LN3 1200MHz 10x Vorverstärker

Projekt: LN3 1200MHz 10x Low-Nois 50 Ohm Vorverstärker

Lizenz: Creative Commons BY-SA

Zielsetzung:
Ein Rauscharmer 50 Ohm 1GHz Vorverstärker für das Oszilloskop.
Da der Eingang eines Oszilloskop auch für 1 MOhm geeignet ist, ergibt sich ein stärkeres Rauschen.
Mein 1GHz Oszilloskop hat ein Eingangsrauschen von ca. 140µVrms das entspricht eine Widerstand mit ca. 1200 Ohm oder 4.5nV/√Hz.
Bei eine Eingangswiderstand von 50 Ohm || Quelle 50 Ohm ergibt 25 Ohm und ein Widerstandsrauschen von ca. 0.64nV/√Hz oder 20µVrms bei 1GHz.
Daher der Bau eines Vorverstärker mit einer Verstärkung von 10x (20dB) Bandbreite min. 1GHz und einen Rauschen von max. 1.0nV/√Hz.
Extra: AC/DC - Umschaltung, Automatischen Null-Punkt Abgleich, Batteriebetrieb.

Umsetzung:
Verstärkung 10x : Ok
Bandbreite 1.2 GHz : Ok
Rauschen 1.15nV/√Hz : Ziel nicht erreicht.
Positives zum Rauschen:
Durch den Automatischen Null-Punkt Abgleich wird das rosa Rauschen im unteren Frequenzbereich <200Hz auf <=20nV/√Hz begrenzt.
Temperaturdrift:
Durch den Automatischen Null-Punkt Abgleich wird der Offset korrigiert,
jedoch nicht die Verstärkungsänderung von T3 und die beträgt ca. 0.08 %/°C bei 22°C ±5°C

Frequenzgang: 500 Hz - 1500 MHz Input=-30dBm Output=-10dBm
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Imput Nois: 15 Hz - 16 kHz in V/Hz
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PARAMETER	CONDITIONS	MIN TYP MAX	UNIT
Input	DC AC-Mod. Offset	±10 ±50 ±3	mV V
Frequenc	-3dB input=-30dBm (20mVpp)	1200	MHz
Input Nois *	Bandwidth 1000 MHz Bandwidth 20 MHz 0.1 - 10Hz	36.3 / 280 5.3 / 39.7 0.05 / 0.34	uVrms/ uVpp
Input Nois *	1 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 MHz	15.0 19.0 7.5 1.15 1.15	nV/√Hz
VSWR	0-1.2 GHz	<=1.5	-
Supply voltage Supply Current		5 6 7 65	V mA

* Mittelwert von 64 Messungen

Downloads:

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LE0044_LN3_SCH.pdf
Rev 1.00: Schaltplan, Bestückung, Material Liste

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LE0044.zip
PCB Layout Daten (RS274X Format / Extended Gerber)
6-Lagen Länge: 69.1mm Breite: 66.0mm
Basismaterial: FR4, 35 µm Cu, 1,6 mm

Unterschied Linearität: Direkt und mit LN3 Vorverstärker.

Differenz: Frequenz: 25 MHz LN3-Input=10mVpp
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Gen: 100mVpp + Att.-20.0dB Differenz: Zoom 10x

Differenz: Frequenz: 125 Hz LN3-Input=10mVpp
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Gen: 100mVpp + Att.-20.0dB Differenz: Zoom 10x

Unterschied: Ohne Vorverstärker und mit LN3 Vorverstärker.

Oszilloskop direkt: Freq: 12.5 MHz Input=1mVpp
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Oszilloskop Average=1 Bandwidth=full

Oszilloskop + LN3: Freq: 12.5 MHz LN3-Input=1mVpp
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Oszilloskop Average=1 Bandwidth=full

Oszilloskop direkt: Freq: 1 kHz Input=1mVpp
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Oszilloskop Average=1 Bandwidth=20 MHz

Oszilloskop + LN3: Freq: 1 kHz LN3-Input=1mVpp
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Oszilloskop Average=1 Bandwidth=20 MHz

Vorteil:
Der Vorverstärker LN3 bringt bei einen Oszilloskop (50 Ohm) eine deutlich sichtbare Reduktion des rauschen und das triggern von einigen 100µV großen Signalen ist auch noch möglich.
Nachteil:
Bei einen Oszilloskop mit einer Bandbreite von 1000 MHz + LN3 reduziert sich die gesamte Bandbreite auf ca. 700 MHz

VSWR TDR: Frequenz: 25 MHz LN3-Input=25mVpp
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6dB Powerspliter + Prüfkabel: 60cm RG316 Differenz: Zoom 10x

LN3-Output Nois: 0.1 - 10 Hz LN3-Input=50 Ohm (10x)
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Input Nois = Nois / 10 --> Ampl=0.3308µV RMS=0.0565µV

Wie könnte das Rauschen weiter reduziert werden:
1. Das Rauschen lässt sich auf kosten des VSWR reduzieren:
L2,L3=15nH R29=22 R48=33 Ohm
Ergibt: ca. 1.0nV/√Hz, jedoch ein VSWR vom ca. 2.0
2. Das Rauschen lässt sich auf kosten der Thermischen Stabilität reduzieren:
Den Strom von ca. 8mA auf 3.5mA für TR3 BFU530 reduzieren.
R41=270 R38,R39=12 R45=82 R46=510 R48=82 Ohm
Ergibt: ca. 1.05nV/√Hz ft=1GHz und einen Temperatur Amplitudenfehler größer als 1%/°C !!!
3. Das Rauschen lässt sich durch eine Schaltungs und Layout Änderung reduzieren:
Durch weglassen des zusätzlichen Überspannungsschutz T2
Durch weglassen der AC/DC-Umschaltung oder zumindest anders Terminieren (von 10k auf 100 Ohm)
Kurzum reduzieren der Parasitären Kapazitäten und Induktivitäten,
und dadurch den Widerstand R29 und die Induktivität L2,L3 zu verkleinern.
Oder vielleicht durch das Parallelschalten von zwei TR3 BFU530 ???
Wahrscheinlich ist das reduzieren der Miller-Kapazität von T3 durch eine Kaskodeschaltung ein Lösungsweg.
Ein für Messtechnik geeigneter Vorverstärker, Frequenzgang, Bandbreite, VSWR und Rauschen unter einen Hut zu bringen ist nicht so einfach.

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