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Écrit par : F1TE
Catégorie : SHF
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Ces amplis de téléphonie mobile dans la bande UMTS, 3G de ~ 2100 à 2200 MHz, doivent pouvoir se modifier facilement dans notre bande 2G3.

Comme un certain nombre ont été mis à disposition à notre réunion annuelle de Seigy, voici grâce à F1VL les premières informations sur la platine PA.

Premières informations

Le connecteur 16 points situé sur la carte PA dispose de tous les signaux nécessaires au pilotage des transistors.

On y trouve une entrée alimentation 9V (2A), les tensions de polarisation des trois transistors de la partie puissance, les mesures de courant drain de ces transistors, les mesures des puissances directe et réfléchie ainsi que la mesure de température.

 

 

La prochaine étape va consister à réaliser une carte de pilotage la plus simple possible qui assurera la protection de l'amplificateur.

 

Les premières mesures de F1VL sur la partie pré-driver (à droite de l'image) :
 
cid part1 cnx   cid part2  
Consommation du 9V un peu moins de 2 Amp
ensuite :
-10 dBm input ( - atten du bout de RG58 ...et le piquage côté entrée premier transistor, bonjour les adaptations ... )
 et derrière un attenuateur de 20 dB en sortie
2200 MHz : -12 dBm
2300 MHz -12.4 dBm
2320 MHz -13 dBm
2360 MHz - 14,8 dBm
ensuite sur 2320 uniquement :
- 5 dBm in : - 8dBm out
10 dBm in : 7 dBm out
13 dBm in : 10,4 dBm out ce qui nous fait 30,4 dBm pour attaquer le driver .
Peut pas injecter plus c'est le maximum du générateur.
 

IMD des deux premiers étages

 
Suite des mesures de linéarité des deux étages drivers GaAs class A alimentés sous 8 Volts alim.
Mesure d'IMD avec deux signaux espacés de 2MHz

 

 
Driver andrew 1W PEP Valim 8V
 
IMD à 1W PEP
 
 
driver Andrew 5W PEP
 
IMD à 5W PEP
 
 
IMD a 5W PEP autour de –30 dBc et IMD autour de –50dBc autour de 1W PEP qui devrait être le niveau nominal pour attaquer les étages LDMOS
Mesures faites à 2.3GHz , à 2.4 GHz la puissance chute très légèrement .
Conclusion : excellent driver , bon pour le service .
Note le bruit au pied d’une porteuse vient d’un des générateurs utilisés .
 
 

PA 2G3 TEMPERATURE SENSE


Schéma relevé
 
 temp sense

AMPLI 2G3 - Isolateur de sortie

 
 
Ci joint les mesures de l'isolateur de sortie , ajouté un petit bout de clinquant à l'entré ( capacité) et un petit bout de self à la masse a la sortie pour améliorer les adaptations d'impédances dans la bande 2320 à 2350 .
 
ampli Andrew isolateur modif sortie
 
 
 

 

Ampli 2G3 - Alim, polar et mise en sécurité

 
L'ampli nécessite une tension de 24 Volts pour la partie puissance, mais aussi une tension de 9 Volts sous 1.9A environ pour les étages drivers.
Renseignements pris auprès des services de maintenance de ces amplis, les PA ne se changeaient jamais, mais les étages intermédiaires parfois.
Dans ces conditions, il est préférable de les alimenter sous 8 Volts seulement, compte tenu de la réserve de gain énorme à notre disposition.
Pour cette tension de 8 V, j'ai préféré rependre un montage qui a fait ses preuves et que je connais bien en utilisant un LT1074.
Ce compaosant d'alim à découpage step-down fournira cette tension avec un rendement de 80% ce qui évitera 30 W de dissipation dans un régulateur balast.
Pour la polarisation des 3 étages LDMOS, je vais utiliser un LP2951 sur le principe préconisé dans une note d'application Freescale.
Ce circuit possède une entrée de shutdown pour la mise en sécurité des étage de puissance.
Mise en sécurité par un OV sur l'entrée correspondante, latchée par un transistor SCR.
Les trois potentiomètres règlent séparément les trois tensions de polarisation. Le retour à la masse se fait par un transistor TO220 monté en diode et fixé sur le radiateur.
Ce composant assure la compensation thermique des tensions de polarisation.

