ERA-3SM+ из Китая. Что это было на самом деле?
В коротковолновом радиолюбительском трансивере «Маламут», в качестве отключаемого предусилителя, используется микросхема ERA-3SM+ от компании Mini-Circuits.
Этот широкополосный усилитель работает в диапазоне частот от постоянного тока до 3 ГГц и построен на составном транзисторе Дарлингтона. Высокая рабочая частота обусловлена тем, что микросхема производится по технологии InGaP HBT (InGaP — полупроводник, состоящий из смеси индия, галлия и фосфора; HBT — биполярный гетеротранзистор). Эта технология используется не только в производстве солнечных батарей, но и для производства полупроводниковых радиокомпонентов, применяемых в высокочастотной технике.
Так как покупка радиодеталей в местных магазинах развлечение не самое дешёвое, то некоторую часть радиокомпонентов для сборки трансивера «Маламут» я заказывал на самой известной китайской торговой площадке. В список этих компонентов попал и усилитель ERA-3SM+ в количестве аж десять штук. По одному не продавали. Но это всё-равно было дешевле, чем покупать один по месту.
Думаю, ни для кого не будет секретом, что низкая цена радиодеталей на подобных площадках вызвана не добротой душевной. В основном, это бывшие в употреблении детали, выпаяные из утилизируемого оборудования. Затем компонентам красиво облуживают выводы, упаковывают в SMD-ленты и вуаля — «100% new brand original».
Бывает и вариант попроще, когда продают и просто выпаянную видавшую виды радиодеталь, с изогнутыми выводами, остатками припоя и флюса. В этом случае они уже научились не писать про «new brand original».
Ну и третий, самый скверный и довольно популярный вариант этой рулетки — перемаркировка. С этим думаю всё ясно. С компонента просто снимается слой с оригинальной маркировкой и наносится совершенно иная.
И вот приехала посылка. Понятно, что за такую цену это не могли быть десять новых усилителей, о чем и говорит отличие маркировки у микросхем в соседних ячейках ленты. Но все эти маркировки были более-менее одинаковые и содержали надпись «03» или «O3» и точку, обозначающую первый вывод. Размеры у символов маркировки были разные. На некоторых микросхемах, маркировка содержала ещё и полоску в виде подчеркивания. Сама же маркировка не совсем такая, как в даташите, но похожая:
Так как я с этими усилителями никогда дела не имел, то подумал, что производитель допускает подобные отклонения в маркировке. Тем более, что подобное встречал не раз. Да и в даташите указано, что «markings in addition to model number designation may appear for internal quality control purposes». И кто его знает, что именно они имеют в виду?
Первая, впаянная на плату трансивера «Маламут» микросхема выглядела так:
И, конечно же, при включении ничего не заработало. Будем разбираться.
Схема включения ERA-3SM+ в трансивере «Маламут»
Для начала рассмотрим небольшой участок схемы трансивера «Маламут» в версии Александра (UR4QBP):
Сигнал со входа RF IN, через полосовой диапазонный фильтр и группу отключаемых аттенюаторов поступает на твердотельный ВЧ-коммутатор K2. Далее, с канала RF1 через конденсатор C130 он попадает непосредственно на вход усилителя U22. Схема включения усилителя — стандартная, из даташита.
Для питания усилителя используется выход DC-DC преобразователя +5VEXT. Питающее напряжение подается через транзистор Q2 и цепь R80, L6. Дроссель L6 блокирует проникновение переменного тока с выхода усилителя в питающую цепь, а резистор R80 устанавливает ток смещения для составного транзистора Дарлингтона.
Усиленный ВЧ-сигнал отделяется от постоянной составляющей питающего напряжения конденсатором C131 и через коммутатор K1 и конденсатор C9 поступает на трансформатор T1.
Включение и отключение предусилителя производится микроконтроллером посредством изменения логического уровня управляющего сигнала PRE.
При отключенном предусилителе, ВЧ-сигнал поступает на трансформатор в обход микросхемы усилителя U22 через каналы RF2 коммутаторов K1 и K2. Питание на микросхему U22 при этом не подается, так как транзисторы Q2 и Q3 находятся в закрытом состоянии.
Исследование проблемы
На схеме указано, что значение резистора R80 необходимо подбирать, установив ток в цепи питания — 30 мА. В даташите на ERA-3SM+ указаны следующие параметры:
Recommended Device Operating Current: 35mA Device Operating Voltage: 3.2V (Typ.)
А ещё в нём имеется табличка с уже готовыми значениями сопротивления резистора смещения для разных питающих напряжений:
Но, как можно видеть, таблица начинается с напряжения 7 В. Для питающего напряжения 5 В ничего не указано.
