Transceiver CW 20 m – PA Driver
Michel, F6FEO, m’a transmis le schĂ©ma d’un driver qu’il utilise dans ses transceivers. W7ZOI est Ă l’origine du montage. Avant de reproduire ce montage, je ne rĂ©siste pas Ă l’envie d’en analyser le fonctionnement et de le passer au banc du simulateur LTspice.
1. Description
Le schĂ©ma figure 1 ci-dessous, montre le circuit. Il comprend 2 Ă©tages amplificateur. J’ai ajoutĂ© un transformateur de sortie qui abaisse l’impĂ©dance dans un rapport 1:4 pour adapter l’impĂ©dance de sortie du driver Ă l’entrĂ©e du PA qui est d’environ 10 Ω. Le circuit est alimentĂ© uniquement quand l’Ă©metteur est actionnĂ©.
Caractéristiques:
- gain en tension 28dB Ă 14MHz,
- impĂ©dance d’entrĂ©e Zin et de sortie Zout = 50 Ω.
Pour calculer l’impĂ©dance de sortie on applique la rĂšgle Zin * Zout = R7 * RE
dans laquelle:
- RE = R8 * VT/Ic = 3,6 * 25/80 = 3,9
- VT est la tension thermique Ă la tempĂ©rature ambiante (â 300 K)
D’ oĂč Zout = 680 * 3,9 / 50 = 53 Ω.
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2. 1er Ă©tage
Description :
- un transistor NPN 2N3904,
- amplificateur en Ă©metteur commun, polarisation par pont de base, rĂ©sistance d’Ă©metteur non dĂ©couplĂ©e et rĂ©action de collecteur dĂ©couplĂ©e par un condensateur,
- collecteur chargĂ© par le transformateur Tr1 qui adapte l’impĂ©dance entre les 2 Ă©tages dans un rapport de 1:4.
2.1. Analyse en régime continu
Le schéma figure 2 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.
Figure 2: PA Driver – 1er Etage – Simulation LTspice en rĂ©gime continu
Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues :
V(vcc): 13.8 voltage V(b1): 1.56176 voltage V(c1): 12.9187 voltage V(e1): 0.808187 voltage Ic(Q1): 0.0366172 device_current Ib(Q1): 0.000118607 device_current Ie(Q1): -0.0367358 device_current I(L2): -0.0400587 device_current I(L1): -0.0400587 device_current I(R4): 0.0367358 device_current I(R3): 0.0400587 device_current I(R2): 0.0034415 device_current I(R1): 0.00332289 device_current I(V1): -0.0400587 device_current
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Le schéma figure 3 ci-dessous, montre le circuit simplifié en régime continu.
Tous les condensateurs sont remplacés par des circuits ouverts.
Toutes les inductances sont remplacées par des courts-circuits.
Figure 3: PA Driver – 1e Etage en rĂ©gime continu
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Le schéma figure 4 ci-dessous, montre le circuit de simulation qui trace la caractéristique de transfert en tension en régime continu ainsi que la variation du courant Ic.
La résistance de Thévenin équivalente au pont de base Rth = 3,3 *0,47/(3,3+0,47) = 0,410 KΩ.
Figure 4: PA Driver – 1er Etage – CaractĂ©ristique de transfert en tension
La figure 5 ci-dessous, montre le graphe obtenu. On y observe les 3 zones de fonctionnement du transistor :
- le Cutoff Ic= 0 ,
- la zone linéaire ,
- la zone de saturation Ic = constant.
Figure 5: PA Driver – 1er Etage – CaractĂ©ristique de transfert en tension
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2.2. Analyse en régime variable
Le schéma figure 6 ci-dessous, montre le circuit simplifié en régime variable.
La tension continue TxVcc en régime variable se comporte comme un court-circuit.
La résistance de collecteur R3 est shuntée par son condensateur de découplage.
Le transformateur de sortie Tr1 est formé des 2 bobines torsadées, fortement couplées L1 = L2 en série dont le point milieu constitue la sortie.
Figure 6: PA Driver – 1e Etage en rĂ©gime variable
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2.2.1. RĂ©sistance d’entrĂ©e
Le schéma figure 7 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.
Figure 7: PA Driver – 1er Etage – Mesure de la rĂ©sistance d’entrĂ©e
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La figure 8 ci-dessous, montre le graphe obtenu. La rĂ©sistance d’entrĂ©e Ri varie dans le sens inverse de la rĂ©sistance de charge Rload. Plus Rload augmente plus Ri diminue. Ri = 50 Ohms @ 14MHz pour Rload = 500 Ohms.
Figure 8: PA Driver – 1er Etage – Graphe de la rĂ©sistance d’entrĂ©e
2.2.2. RĂ©sistance de sortie
Le schĂ©ma figure 9 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice. On utilise ici la mĂ©thode dite de lâohmmĂštre. Le gĂ©nĂ©rateur V2 est court-circuitĂ© AC=0, Rload est enlevĂ© et remplacĂ© par le gĂ©nĂ©rateur de courant I1.
