FET versterker voor het meten aan LC kringen.

Terug naar de index

Versie 1

Afbeelding 1: Deze versterker kan gebruikt worden voor metingen aan LC kringen. Het metalen deksel is voor de foto verwijderd.

De ingang van de versterker wordt verbonden met de LC kring.
De ingang van de versterker heeft de volgende eigenschappen:

a- Hoge ingangsweerstand.
b- Lage ingangscapaciteit (ongeveer 1,4 pF).
c- Lage diëlectrische verliezen door het gebruik van hoogwaardige isolatie materialen.

Deze eigenschappen zorgen ervoor dat de LC kring nauwelijks wordt belast door de versterker, waardoor de Q van de kring bijna niet wordt beïnvloed.

De uitgangsweerstand van de versterker is 50 Ohm.
Als de versterker uitgang niet belast wordt, b.v als de uitgang verbonden is met een 1 Mega-Ohm oscilloscoop ingang dan is de versterking 1x, en de maximale uitgangsspanning 8 Volt top-top.
Als de uitgang belast wordt met 50 Ohm, dan is de versterking 0,5x. en de maximale uitgangsspanning 4 Volt top-top.
De versterking is constant tussen 10 kHz en (tenminste) 10 MHz.

De uitgang van de versterker kan b.v verbonden worden met:

- Een oscilloscoop
- Hoogfrequent voltmeter
- Hoogfrequent Wattmeter
- Diode detector met voltmeter
 

Afbeelding 2: Schema van de FET versterker (zie ook de updates onderaan deze pagina).
 

Schema beschrijving:

Het ingangssignaal komt binnen via een 0,3 pF ingangs condensator, samen met de ingangs capaciteit van de FET (T1) vormt dit een spanningsdeler, hierdoor zal de amplitude van het ingangs signaal ongeveer 17 maal verzwakt worden.

De ingangscondensator van 0,3 pF is zelf gemaakt met twee plaatjes koper van 1 vierkante cm op een afstand van ongeveer 3mm van elkaar.
Door de tussenafstand tussen de platen te veranderen is de versterkingsfactor van de versterker in te stellen.
Zorg er ook voor dat de condensatorplaten tenminste 1 cm afstand hebben tot de omringende massa vlakken.

Het ingangssignaal wordt via een 1mm dikke koperdraad de metalen behuizing ingevoerd.
Het gat in de behuizing is 10 mm.
De koperdraad wordt ondersteunt door een blokje polyetheen, dat met nylon schroeven is vastgezet.
De ingangsversterker rond T1 is afgeschermd van de rest van de schakeling.

Tussen de gate (ingang) van T1 en massa bevindt een weerstand van 20 M.Ohm.
De ingangsweerstand van de versterker zal echter veel hoger zijn, in theorie zelfs 17² keer hoger  (dus 5780 M.Ohm), dit omdat over de 20 M.Ohm slechts 1/17 van de ingangspanning staat.
In de praktijk zal door diëlectrische verliezen, a.o in de ingangscapaciteit van de FET de ingangsweerstand van de versterker wel lager zijn dan 5780 M.Ohm.

Transistor T2 is ingesteld op een versterking van 17 keer.
Of om precies te zijn -17 keer, deze transistor geeft namelijk een omkering van het signaal, maar dat haalt verder niet uit.
Op de collector van T2 staat dus weer de zelfde amplitude als op de ingang van de versterker.
De gelijkspanning op de collector van T2 moet ongeveer 6 tot 7 Volt zijn, als dit teveel afwijkt kun je de 1K2 weerstand of 10K weerstand aan de basis van T2 iets in waarde variëren.
T2 (BFR92A) is een erg snelle transistor (tot 5 GHz) in SMD behuizing, door de hoge snelheid van de transistor bestaat er kans dat T2 gaat oscilleren. Als dat het geval is kun je beter een langzamer transistor toepassen, zoals de BF199 (tot 500 MHz).

T3 en T4 vormen een buffer versterker met een versterking van 1 maal.
Deze versterker is in staat om een 50 Ohm belasting aan te sturen.

Versterker versie 2

De zelfde versterker is nogmaals gebouwd, maar ten opzichte van versie 1 met de volgende aanpassingen:

- Een aluminium behuizing in plaats van een blikken behuizing, dit heeft minder invloed op de Q factor

- Het gat in de behuizing voor de ingangspen is vergroot tot 13 mm (was 10 mm).

- De ondersteuning voor de ingangspen is nu gemaakt van polypropyleen (was polyetheen met een nylon schroef)

- De ondersteuning van de eerste condensatorplaat is nu gemaakt van polypropyleen (was epoxy PCB printmateriaal).

Door middel van deze aanpassingen heb ik geprobeerd om de diëlectrische verliezen in de versterker te beperken.

Afbeelding 3:  de versterker versie 2.  In een aluminium behuizing van 112x62x30 mm.

Afbeelding 4.

Afbeelding 5: detail van de ingangstrap.

Afbeelding 6.