AMPLI 2G3 - Mesure des courants de drain

 
Les trois transistors LDMOS sont équipés chacun d'un circuit de mesure du courant de drain.
C'est un circuit spécialisé MAX4080 qui fait cette mesure aux bornes d'un shunt de 10 milli-ohm.
Il délivre en sortie une tension proportionnelle de 0 à 5V pleine échelle pour 25 A de courant.
 
courant
Le schéma est identique pour les trois mesures.

AMPLI 2G3 - Sonde RF

 
L'ampli est équipé d'un détecteur RF linéaire en dB et ayant une dynamique de 65dB.
Le circuit utilisé est un AD8362 suivi d'un ampli-op LMV321.
Le schéma relevé est le suivant, sauf erreur ou omission :
sense rf
Un switch RF AS186 est utilisé pour aiguiller vers le détecteur soit la RF prélevée sur la charge "poubelle" du circulateur, mesurant ainsi le réfléchi, soit la RF en provenant de la ligne de transmission pour mesurer la puissance directe.
 
 

Ampli 2G3 - Premières mesures

 
PA N°  0001                    
Mesures sur ampli complet , Gain faible signal : 51,5dB , avec capot            
Le 03 Mai 2013                    
Valim : 28 Volts                    
Temp 50°C                      
Courant repos : Final 2x1200 mA , driver : 1000 mA                
Courant consommé dans les deux pré driver GaAs+ circuit de polarisation des LDMOS : 700mA sous 28Volts ( convertisseur DC/DC)  
                       
2 Tons ( 2320-2321 MHz)                  
P OUT Watts moyen ( x2 pour Watts PEP)              
                       
P OUT I Total/28V Rendement drain IMD dBc              
Watts Amp %                  
                       
125 15,2 29,37   -26              
100 13,5 26,46   -30              
80 12,4 23,04   -34              
60 10,9 19,66   -40              
40 9,4 15,20   -42              
20 7,4 9,65   -40              
                       
                       
                       
                       
1 ton CW 2320 MHz                  
P OUT watts Moyen                  
                       
                       
P OUT I Total/28V Rendement drain %                
                       
                       
225 22,2 36,20                  
200 20,4 35,01                  
160 18 31,75                  
125 15,9 28,08                  
100 14,3 24,98                  
80 13,2 21,65                  
50 10,8 16,53                  
                       
                       
IMD, I Total/28V en fonction de la Fréquence              
2 Tons   espaçés de 1 MHz                  
P OUT : 125W Moyen , 250W PEP                
                       
Freq IMD I Total/28V                  
MHz dBc Amp                  
                       
2300-2301 -28 14,7                  
2310-2311 -27 15,2                  
2320-2321 -27 15,2                  
2330-2331 -27 14,95                  
2340-2341 -26 14,6                  
2350-2351 -25 14,7                  
2360-2361 -23 15,4                  
2350-2351 -22 15,6                  
                     
 
 

Ampli 2G3 Mesures des courants de drain

 

Les courants dans les drains sont mesurés aux bornes d'un shunt de 10 mOhm par un circuit MA4080T

courant

 

Voici les relevés de tensions sur les points test.

1 ton CW 2320 MHz        
P OUT watts Moyen        
             
P OUT I Total/28V Rend drain % Volts Volts Volts
        MA CS FA MA CS FB MA CS PF
      P Out Pin 6 Pin 11 Pin 9
225 22,2 36,20 225 1,927 2,01 0,68
200 20,4 35,01 200 1,765 1,834 0,63
160 18 31,75 160 1,552 1,595 0,546
125 15,9 28,08 125 1,367 1,387 0,484
100 14,3 24,98 100 1,228 1,225 0,438
80 13,2 21,65 80 1,097 1,098 0,404
50 10,8 16,53 60 0,954 0,964 0,367
40     40 0,788 0,791 0,325
20     20 0,573 0,581 0,281

courants drains

 

AMPLI 2G3 - Modifications du pré-driver

L'ampli fonctionne de base dans la bande UMTS 2,1 GHz. Il est donc nécesaire de la faire grimper en fréquence sur 2.3 GHz .

Dans un premier temps, il faut démonter l'alimentation DC/DC 48V/24V qui ne nous servira pas, n'étant pas assez puissante pour le nouveau régime de fonctionnement que nous prévoyons d'infliger à cet ampli.