При сопротивлении резистора R80 равным 15 Ом, усилитель выполнял сразу две функции: аттенюатора и генератора шума. То есть сигналы из эфира заметно ослаблялись и добавлялся шум на несколько баллов. Явно не то, что ожидалось.
В попытке достичь необходимого тока смещения, сопротивление резистора R80 пришлось снизить до 1 Ом (можно увидеть на фотографии в начале статьи). Это тоже весьма странно, ведь на схеме указано сопротивление 15 Ом.
После этой «доработки» усилитель стал работать только как генератор шума, повышая шумовую дорожку на пару баллов. При этом полезный сигнал так же повышался на пару баллов и не пропадал в шумах. Это явно не то, что ожидалось. Замена микросхемы на другую ситуацию не изменила.
Но во всю эту историю подлил масла вот этот онлайн-калькулятор, позволяющий определить сопротивление резистора для установки тока смещения. По его разультатам, при питании 5 В, необходимо устанавливать резистор с сопротивлением 51 Ом. Кстати, именно такое сопротивление и указано в оригинальной схеме трансивера «Маламут» от Евгения (R3DI).
Может в схеме Александра (UR4QBP) просто опечатка и две цифры в числе поменялись местами? Возможно, но не похоже. Так как в седьмой версии схемы (и платы), где питание микросхемы усилителя осуществляется уже напряжением 6 В, значение сопротивления резистора стало 27 Ом. Но никак не 80 Ом, как это считает онлайн-калькулятор.
Кстати, не стоит забывать и про дроссель L6. При индуктивности 22 мкГн работать этот усилитель сможет только на частотах выше 3 МГц. Для усиления более низких частот необходимо увеличивать индуктивность дросселя. В той же схеме Евгения (R3DI) стоит катушка с индуктивностью 47 мкГн. А это уже позволяет усиливать сигналы от частоты где-то 1,7 МГц. То есть полноценно захватывается 160-метровый радиолюбительский диапазон.
Возможно, что дроссель индуктивностью 22 мкГн, мог стать одной из причин работы усилителя в качестве аттенюатора. Тем более, что неизвестна его истинная индуктивность.
Измерение усиления микросхемы
Для того, чтобы узнать, что же происходит на самом деле, необходимо произвести измерения. Для этого были удалены конденсатор C9 и резистор R51. Кстати, не совсем ясно зачем этот резистор там вообще присутствует. В оригинальной схеме он отмечен как опциональный, без указания сопротивления.
К выходу коммутатора K1 припаян центральный контакт SMA-разъёма. Корпус разъёма — к общему проводу. За счёт толщины платы разъём достаточно крепко удерживался на пайке (кстати, заметьте, что на плате уже установлена другая микросхема из посылки и маркировка немного отличается от той, что была на фотографии в начале статьи):
Сделано это было всё не только для измерения усиления микросхемы, но и для снятия амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) всего тракта от ВЧ входа на плате до трансформатора T1. В том числе и АЧХ диапазонных полосовых фильтров (ДПФ). Так же была проверена работа аттенюаторов.
Для исследования работы усилителя к SMA-разъёму была присоединена 50-Омная нагрузка из калибровочного комплекта анализатора NanoVNA. А на ВЧ-вход основной платы трансивера был подан сигнал с генератора.
В качестве генератора использовался всё тот же NanoVNA. Ничего другого на тот момент у меня не было. Ну, разве что можно было подключить самодельный NWT-7, но смысл бы от этого не изменился.
Как видно на фотографии, дроссель в цепи питания установлен другой, с индуктивностью побольше. Да и резистор для установки тока смещения имеет совершенно другое сопротивление. А всё дело в том, что было переделано питание предусилителя и теперь оно берётся не с линии +5VEXT, а с выхода линейного стабилизатора 8 В.
С помощью осциллографа, произвожу измерение напряжения на нагрузке с включённым и выключенным предусилителем:
Как видно, усилитель таки работает и что-то усиливает. Но насколько это соответствует заявленным в даташите характеристикам?
Чтобы не считать логарифмы, я решил поступить проще и использовать имеющуюся в осциллографе функцию быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT). Представляю недоумение читателя после этих слов!
Дело в том, что осциллограф мне всем очень нравится, но реализация БПФ в нём оставляет желать лучшего. Пользоваться этой функцией по назначению невозможно от слова совсем. Даже в некоторых более дешёвых китайских осциллографах функция БПФ реализована намного более вменяемо. В итоге, другого применения для этой математики, как просто и наглядно в децибелах измерить усиление микросхемы, я пока не придумал.
Для этого, подаю сигнал с генератора и нахожу на спектре сигнал несущей частоты. Смещаю её пик на начало какой-либо клетки, от которой будет удобно производить визуальный отсчет на экране осциллографа. Затем включаю предусилитель и смотрю на сколько изменилось значение, учитывая установленный масштаб по вертикали. Вот и всё.
