mit preiswerten Bauelementen auskommt.
1. Schaltungseinzelheiten
Wie Bild 1 zeigt, besitzt der Vorverstärker einen hochohmigen Source-FolgerEingang mit dem Feldeffekt-Transistor (FET) BF245C (T1). Zwei antiparallel geschaltete Si-Epitaxial-Planar-Dioden D1 und D2 schützen zusammen mit dem Vorwiderstand R2 den FET bei Überspannungen bis 200 V. Die Verstärkunggeschieht im wesentlichen in der integrierten Schaltung I1. Der hier verwendete Typ MC1035 gehört zur Motorola-Serie ECL II, einer emittergekoppelten, nichtgesättigten Logik für Schaltfrequenzen bis 120 MHz. Der Typ MC 1035P (14poliges Dual-In-Line-Gehäuse) ist kein Logik-Baustein, sondern er besteht (Bild 2) aus drei Differenzverstärkern mit symmetrischen Ein- und Ausgängen (einer der Verstärker besitzt nur einen Eintakt-Ausgang). Sie können als Verstärker, Komparator, Schmitt-Trigger oder Pegelumsetzer von einer anderen Logik auf ECL-Pegel geschaltet werden. Jeder dieser Verstärker besitzt eine 6fache (Eintakt) beziehungsweise 12fache (Gegentakt) Verstärkung, eine Bandbreite von 50 MHz bei -3 dB, bei brauchbarer Verstärkung bis 100 MHz. Die Gleichtakt-Unterdrückung beträgt 80 dB und die maximale Ausgangsspannung entsprechend den ECL-Pegeln ca. 850 mV. Weiterhin befindet sich in der IS eine Konstantspannungsquelle, welche die Fußpunkt-Transistoren der Differenzverstärker (Konstantstromquellen) versorgt, und die außerdem eine Spannung -Ubb (ca. - 1,2 V gegen Ucc) abgibt. Hier läßt sich jeweils ein Eingang eines Differenzverstärkers anlegen, falls dieser im Eintakt betrieben wird.
Bild 1: Vorverstärker mit hochohmigem Eingang für Frquenzzähler von 0 Hz bis 60 MHz.
Bild 2: Innenschaltung der IS MC1035 von Motorola
In der vorliegenden Anwendung werden zwei Differenzverstärker hintereinander-geschaltet, der dritte arbeitet über den Rückkopplungs-Spannungsteiler R7/R8 als Schmitt-Trigger. Der nicht benutzte Differenzeingang 11 liegt zur Temperaturkompensation über einen zweiten Source-Folger (T2) an einer einstellbaren Spannung von ca. 0 V. Durch Variation dieser Spannung kann die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers gegenüber Eingangssignalen verändert werden, was beim Messen der Frequenz von oberwellenhaltigen Spannungen nützlich ist. Nach Möglichkeit sollten für T1 und T2 Exemplare mit gleichen elektrischen Daten ausgesucht werden, das heißt bei Gate an Masse sollte die Spannung an den beiden Source-Anschlüssen gleich sein, wobei der Absolutwert keine Rolle spielt.
Normalerweise arbeitet die IS MC1035 mit einer Betriebsspannung von -5,2 V. Nach einem Applikationsbericht (8) werden die Spannungen Ucc und -Uee hier so gegenüber Masse verschoben, daß der Ausgang 1 unmittelbar einen NPN-Transistor (T3) mit Emitter an Masse ansteuern kann. Dieser dient als Umsetzer auf TTL-Pegel. Da hierbei der Anschluß 14 an +1,8 V liegen muß, wird Anschluß 7 (-Uee) an -4 V gelegt und die Betriebsspannung für die IS mit einer Z-Diode (D5) erzeugt. Um T3 auch unter ungünstigen Bedingungen im TTL-Arbeitsbereich zu halten, muß die Spannung von + 1,8 V gegen Masse an Pin 14 genau eingehalten werden. Dies kann durch geringe Variation der negativen Spannung an Pt5 erfolgen.
Zwei nachfolgende Schottky-TTL-Gatter (½ SN74S00N) versteilern als Impulsformer die Flanken der Rechteck-Ausgangsspannung an der oberen Frequenzgrenze. Das zweite hiervon und die beiden nicht benutzten können bereits für die Zähler-Logik mitverwendet werden.
Durch den begrenzenden Breitband- Verstärker mit nachfolgendem Schmitt- Trigger ist die Ausgangsspannung auch bei langsamster zeitlicher Änderung der Eingangsspannung rechteckförmig. Durch die hohe Verstärkung bleibt die Eingangsempfindlichkeit von 20 mV bis 60 MHz erhalten.
