Préamplificateur pour la bande des 40 mètres
par Michel, F6HXE et Yves, F4IMG
Dessins : F4IMG - F6HXE
Simulation et mesures : F4IMG
Crédit photos : F5PAX
C'était un préamplificateur qui avait cessé de fonctionner. En l'examinant il est apparu que c'était le transistor à effet de champ qui ne fonctionnait plus.
En essayant un remplacement par un autre transistor, un BF245, les mesures effectuées sur les signaux n'étaient pas bonnes. Et puisque le transistor défectueux n'était pas identifiable on s'est orienté vers une autre réalisation.
Le préamplificateur en panne était de conception classique : un montage du transistor de type source commune avec un transformateur sur tore de ferrite côté gate et aussi côté drain pour adapter les impédances d'entrée et de sortie à des sources ou des charges de 50 ohms. C'est ce principe que nous avons retenu pour notre réalisation.
Conception du préamplificateur :
Nous avons conservé les transformateurs d'entrée et de sortie.
Le tore de ferrite est de type T 37-2. C'est le logiciel "miniTore Calculator" version 1.3 qui nous a indiqué un Al = 4.0 nH/tours, et de plus il indique les dimensions du tore et aussi la longueur de fil nécessaire pour réaliser les bobines.
Ce sont des transistors qui nous étaient disponibles que nous avons choisis d'utiliser : BF245A.
Ces transistors ont le désavantage d'avoir une transconductance assez faible pour avoir un gain intéressant. Des datasheets de NXP donnent de valeurs de 3 à 6 mS suivant les échantillons.
Afin d'augmenter cette transconductance globale nous avons utilisé 2 transistors en parallèle. La polarisation des sources de chaque transistor est indépendante afin de minimiser l'effet de la disparité éventuelle des caractéristiques des transistors.
La liaison de sortie par le transformateur sur le tore est réalisée sans modification : une inductance de 26 tours de fil de diamètre 0.2 mm côté drains, et 6 tours côté sortie. Le transformateur d'entrée a été modifié d'après les résultats donnés par une simulation à l'aide de Ltspice. Ce transformateur a une inductance de 26 tours côté gate des transistors et 2 tours vers l'entrée du préamplificateur.
Voici sur la figure suivante le schéma utilisé pour la simulation.
Sur cette figure les valeurs de 2.7µH sont les inductances de 26 tours, 144nH pour 6 tours et 16nH pour 2 tours. Une résistance de 0.6 ohm est attribuée aux inductances de 2.7µH, valeur non visible sur le schéma. C'est une valeur très approximative compte tenu du fait que la formule classique :
donnant l'épaisseur de l'effet de peau est calculée pour une surface plane et une épaisseur beaucoup plus grande que l'épaisseur de peau. Ce n'est pas une bonne approximation car l'épaisseur de peau résultant de cette formule est de l'ordre de 25 µm à 7 MHz, c'est le 1/4 du rayon du fil cylindrique utilisé !
Les coefficients de couplage K1 et K2 entre primaires et secondaires sont choisis à 0.95. N'ayant pas été mesurée c'est une valeur quelque peu arbitraire, mais une variation de quelques centièmes à une influence mineure sur les résultats.
La tension d'entrée est fournie par le générateur V2 d'impédance interne R5 = 50 ohms.
La charge connectée en "OUT" est aussi de 50 ohms.
La figure suivante donne la fonction de transfert obtenue entre 6.5 et 7.5 MHZ
Le gain visualisé dans l'encart est de 26.1 dB à 7.06 MHz.
Ce résultat est encourageant pour construire ce préamplificateur, bien que toutes les pertes n'ont pas été prises en compte, en particulier les pertes des condensateurs sont ignorées ainsi que celles dues aux tores de ferrite. Il faudra donc s'attendre à un gain plus faible et puisque que l'amortissement réels sera plus élevé, la bande passante sera plus large.
La figure suivante compare les tensions tensions d'entrée et de sortie calculées à 7.1 MHz.