Как видно из изображений, метод достаточно простой. С учетом цены деления клетки по вертикали в 5 дБ, получаем усиление — 12 дБ. Маловато будет. По паспорту, усиление у ERA-3SM+ должно составлять около 23,4 дБ.
Определение модели микросхемы
Тут стоит вернуться к сайту с онлайн-калькулятором (кстати, на сайте кроме калькулятора содержится не мало интересной информации, так что рекомендую как-нибудь ознакомиться). При выборе модели микросхемы усилителя вываливается огромный список. И я начал листать этот список и искать даташиты на все микросхемы, модель которых оканчивается на «-3SM».
В итоге было обнаружено, что точно в таком же корпусе WW107 компанией Micro-Circuits выпускается и другой усилитель — MAR-3SM+.
Изучаем даташит на микросхему MAR-3SM+ и что мы видим в характеристиках? А видим мы там следующее:
Gain: 12.5dB (f=0.1 GHz)
Однако. Да это то же, что я и намерил! Но и это ещё не всё:
Device Operating Voltage: 5.0V (Typ.)
Именно поэтому, при питании от линии +5VEXT, у меня и получилось сопротивление резистора — 1 Ом. Можно было и просто напрямую подключить, если бы я не ориентировался на ток в 30 мА.
Ну и самое главное, что обнаружилось в даташите, — маркировка продукта:
Три совпадения из трёх! Сомнений быть не может. Микросхема оказалась оригинальной, но совсем не та, которую я покупал. Такие вот дела. Сэкономил денег, как говорится.
В итоге, пришлось покупать микросхему в местном Интернет-магазине радиодеталей за совсем другую цену. Но покупка оправдала все ожидания.
Измерение усиления ERA-3SM+
Итак, новая микросхема установлена. На маркировке присутствует только цифра «3» и знак подчёркивания. Сопротивление резистора выбрано исходя из таблицы — 133 Ом (выбран подходящий по сопротивлению резистор из партии с сопротивлением 130 Ом). Он, кстати, уже был виден на предыдущем фото, которое сделано перед заменой микросхемы.
Ток проверен — ровно 35 мА.
Провожу измерения формы и амплитуды сигнала с включённым и выключенным предусилителем на микросхеме ERA-3SM+:
О, а ведь это уже совсем другое дело! Хоть с виду и выглядит похоже, но обратите внимание на цену деления клетки по вертикали — 200 мВ. А в осциллограмме с выхода MAR-3SM+ это значение составляло всего 50 мВ.
Осталось посмотреть, какое же усиление в децибелах:
Как видно из скриншотов, усиление получилось около 21 дБ. Что полностью соответствует паспортным данным на микросхему ERA-3SM+:
Gain: 21 dB — 24.4 dB (f=0.1 GHz)
Более точное значение усиления можно посчитать вручную, опираясь на параметры сигналов в исходных осциллограммах. Но я особого смысла в этом не вижу. Усилитель работает и соответствует заявленным параметрам.
Подключение антенны так же подтвердило это. После включения предусилителя слабые станции становились куда более разборчивыми. Также, появлялись станции, которые без предусилителя не обнаруживались. И при всём этом каких-либо осязаемых дополнительных шумов не появлялось.
Выводы
Компания Micro-Circuits выпускает много разнообразных радиокомпонентов для высокочастотных схем. Эти компоненты, в основном, позиционируются для применения в УКВ диапазоне в оборудовании сотовой связи, беспроводных сетях и т.д. Но никто не мешает их использовать и в КВ радиолюбительских разработках, о чём можно убедиться на примере трансивера «Маламут».
При использовании усилителей в коротковолновых конструкциях, необходимо учитывать индуктивность дросселя, через который осуществляется питание микросхемы. Чем выше индуктивность — тем ниже граница рабочей частоты.
Маркировка микросхемы ERA-3SM+ должна содержать только цифру «3» и ничего больше! Всякие «E3» и другие маркировки, приведённые на фотографиях товара на китайских торговых площадках для ERA-3SM+, с большой долей вероятности окажутся подделкой, перемаркировкой или совершенно другой продукцией. Хотя, стоит заметить, что ERA-8SM+ имеет в даташите официальную маркировку «E8».
Перед повторением чужих схем, содержащих подобные усилители, стоит обращать внимание на линию питания. Неверный номинал резистора может вывести из строя усилитель при первом же включении.
Маркировка «03» соответствует микросхеме усилителя MAR-3SM+.
Буквы «SM» определяют тип корпуса микросхемы, а символ «+» — соответствие европейской экологической директиве RoHS. Для радиолюбительских домашних единичных конструкций это особого значения не имеет.