2. Aufbauhinweise
Der gesamte Vorverstärker mit Impulsformer ist auf einer beidseitig kaschierten, geätzten Platine von 73 mm × 50 mm Größe aufgebaut (Bild 3). Alle Leiterbahnen verlaufen nur auf der Lötseite, die Bestückungsseite dient als Massefläche Hier werden die Masse-Anschlüsse der einzelnen Bauteile angelötet. Da auf dieser Seite nur die Löcher für nicht an Masse liegende Anschlüsse freigeätzt werden müssen, ist keine Durchkontaktierung erforderlich. Soll die Platine in "Heimarbeit" hergestellt werden, so kann die gesamte Masseseite mit Lack abgedeckt werden. Nach dem Ätzen der Leiterbahnen und dem Bohren können dann die erforderlichen Lochränder auf der Masseseite mit einem 5-mm-Spiralbohrer oder einem Zapfenfräser (z.B. von VERO-BOARD) vom Metall befreit werden.
Bild 3: Bestückungsplan und Leiterbahnen für den Vorverstärker DJ6TA 001
Der Vorverstärker sollte so in das Gerät eingebaut werden, daß der Eingang möglichst dicht an der Eingangsbuchse liegt. Falls dies nicht möglich ist, muß die Verbindungsleitung kapazitätsarm (90-Ω-Kabel) abgeschirmt werden. Eine Abschirmung ist auch häufig für den gesamten Verstärker erforderlich, da steilflankige Spannungsspitzen von TTL-Schaltungen auf den hochohmigen Eingang einstreuen können.
Für Messungen mit überlagerter Gleichspannung ist ein Trennkondensator von 0,1 pF, der für Gleichspannungskopplung überbrückt wird, vorzuschalten. Er erhöht allerdings die untere Grenzfrequenz auf 10 Hz. Da Eingangsspannungen Ue > +0,7 V die Dioden D1 und D2 in Durchlaßrichtung steuern. und den Eingangswiderstand verändern, ist gegebenenfalls ein 10 : 1 oder 100 : 1-Spannungsteiler oder Tastkopf vorzuschalten. Dadurch bleibt auch bei höheren Eingangsspannungen das Schwellen-Potentiometer benutzbar.
3. Hinweise zu den Bauelementen
| I1 | MC1035P (Motorola) |
| I2 | SN74S00N |
| I3 | µA 723 C (Fairchild), SG723CN (Silicon General), LM723CD (National Semicondutor) oder TBA281 (Siemens, Valvo) |
| I4 | SG309 oder LM309 |
| T1, T2 | BF245C (TI) oder ähnlicher FET |
| T3 | 2N709 (sehr schneller Schalttransistor) |
| T4 | 2N2905A (Si-PNP in TO5-Gehäuse) |
| D1, D2 | 1N4148 oder ähnliche Si-Planar-Diode (1N914) |
| D3, D4 | BZX 83/C3V3 (Siemens), ZG 3,3 oder ähnliche 3,3-V-Z-Diode |
| D5 | BZX83/C5V6 (Siemens), ZG 5,6 oder ähnliche 5,6-V-Z-Diode |
| Brückengleichrichter | je 4 Dioden 1N4001 oder ähnlich |
| L1, L2 | Ferrit-Breitbanddrossel (6-Loch-Kern, Valvo 4312 020 36700) |
Die Werte der Kondensatoren sind unkritisch mit Ausnahme von C1 (22 pF keram. Scheibe) und C10 (100 pF keram. Scheibe).
4. Spannungsversorgung
Bild 4 zeigt einen Schaltungsvorschlag für die Spannungsversorgung mit -4 V. Sie verwendet den integrierten Stabilisator 723CN und geht davon aus, daß nur eine Transformatorwicklung für beide Spannungen vorhanden ist. Hat der Transformator dagegen zwei Sekundär-Wicklungen von etwa 8,5 V, so läßt sich die Schaltung nach Bild 5 anwenden. Man kann natürlich auch eine einfachere und billigere Schaltung mit zwei PNP-Transistoren und einer Z-Diode aufbauen. Die Spannung sollte jedoch gut stabilisiert und in gewissen Grenzen einstellbar sein, um an Pin 14 von I1 einen Wert von +1,8 V zu erreichen(9).
