Présentation
Besoins
Le role de cet amplificateur de fréquence intermédiaire est double:
- il fourni la principale amplification avec ses 78 dB de gain.
- il gère automatiquement le gain, afin de l’ajuster selon la puissance des signaux reçus
Contrairement au premier amplificateur de fréquence intermédiaire nous pouvons nous autoriser moins de linéarité, ce qui implique plus de distorsion et intermodulation. Pourquoi ?
Tout simplement car en entrée nous avons un signal issus d’un filtre à quartz à bande étroite, ce qui limite considérablement les problèmes d’intermodulation que nous aurions avec un signal comportant toutes les émission de la bande écoutée !
De plus, une première amplification ayant été opérée par le premier amplificateur de fréquence intermédiaire, nous pourrons la aussi tolérer un facteur de bruit un peu plus élevé.
Ces souplesses nous aiderons donc à atteindre des gains élevés et réglables.
Structure
L’amplificateur est constitué autour de deux amplificateurs intégrés AD603 de analog device qui offrent chacun un gain de l’ordre de 39dB, soit 78dB au total.
Ce composant est un peu particulier, car il intègre en interne un atténuateur « programmable » suivi d’un amplificateur à gain fixe. Le gain maximal sera alors atteint pour un réglage à minima de l’atténuateur.
Le montage en cascade des deux amplificateurs est inspiré de celui présent dans le datasheet à la page 18. Le principe est de commencer par augmenter le gain du premier étage en priorité et de compléter avec le gain du 2e étage. Le constructeur assure que cette façon de procéder ne dégrade pas le facteur de bruit de l’amplificateur comparativement à ce qu’on aurais en utilisant un seul de ces composants.
Pour le gain automatique ( AGC ), je n’ai pas suivi le schéma du constructeur mais me suis inspiré ( en l’améliorant) d’une autre réalisation présentée par une équipe chinoise à l’ICADME 2015.
Le schéma
La version précédente peut être trouvée ici : http://david.alloza.eu/ForPublication/Homemade/Tx/SHTRX/IF2/AD603FI.png
Le fonctionnement:
Pour ce qui est de l’amplification se reporter aux explications fournies dans le datasheet. J’ai cependant apporté deux modifications. l’entrée de cet amplificateur présentant une impédance de 100 Ohms, elle peut être adaptée sur 50 Ohms en rajoutant une simple résistance supplémentaire de 100 Ohms en parallèle de l’entrée. C’est la solution préconisée sur le schéma proposé par le constructeur. Sur les conseils de Georges F6CER j’ai opté pour un réseau LC ( L1 , C13 ) d’adaptation d’impédance, de 50 Ohms vers 100 Ohms, ce qui permet de préserver les 3dB de facteur de bruit ( et de gain ) qui étaient perdus avec la solution originelle. L’autre modification concerne la sortie, j’ai rajouté une résistance de 47 Ohms en série afin de présenter 50 Ohms en sortie. La contre-réaction présente en sortie de l’AD603 aboutissant à une impédance de quelques ohms.
Contrôle automatique de gain ( CAG ou AGC en anglais)
On va supposer comme état initial une situation ou aucun signal ne serait appliqué en entrée, et ou l’ampli serait sous tension depuis plusieurs secondes, et l’appareil en réception ( RX_VCC alimenté). le potentiomètre U4 serait réglé à un niveau ne permettant pas à la base du transistor Q1 d’être polarisée ( moins de 0.5v).
Dans cette situation le transistor Q1 ne serait pas passant et le condensateur C10 se serait chargé ( à travers la résistance R15) à environ 8.3V. Avec ce potentiel d’AGC le gain est maximal.
Si maintenant on applique un signal significatif sur l’entrée, disons, -60dBm. l’amplificateur étant au maximum de gain ( +78dB ), il devrait sortir un signal de -60+78 = 18dBm. Cela n’est pas possible et il va rapidement saturer. Cependant on va avoir une tension de plusieurs centaines de mV en sortie, cette tension appliquée sur la base de Q1 va le polariser, il va conduire et donc décharger le condensateur C10 rapidement ( car le courant pourra être important, plusieurs dizaines de mA). la décharge du condensateur s’opère en quelques dizaines de ms tout au plus.
Pendant cette décharge la tension appliquée sur la commande de gain de l’amplificateur ( AGC ) va progressivement baisser, ce qui va réduire le gain de l’ensemble et donc le niveau de sortie. Progressivement les choses vont s’équilibrer et le gain va se stabiliser, l’amplificateur ne saturera alors plus.
Dans le HSTRX U4 est réglé de telle sorte que l’AGC limite le niveau de sortie a 0 dBm, ce qui implique que dans notre example ( -60dBm appliqués à l’entrée) le gain va se stabiliser aux alentours de +60dB.