L'encart indique une amplitude de sortie de 384 mV pour une amplitude d'entrée de 18.6 mV, soit à nouveau un gain de 26.3 dB.
Réalisation du préamplificateur
Le dessin du circuit imprimé est réalisé avec le logiciel Eagle.
La figure suivante montre le schéma de la réalisation
On peut voir que les capacités d'accord sont formées, avant comme après les transistors, d'une capacité fixe en parallèle avec une capacité ajustable .En ajustant ces capacités on obtient la meilleure amplification à la fréquence désirée dans la bande des 7 MHz. Le circuit d'alimentation de la tension 13.8Volt est découplée par les condensateurs de 10µF et 220nF et par la résistance de 100 ohms, afin de mieux isoler le circuit des interactions avec l'ensemble du récepteur.
Téléchargement du schéma ICI
La disposition des éléments sur le circuit imprimé simple face est la suivante :
(C'est une vue de dessus. Attention, il existe deux types de boîtier pour le BF245, l'un a la gate au centre, l'autre a la gate à gauche comme ceux qui sont utilisés sur ce montage).
C'est le gain transducique qui a été mesuré pour ce préamplificateur, c'est une possibilité intéressante pour spécifier le gain d'un dispositif en haute fréquence.
Définition : Le gain transducique est le rapport entre la puissance fournie à la charge à travers l'amplificateur sur la puissance maximale disponible aux bornes du générateur.
En utilisation, le préamplificateur reçoit un signal d'une antenne par l'intermédiaire d'un câble coaxial d'impédance caractéristique 50 ohms. Ce signal fournit sa puissance maximale dans une charge adaptée de 50 ohms.
Pour la mesure on utilise en entrée un générateur d'impédance interne 50 ohms. On le relie par un câble coaxial à l'extrémité duquel on place une charge coaxiale traversante connectée à l'entrée haute impédance de l'oscilloscope qui est l'instrument de mesure.
Le niveau du signal est réglé pour que la trace sur l'oscilloscope fasse 10 mV crête à crête. Ceci donne un signal d'entrée suffisant pour une lecture commode à l'oscilloscope et assez faible pour éviter toute saturation du préamplificateur.
En second lieu, le câble coaxial est débranché de la charge coaxiale traversante et on intercale le préamplificateur. Le câble est connecté à l'entrée du préamplificateur sans aucune modification de réglage du générateur . La sortie du préamplificateur est connectée à la charge de 50 ohms qui est restée connectée à l'oscilloscope. La trace obtenue sur l'oscilloscope mesure alors 80 mV crête à crête.
Ces conditions de mesures sont celles du gain transducique . Sa valeur mesurée est donc de 18 dB.
On compare cette valeur à la simulation qui donne une amplitude de sortie de 364 mV pour une f.e.m. du générateur de 50 mV. Ce générateur connecté à une charge adaptée de 50 ohms donnerait une amplitude de 25 mV. Soit un gain transducique de 20 x log(384/25) = 23,7 dB.
La simulation est nettement optimiste par rapport à la réalisation. On l'avait prévue en partie par le fait que la simulation n'a pas pris en compte une partie des pertes électriques dans les composants. Et il se peut aussi que la transconductance des modèles de transistors utilisés par le simulateur soit plus élevées que celle des transistors utilisés dans le montage.
Réalisation
En conclusion
Le gain de 18 dB du préamplificateur réalisé est tout de même intéressant, et il a été utilisé à l'entrée d'un récepteur. Le préamplificateur a été testé avec une antenne END FED et un doublet raccourci raccordée à un récepteur Home Made.
Ce préamplificateur a permis de recevoir des stations qui sans lui avaient en réception un niveau trop faible pour être décodées.
Ayant donné satisfaction, nous n'avons par cherché à augmenter les performances de ce préamplificateur. Des essais supplémentaires les amélioreraient très probablement.
En complément : le typon du circuit imprimé au format pdf et les fichiers "Eagle" du schéma et du circuit imprimé.
73 de Yves, F4IMG, et Michel, F6HXE
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