Bild 4: Schaltungsvorschlag für die neg. Spannungsversorgung (nicht kurzschlußfest) bei nur einer Transformatorenwicklung
Bild 5: Schaltungsvorschlag (kurzschlußfest) bei einer eigenen Transformatorwicklung für -Ub
5. Literatur
- K. Wilhelm: Elektronischer Zähler, Funktechnik 20, 21, 22 (1969)
- K. Wilhelm: Elektronischer Zähler mit integrierten Schaltungen, Funktechnik 5, 6, 7 (1970)
- H. Bauer: 50-MHz-Universalzähler, Funktechnik 7 (1972)
- F. Weingärtner: Vierstelliger Zählerbaustein für Frequenzen bis 30 MHz, UKW-Berichte 11 (1971) H. 1, S 30
- W.R. Kritter: 6stelliger Zähler für Frequenzen zwischen 1 Hz und typ. 100 MHz, UKW-Berichte 12 (1972) H. 2, S. 66
- W.R. Kritter: Breitband-Vorverstärker für Frequenzen bis 60 MHz, UKW-Berichte 11 (1971) H. 2, S. 101
- W.R. Kritter: Doppel-Eingangsverstärker mit 2 : 1-Vorteiler für Frequenzen von 1 Hz bis min. 100 MHz, UKW-Berichte 12 (1972) H. 3, S. 171
- Motorola-Datenblatt-Sammlung ECL II
- Datenblatt SG723C/CN (Silicon General)
DJ6TA, H.U. Schmidt.
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
Auf der Leiterplatte DJ6TA 001 sind die Anschlüsse 1 bis 7 von I2 (74S00N) vertauscht worden: Die Anschlüsse 3 und 6 müssen frei bleiben, dafür 1, 2, 4, 5 und 7 an Masse liegen.
Veranlaßt durch verschiedene Anfragen zu dieser Baugruppe seien hier noch einige Hinweise zum Aufbau und zur Fehlerbeseitigung gegeben:
- Im Schaltungsvorschlag für das minus 4-V-Netzteil (Bild 5/S. 45) ist der Strombegrenzungswiderstand zwischen UA und Masse versehentlich falsch angegeben worden. Er darf nicht 15 Ω betragen (Strombegrenzung bei ca. 45 mA), sondern muß auf etwa 6,8 Ω erniedrigt werden, damit 65 mA ohne Begrenzung geliefert werden können.
- Wegen der Toleranzen der Z-Diode D5 ist der Spannungswert von +1,8 V an Stift 14 von I1 nur als Anhaltswert zu betrachten. Wichtig ist, daß Transistor T3 je nach Eingangssignal bzw. Schwellen-Einstellung ganz gesperrt oder voll leitend (Sättigung) ist, was durch Messung der Kollektor-Spannung von T3 kontrolliert werden kann. Bei Z-Dioden mit Spannungswerten über 5,6 V kann I1 zu warm und damit die Schwelle thermisch instabil werden.
- Bei einigen Exemplaren des Vorverstärkers treten bei niedrigen Meßfrequenzen Schwingungen auf der Umschaltflanke auf, was sich dadurch bemerkbar macht, daß hohe Frequenzen einwandfrei gezählt werden, bei niedrigen jedoch eine zu hohe und nicht mehr ruhig stehende Zahl angezeigt wird. Ursache hierfür ist eine etwas lange Umschaltzeit des Schmitt-Triggers bei einigen Exemplaren der IS MC1035 (größer 10 ns). Wenn gleichzeitig der Transistor T3 eine sehr hohe Verstärkung hat, erzeugt dieser einige Schwingungen auf der Umschaltflanke, die durch I2 in Nadelimpulse von ca. 5 ns Länge umgeformt werden (nur mit Oszillografen mit entsprechend großer Bandbreite zu beobachten). Die einfachste Möglichkeit, diesen Effekt ohne Bauteilewechsel zu beseitigen, ist die Einbeziehung von T3 in die Rückkopplungsschleife des Schmitt-Triggers für hohe Frequenzen. Dazu wird ein kleiner Scheibenkondensator von 1,8 bis 2,2 pF vom Kollektor des Transistors T3 zum Stift 3 von I1 (nicht-invertierter Eingang des Schmitt-Triggers) eingelötet. Die steile Flanke an T3 zwingt dann den Schmitt-Trigger zu schnellerem Umschalten. Der Scheibenkondensator kann noch leicht auf der Unterseite der Platine liegend angebracht werden. Die Skizze zeigt diese Schaltungsänderung.
Diese Baugruppe wird auch heute noch so oft nachgebaut, daß es lohnend erscheint, folgenden Hinweis zu bringen:
Der Verstärker neigt wegen seines hochohmigen Eingangs zu Schwingungen, die manchmal auch durch den 1,8-pF-Kondensator zwischen Kollektor von T 3 und Pin 3 von I 1 (siehe Heft 1/1975, S. 64) nicht beseitigt werden können. Der Grund ist, daß Impulsspitzen vom Ausgang auf die Eingangsschaltung (Buchse, Gleich-/Wechselstrom-Schalter) einstreuen. Diese Teile müssen deshalb entsprechend abgeschirmt eingebaut werden.