Le PCB vert situé à coté de la partie RF est aussi à enlever, nous ne gardons que le circuit du bloc RF de puissance.

La partie pré-driver est celle-ci

20130505 000257

 

Il faut déssouder les capacités CMS cerclées de rouge.

premier etage pre driver

deuxieme etage pre driver

Ce sont les seules modifications de la partie pré-driver.

Pour les étages de puissance qui suivent, il sera nécessaire de jouer du cutter pour réaccorder les micro-strip imprimées, essentiellement sur la zone des drains.

Un plan coté de ce "charcutage " est nécessaire.

 

AMPLI 2G3 - ADAPTATION DE SORTIE

Pour améliorer l'adaptation de sortie, placer une self shunt entre la pin centrale de la fiche N de sortie et la masse, comme indiqué sur la photo.

Ce "hair pin" est en fil argenté de 1 mm de diamètre

pin

adapt out1

 

AMPLI 2G3 N°3

 
 
Cet après-midi, avec F6BKI, nous avons mis en route un troisième ampli.
Les modifications de la partie RF sont celles décrites dans le précédent document.
Les résultats sont identiques aux autres amplis, gain, puissance de sortie et IMD.
Donc tout est parfaitement reproductible.
Pour la carte de polarisation et de protection, le schéma est celui-ci :

 

Les choix sont simples :
  • Pas d'électronique complexe
  • Pas de microcontrôleur.
  • Délivrer la tension de 8 V 2 A  pour le prédriver
  • Délivrer les trois tensions de polarisation pour les 3 LDMOS de puissance et couper ces tensions PTT-OFF et en cas de problème sur :
    • La température
    • Les sur-consommations des 3 LDMOS
    • Une puissance réfléchie trop élevée
  • Assurer le tracking thermique des tensions de polarisation

20130527 2G3 protect

20130527 2G3

Le capot de protection a été scié pour ne garder que la partie protégeant le PA.
La carte de protection est montée dans cette partie ainsi dégagée.
La zone où se trouvait l'alimentation DC/DC 48/24V est ainsi disponible pour un éventuel transverter.
Je compte rajouter une protection par relais contre l'inversion de la tension d'alimentation.
D'autres détails à suivre sur les mesures, le PCB de la carte etc..

 

Compensation en température AMPI 2G3

Le schéma du régulateur LP2951délivrant les tensions de gate des LDMOS du PA est un peu particulier. La référence n'est pas la masse mais une diode 1N4148 à la masse.

En fait il y en a même 2, une sur la carte elle même et une autre dans le PA, près des transistors.

Le montage est tiré d'une note d'application Freescale AN1643.

BIAS

La diode est soumise aux variations de température et répercute sa diminution de tension VD directement sur la tension de polarisation du transistor tendant ainsi à maintenir un courant de repos constant.

J'ai préféré laisser une diode sur la carte de protection.

Non soumise à l'échauffement des transistors, elle est sans effet sur la compensation mais elle assure la sécurité si la connexion entre la carte de polarisation et la diode dans le PA est coupée.

Avec une seule diode dans le PA, cette tension des gates dans ce cas passerait à +5.6V et je crains fort de devoir le salut des transistors qu'à la seule protection en courant.

Ce régulateur LP2951 possède une entrée de shutdown.

C'est par cette entrée que l'on commutera le PTT, pour le blocage des transistors en réception, et pour la mise en sécurité lors d'une alarme mémorisée par le SCR Q1.

 

AMPLI 2G3 - Carte de protection

 

Particularité du schéma

Un relais 30A est monté en protection contre les inversions de tension d'alimentation.
Ce relais est récupéré sur la carte alimentation d'origine 48V/24V devenue inutile.
Si vous ne voulez pas le récupérer, utiliser le modèle OMRON G8P-1A4P-DC24.
Le pré-driver est alimenté à l'origine en 9V.
Comme nous avons une réserve de gain suffisante, l'alimentation à découpage LM2576 est ajustée à 8V environ pour moins solliciter les MOS du pré-driver montés en classe A.
La consommation sur cette alimentation de 8V est d'environ 2A, son rendement est d'environ 80%.
Une régulation classique à balast à partir du 24V était impensable.
 