Figure 9: PA Driver – 1er Etage – Mesure de la rĂ©sistance de sortie
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La figure 10 ci-dessous, montre le graphe obtenu. La résistance de sortie Rs = 250 Ohms @ 14MHz.
Figure 10: PA Driver – 1er Etage – Graphe de la rĂ©sistance de sortie
2.2.3. Gain en tension
La mesure du gain est obtenue avec le mĂȘme circuit que celui de la figure 7 ci-dessus. La figure 11 ci-dessous, montre le graphe obtenu. Le gain en tension Avt = 25 @ 14MHz.
Figure 11: PA Driver – 1er Etage – Graphe du gain en tension
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3. 2Ăšme Ă©tage
Description :
- un transistor NPN 2N2219A,
- amplificateur en Ă©metteur commun, polarisation par pont de base, rĂ©sistance d’Ă©metteur non dĂ©couplĂ©e et rĂ©action de collecteur en rĂ©gime variable,
- collecteur chargĂ© par l’inductance L4.
3.1. Analyse en régime continu
Le schéma figure 12 ci-dessous montre le circuit de simulation LTspice.
Le courant circulant dans le pont de base R5, R6 de Q2, circule aussi dans R2. Il est trĂšs faible et ne modifie pratiquement pas le point de repos de Q1.
Figure 12: PA Driver – Simulation LTspice en rĂ©gime continu
Ci-dessous les valeurs des tensions et courants obtenues :
V(vcc): 13.8 voltage V(b1): 1.55347 voltage V(c1): 12.8484 voltage V(e1): 0.800238 voltage V(b2): 1.04664 voltage V(c2): 13.7998 voltage V(e2): 0.282715 voltage Ic(Q1): 0.036257 device_current Ib(Q1): 0.000117437 device_current Ie(Q1): -0.0363744 device_current Ic(Q2): 0.0781274 device_current Ib(Q2): 0.000404641 device_current Ie(Q2): -0.0785327 device_current I(L3): 0.0781274 device_current I(L4): 0.0781274 device_current I(L2): -0.043256 device_current I(L1): -0.0396797 device_current I(R8): 0.078532 device_current I(R6): 0.00317164 device_current I(R5): -0.00357628 device_current I(R4): 0.0363744 device_current I(R3): 0.043256 device_current I(R2): 0.0034227 device_current I(R1): 0.00330526 device_current I(V1): -0.121383 device_current
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Le schéma figure 13 ci-dessous montre le circuit simplifié en régime continu.
Tous les condensateurs sont remplacés par des circuits ouverts.
Toutes les inductances sont remplacées par des courts-circuits.
Figure 13: PA Driver – En rĂ©gime continu
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3.2. Analyse en régime variable
Le schéma figure 14 ci-dessous, montre le circuit simplifié en régime variable.
La tension continue TxVcc en régime variable se comporte comme un court-circuit.
La résistance de base R5 est shuntée par son condensateur de découplage.
La résistance R7 relie la base au collecteur.
L’inductance L3 de forte valeur se comporte en HF comme une rĂ©sistance infinie.
Le transformateur de sortie Tr2 est formé des 2 bobines torsadées, fortement couplées L5 = L6 en série dont le point milieu constitue la sortie.
Figure 14: PA Driver – En rĂ©gime variable
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3.2.1. RĂ©sistance d’entrĂ©e
Le schéma figure 15 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice.
Figure 15: PA Driver – Mesure de la rĂ©sistance d’entrĂ©e
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La figure 16 ci-dessous, montre le graphe obtenu. La rĂ©sistance d’entrĂ©e Ri = 185 Ohms @ 14MHz pour Rload = 10 Ohms.
Figure 16: PA Driver – Graphe de la rĂ©sistance d’entrĂ©e
3.2.2. RĂ©sistance de sortie
Le schĂ©ma figure 17 ci-dessous, montre le circuit de simulation LTspice. On utilise ici la mĂ©thode dite de lâohmmĂštre. Le gĂ©nĂ©rateur V2 est court-circuitĂ© AC=0, Rload est enlevĂ© et remplacĂ© par le gĂ©nĂ©rateur de courant I1.
Figure 17: PA Driver – Mesure de la rĂ©sistance de sortie
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La figure 18 ci-dessous, montre le graphe obtenu. La résistance de sortie Rs = 10 Ohms @ 14MHz.
Figure 18: PA Driver – Graphe de la rĂ©sistance de sortie
3.2.3. Gain en tension
La mesure du gain est obtenue avec le mĂȘme circuit que celui de la figure 15 ci-dessus. La figure 19 ci-dessous, montre le graphe obtenu. Le gain en tension Avt = 24dB @ 14MHz.
Figure 19: PA Driver – Graphe du gain en tension
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3.2.4. Graphe des tensions
La figure 20 ci-dessous, montre le graphe des tensions obtenu avec avec une tension d’entrĂ©e sinusoĂŻdale V2 = 100 mVp de frĂ©quence F = 14 MHz. Au delĂ de 300 mVp Ă l’entrĂ©e le signal est dĂ©formĂ© ou Ă©crĂȘtĂ©. Ce qui permet d’obtenir 6 Vp maximum sur 50 Ω en sortie.