In de volgende meting heb ik met beide versterkers de Q factor gemeten van detectorunit1.
Ook is de Q factor gemeten met beide versterkers parallel aangesloten op de LC kring.
De diode was in deze metingen losgekoppeld van de LC kring.
Bij het meten aan "versie 1" had ik een aluminium plaatje op de versterker gelegd, om de Q factor te verhogen (zie ook lctest6 meting 63).

Conclusies:
- De versterker versie 2 geeft een hogere waarde van de Q factor, dus versie 2 geeft minder belasting (hogere weerstand) van de LC kring.

- De Q factor met "versie 1" en "versie 2" parallel is vrijwel gelijk aan de Q factor gemeten met alleen "versterker versie 1".
Dit geeft aan dat de ingangsweerstand (bij die frequentie) van "versie 2" vrijwel oneindig hoog is, in ieder geval hoog genoeg om nauwelijks invloed te hebben op de gemeten Q factor.

Update 1

Hierbij een gedeelte uit het schema van afbeelding 2:


Afbeelding 7:    12 V voedingscircuit voor de FET versterker.

Het is in de praktijk gebleken dat de diode (BYV10-40) aan de ingang van het circuit, tijdens het aansluiten van de voedingsspanning makkelijk kapot gaat (de diode krijgt een interne kortsluiting).
Dit zou kunnen komen door statische lading waardoor de maximale sperspanning van de diode wordt overschreden.
Of door een te hoge piekstroom bij het laden van de 100 μF condensator aan de ingang van de 7812.

Om beide problemen op te lossen, hierbij enkele wijzigingen, in afbeelding 7 met rood aangegeven.
- Aan de voedingsingang wordt een 100 nF condensator naar aarde toegevoegd (verwijdert statische lading).
- De waarde van de 100 μF condensator wordt verlaagd tot 1 μF (verlaagt piekstroom bij inschakelen).

Het stroomgebruik van de FET versterker, inclusief 7812 spanningsregelaar is ongeveer 43 mA.
 

Update 2

Bij het gebruik van een 7812 spanningsregelaar is er minstens 15 volt ingangsspanning nodig.
Deze spanning kan prima geleverd worden door een niet gestabiliseerde 12 volt netadapter,
deze adapters leveren bij de maximale belastingsstroom 12 volt, maar bij een lichte belasting veel meer spanning, bijvoorbeeld zo'n 17 volt. DC.

Als je de schakeling ook op een 12 volt oplaadbare batterij wilt laten werken, heb je echter maar een veel lagere spanning beschikbaar.
Afhankelijk van de laadtoestand van de batterij, 12 tot 13,8 volt.
Door het toepassen van een low-drop spanningsregelaar is het mogelijk om een gestabiliseerde 12 volt spanning te krijgen bij deze lage batterijspanningen.
De redenen om de schakeling vanuit een batterij te voeden kunnen zijn:
- Voor het doen van metingen in het veld, waar geen netspanning voorhanden is.
- Om storingen vanuit het stroomnet te voorkomen.
- Om een ongewilde verbinding tussen de schakeling en aarde te voorkomen, via de interne capaciteit in de netadapter.


Afbeelding 8: voedingscircuit voor de FET versterker met low-drop spanningsregelaar.

Als low-drop spanningsregelaar heb ik een LM2940T-12 gebruikt (LM2940_datasheet) , dit omdat ik daarvan nog een exemplaar had liggen.
Je kunt ook een LM2940CT-12 gebruiken, dat is een meer gangbaar type.
Het minimale spanningsverschil tussen ingang en uitgang is afhankelijk van de belastingsstroom.
Maar bij de 40 mA die de FET versterker gebruikt, bleek er minstens 50 mV nodig te zijn tussen ingang en uitgang.
Dus bij slechts 12,05 volt batterijspanning hebben we nog een gestabiliseerde 12 volt uitgangsspanning.
Als de batterijspanning onder de 12 volt komt, volgt de uitgang van de LM2940 op 50 mV daaronder.

Als de spanningsregelaar voldoende koeling heeft, mag de ingangsspanning verhoogt worden tot maximaal ongeveer 29 volt.
Boven de 30 volt ingangsspanning, schakelt de regelaar de uitgangsspanning uit.
De FET versterker inclusief LM2940T-12 gebruikt ongeveer 50 mA.

Een leuke eigenschap van deze spanningsregelaar is, dat hij bestand is tegen negatieve ingangsspanningen.
Als je dus per ongeluk de ingangsspanning met verkeerde polariteit aansluit, kan dat geen kwaad.
Hierdoor is er ook geen diode nodig om de spanningsregelaar te beschermen tegen een negatieve ingangsspanning.

De condensator aan de uitgang van de LM2940T-12 moet een interne weerstand (ESR waarde) hebben tussen 0,1 Ω en 1 Ω.
De door mij gebruikte elco 47 μF/25V bleek bij meting een interne weerstand van 0,3 Ω te hebben, dus die was bruikbaar.

Figuur 9:  dit plaatje laat de frequentie respons zien van de versterker (versie 2) tussen 0 en 50 MHz.
Het - 3 dB punt ligt op 14 MHz.

Terug naar de index