La mémorisation des alarmes se fait par un transistor SCR qui reste saturé une fois déclenché par la mise à zéro d'une des sorties du trigger de schmitt 74LS14.
Le reset de l'alarme se fait par la mise à la masse de l'anode par JH9, si bien sur les condition de déclenchement ont disparues.
Les 5 possibilités d'alarme sont :
  • Température trop importante.
  • Courant excessif dans chacun des trois LDMOS de puissance.
  • Réfléchi trop important sur la charge du circulateur.
Les trois transistors sont désignés 'PF' pour le driver, 'FA' et 'FB' pour les deux PA.
 
Le Pré-driver de la carte PA est équipé d'un circuit MAX840 qui valide son alimentation en 8V.
Le signal de validation se trouve sur le connecteur JP1-7.
Une masse sur cette pin invalide tout le pré-driver qui ne consomme alors plus rien.
Q4 commute cette validation DRIV_ENBL avec le PTT.
Les strap TP10 à TP15 permettent d'invalider les alarmes sélectivement et servent de points de mesure.
 
Pas d'autres particularités sur cette carte.
 

Liste des composants

Quantity Reference Part    
         
         
1 C1 4.7nF SMD 0805  
1 C2 220uF 40V    
1 C3 470uF 40V    
7 C4,C8,C9,C10,C11,C12,C13 10nF SMD 0805  
1 C6 4.7µF 40V SMD 1206  
6 C14,C15,C16,C17,C18,C19 1nF SMD 0805  
2 C20,C21 100nF SMD 0805  
2 C22,C23 1µF 40V SMD 0805  
1 D1 MBR340    
1 D2 LED ROUGE    
9 D3,D4,D5,D6,D7,D8,D15,D17,+1 1N4148    
1 D16 1N4002    
1 JP1 Header HE10 m male avec détrompeur  
2 JP1 HEADER HE10 8X2 Femelle à sertir  
1   Nappe 16 fils 30 cm  
1 K1 RELAIS 30A Possible récupérer relais sur carte alim  
1 L1 100uH 2A    
1 Q1 SCR 2N5061 TO92  
1 Q2 2N7000 TO92  
3 Q3,Q4,Q5 2N3904 TO92  
1 R1 3.9k SMD 0805  
1 R2 1.5k SMD 0805  
6 R3,R4,R5,R6,R12,R29 10k SMD 0805  
1 R7 100k SMD 0805  
2 R8,R23 1k SMD 0805  
6 R30,R31,R32,R33,R34,R35 1K TRIMPOT  
3 R14,R15,R16 220 TRIMPOT  
6 R9,R10,R11,R18,R19,R20 220 SMD 0805  
3 R13,R21,R27 47k SMD 0805  
1 R17 330 SMD 0805  
2 R22,R25 2.2k SMD 0805  
1 R24 3.3k SMD 0805  
1 R26 39k SMD 0805  
1 R28 100 SMD 0805  
1 U1 LM2576CT    
1 U2 LP2951/SO    
1 U3 74LS14/SO    
1 U4 LM78L05A/SO    

 

Compensation en température AMPI 2G3

Montage de la diode de compensation en température de la polarisation.

La diode, cathode à la masse doit être montée au plus près d'un des transistors du final.

J'ai percé le capot à coté du connecteur pour passer la connexion.

 

1301465720605Sun Jun 02 17-15-50

Interieur du capot et raccordement extérieur

 

PCB, premier de série

Les circuits imprimés sont arrivés.

Le premier de série est câblé et tout est correct.

Une seule erreur, le diamètre du trou pour D16 est celui d'une 1N4148 alors que la diode prévue est une 1N4001.

Du coup elle est un peu difficile à introduire.

20130701 153208

20130701 182219

Item Quantité Référence Composant
       
1 1 C1 CMS 0805 4.7nF
2 1 C2 220uF
3 1 C3 470uF
4 7 C4,C8,C9,C10,C11,C12,C13 10nF
5 1 C6 CMS 1206 4.7µF
6 6 C14,C15,C16,C17,C18,C19 CMS 0805 1nF
7 2 C20,C21 CMS 0805 100nF
8 2 C22,C23 CMS 0805 1µF
9 1 D1 SB540
10 7 D2 LED
11 8 D3,D4,D5,D6,D7,D8,D15,D17 1N4148 ou 1N914
12 1 D16 1N4001
21 1 JP1 HEADER HE10 8X2
22 1 K1