Figure 20: PA Driver – Graphe des tensions
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4. RĂ©alisation
4.1. Circuit imprimé
La photo 1 ci-dessous, montre le circuit rĂ©alisĂ© sur une plaque dâĂ©poxy cuivrĂ©e simple face de 48 x 32 mm selon le mode de fabrication dĂ©crit dans les articles prĂ©cĂ©dents. Le circuit tracĂ© est un quadrillage: 3 lignes de 8 mm + 2 lignes de 4 mm, 6 colonnes de 8 mm. Nous obtenons ainsi 3Ă6 =18 Ăźlots de 8×8 mm. Les 2 lignes de 4 mm, placĂ©es de part et d’autre, servent de rail de masse. Une rĂ©sistance provisoire de 10 Ω a Ă©tĂ© placĂ©e en sortie pour le test.
Photo 1: Circuit imprimé du PA Driver
4.2. Composants
Les résistances et condensateurs sont des CMS ou SMD 0805 et 1206. Ces composants sont tous achetés sur Ebay qui offre dans ce domaine, un vaste choix (voir fournisseurs en marge) . Le mode de soudage est expliqué dans les articles précédents.
4.3. Refroidissement des transistors
Le transistor 2N2219A polarisĂ© en classe A, chauffe. Il faut aider le composant Ă Ă©vacuer la chaleur sous peine de destruction. J’ utilise pour cela un dissipateur adaptĂ© au boĂźtier du transistor.
4.4. Bobinages
La fabrication des bobinages est trĂšs simple. Jâai utilisĂ© des tores FT37-43 que jâavais en stock, achetĂ©s chez kits and parts.
Transformateurs Tr1 et Tr2
Pour rĂ©aliser Tr1, jâai prĂ©parĂ© 2 morceaux identiques de 16 cm de fil de cuivre Ă©maillĂ© de 0,40 mm. Jâai nouĂ© une extrĂ©mitĂ© de ces 2 fils rĂ©unis Ă une attache trombone. Jâai fait de mĂȘme Ă lâautre extrĂ©mitĂ©. La premiĂšre attache est bloquĂ©e dans un Ă©tau ou serre-joint. La torsion du fil est rĂ©alisĂ©e en prenant dans la main lâautre attache et en tendant le fil. Il faut 3 Ă 4 torsions par cm. Jâai donc fait pour cette longueur, 50 torsions. Une excellente mĂ©thode est expliquĂ©e ici. Bobiner 10 tours en les rĂ©partissant uniformĂ©ment sur le tore FT37-43. Important! Le transformateur est formĂ© de 2 bobines en sĂ©rie. Il faut donc souder la fin dâune bobine Ă lâentrĂ©e de lâautre. Ce point est le point milieu du transformateur. Tr2 est identique Ă Tr1.
Bobine L4
Couper 15 cm de fil de cuivre émaillé de 0,40 mm. Bobiner 10 tours en les répartissant uniformément sur le tore FT37-43.
4.5. Tension d’alimentation
La tension d’alimentation est la ligne TxVcc. La commutation Rx/Tx fera l’objet d’un prochain article. Pour le test, l’alimentation est connectĂ©e provisoirement Ă Vcc = 13,8 V.
5. Test
5.1. Mesure des tensions continues smoke test
VĂ©rifier les tensions base, collecteur et Ă©metteur. Les valeurs sont conformes Ă la simulation.
5.2. Dispositif
Le circuit est reliĂ© directement au condensateur de sortie du mĂ©langeur de l’Ă©metteur dont la description fera l’objet d’un prochain article.
5.3. RĂ©sultat
Signal d’entrĂ©e
Avec lâoscilloscope, Ă©chelle Y=0,1 V/cm, sonde attĂ©nuatrice 1:1, Ă©chelle X=0.5 us/cm, loupe x5, la photo 2 ci-dessous, montre le signal en entrĂ©e Vin â 560 mV pp.
La frĂ©quence F mesurĂ©e avec le frĂ©quencemĂštre â 14,100 MHz.
Photo 2: Signal d’entrĂ©e du PA Driver
Signal de sortie
Avec lâoscilloscope, Ă©chelle Y=1 V/cm, sonde attĂ©nuatrice 1:1, Ă©chelle X=0.5 us/cm, loupe x5, la photo 3 ci-dessous, montre le signal de sortie Vout â 3,3 V pp.
La frĂ©quence F mesurĂ©e avec le frĂ©quencemĂštre â 14,100 MHz.
Photo 3: Signal de sortie du PA Driver
Le gain en tension Avt = Vout/Vin = 15,4 dB @ 14,100MHz. A comparer avec les 24 dB obtenus en simulation.
Références
LES MONTAGES AMPLIFICATEURS FONDAMENTAUX A TRANSISTORS BIPOLAIRES – Philippe Roux – IUT de Bordeaux
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