RELAIS 30A

OMRON G8P-1A4P-DC24.
23 1 L1 100uH 2A
24 1 Q1 SCR 2N5061
25 1 Q2 2N7000
26 3 Q3,Q4,Q5 2N3904
27 1 R1 CMS 0805 8.2kΩ
28 1 R2 CMS 0805 1.5kΩ
29 5 R3,R4,R5,R6,R29 CMS 0805 10kΩ
30 1 R12 CMS 0805 4.7kΩ
31 1 R7 CMS 0805 100kΩ
32 6 R30,R31,R32,R33,R34,R35 POT 1KΩ
33 2 R8,R23 CMS 0805 1kΩ
34 3 R14,R15,R16 POT 220Ω
35 6 R9,R10,R11,R18,R19,R20 CMS 0805 220Ω
36 2 R13,R27 CMS 0805 47kΩ
37 1 R21 CMS 0805 22kΩ
38 1 R17 CMS 0805 330Ω
39 2 R22,R25 CMS 0805 2.2kΩ
40 1 R24 CMS 0805 3.3kΩ
41 1 R26 CMS 0805 39kΩ
42 1 R28 CMS 0805 100Ω
43 1 U1 LT2576CT
44 1 U2 LP2951/SO
45 1 U3 74LS1/SO
46 1 U4 LM78L05A/SO

 

Réglages des courants de repos

Ces courants se règlent par les potentiomètres R14, R15 et R16, respectivement pour les transistors driver (PF) Final A et B (FA et FB).
Chacun de ces trois transistors étant équipé d'un capteur de mesure de courant monté sur un shunt de 10 milli Ohm dans chaque drain, on peut contrôler la tension correspondante sur les points test situés devant chaque potentiomètre de seuil d'alarme, I PF, I FA, I FB.
La mesure correspond à 5A par Volt.
Les courants de repos retenus sont de 1A pour le driver et 1.2A pour chacun des transistors du final, soit 200 et 240 mV.
Pour avoir une meilleure précision, j'ai changé sur le final les shunts par de 12.5 milli Ohm (deux 25 en //) et sur le driver par un shunt de 25 milli Ohm.
Dans mon cas je mesure 2 et 4A par volt sur les points de test.
Les tensions de polar correspondantes se situent autour de 3.8V sur les gates, tensions accessibles sur les points test de la carte.
 

 

Quand on valide les straps correspondants sur les points de mesure des courants, les tensions sont appliquées via des potentiomètres sur les entrées du trigger de schmitt 74LS14.
Le seuil de basculement se situe autour de 1.6V, tension à ajuster pour détecter les consommations anormales.

 

 

 

Voilà, l'ampli est terminé.
10 mW -> 200W
La prochaine étape serait de monter un micro PC, de type Raspberry-Pi avec 10 entrées analogiques pour la mesure de toutes les tensions.
  1. +24V et le +8V généré sur la carte
  2. les 3 tensions de polarisation
  3. Les 3 courants de drain
  4. La température
  5. La puissance réfléchie.
Et aussi pour prévoir de commander le PTT et le reset de l'alarme.
 
 
 

AMPLI 2G3 - Correctif

 
Jean Claude F5BUU me signale une petite erreur dans le schéma.
Cela concerne le pont de résistance R1/R2 qui détermine la tension de sortie du régulateur LM2576.
Sur le schéma il est marqué R1=3.9K, R2=1.5K
Cela donne une tension de sortie beaucoup trop faible.
Après vérification sur mon proto, il faut soit porter R2 à 680 ohms, soit passer R1 à 8.2K pour avoir une tension de sortie entre 8 et 8.5V.
Tension non critique dans cette plage.
D'autre part, la tension de sortie du LP2951 doit être bien de 5.7V. Ne pas vouloir l'ajuster à 5.00V.
 
 

Amélioration carte AMPLI 2G3

Suite à des problème de commutation du PTT quand la tension d'alimentation n'est pas stabilisée, F5BUU propose la modification suivante :

Elle consiste essentiellement à alimenter en +8v régulé au lieu de +25v toute la partie commande et sécurité.
Il faut couper la piste qui alimente en +25v la pin 8 du LP2951 et la relier au +8v
Et changer R4 = R6 = 1.5k, R5 = 3.3k, R12 = 1k, R21 = 4.7k, R13 = R26 = 22k.