Imaginons maintenant que le signal appliqué à l’entrée faiblisse fortement, par exemple qu’il baisse de 10dB à en passant de -60dB à -70dB. Le niveau de sortie va fortement baisser et le transistor Q1 ne sera plus polarisé. le transistor Q1 ne conduira plus et le condensateur C10 va donc progressivement se charger ( à travers R15 ) ce qui va progressivement et lentement augmenter le gain en raison de la valeur importante de cette résistance ( 27k). Tout ceci se stabilisera quand la tension appliqué sur la broche AGC correspondra à un gain de 70dB. Cette remontée de gain est bien moins rapide ( environ 100x plus lente) que la réduction de gain. Cela est indispensable au contrôle de gain automatique en phonie SSB, le sytème devant rapidement baisser le gain si une émission puissante est présente, tout en maintenant cette baisse de gain entre chaque phonème et même entre chaque mot afin de ne pas laisser remonter trop vite le niveau de bruit.
[Rajout au 20/10/2019] En émission et en réception ( mais c’est surtout utile en émission) la diode Zener D4 sert a empêcher que la tension de commande sur l’AGC ne descende sous 4.4V, ceci est nécessaire car si on passe sous ce seuil le gain remonte. Le datasheet indique d’ailleurs les seuils à ne pas dépasser.
Car particulier de l’émission:
En émission nous avons besoin de bien moins de gain ( le réglage est a +2dB de gain sur le HSTRX) et d’une dynamique d’AGC inexistante ou réduite.
dans ce cas la nous n’alimentons pas la broche RX_VCC et la tension appliquée sur R15 est alors déterminée par le réglage de U1. U1 permet donc de fixer le gain en émission.
D3 à un role particulier, elle aide à rapidement décharger C10 à travers U1, ce qui permet de très vite faire baisser le gain de l’ampli ( en quelques dizaines de ms) quand on passe de réception à émission. C’est nécessaire pour ne pas entendre un bruit de souffle important chez les correspondants au moment du passage en émission.
La réalisation:
La réalisation a été chaotique. Je ne pensais pas initialement mettre un AGC automatique sur le même circuit que l’amplificateur ce qui a provoqué un niveau de superpositions digne d’un plat de spaghettis. Cela serait à refaire, je ferais certainement un circuit imprimé ( sous KiCad ) avec des composants CMS.
Initialement je n’avais pas utilisé de réseau d’adaptation d’impédance en entrée et l’amplificateur était stable. Quand j’ai rajouté L1 et C13 une auto-oscillation est apparue, (certainement aidée par la structure en plat de spaghettis ) et je n’ai réussi à m’en débarrasser qu’en soudant une feuille de cuivre ( 100 microns ) en bas a gauche du circuit afin d’isoler le circuit d’adaptation d’impédance.
Au final cet amplificateur FI fonctionne remarquablement bien. L’AGC, malgrés sa simplicité, rend l’écoute en SSB confortable et ceci même si on sent bien qu’il manque encore un petit peu de dynamique .
Points faibles:
- l’amplification maximale ( et dynamique de l’AGC ) n’est que de 78dB. Or sur un récepteur pour les bandes HF il faut viser au moins 100dB de dynamique pour éviter d’avoir à retoucher le bouton de volume à l’écoute entre les stations au ras du bruit et les stations locales puissantes.
- Cet amplificateur est large bande, ce qui implique que du bruit à large bande est produit ( et doit être éliminé ensuite par un filtre à quartz simplifié). De plus ce bruit large bande peut réduire la dynamique de l’AGC ( même si elle est dans ce montage suffisamment réduite pour que cela n’arrive pas). J’ai mesuré un niveau de sortie de 200mV VPP produit uniquement par le bruit large bande.
Améliorations possibles:
- Opter pour une construction offrant plus de gain, par exemple en utilisant 3 amplificateurs AD603 en cascade comme ici : http://www.f6evt.fr/if_mf-jr7cch.pdf
- Faire fonctionner l’amplificateur en bande étroite, plusieurs solutions sont envisageable (et cumulables):
- Comme chez JR7CCH, en mettant des circuits accordés en liaison entre les étages.
- Comme proposé par Georges F6CER, modifier les feedbacks pour privilégier le gain sur la fréquence de la FI ( ici 20MHz).
Modification au 29/05/2019
Le condensateur C5 de 100nF à été remplacé par un condensateur de 1nF. 1nF correspondent à une impédance de 0.7 Ohms ( réactifs) à 20MHz ce qui reste faible devant les 100 Ohms de l’entrée de l’AD603. Par contre cette modification présente deux avantages:
- une réduction du bruit large bande dans les basses fréquences, ce qui évite que l’AGC en tienne compte.
- La suppression d’un « accrochage » aléatoire de l’ampli qui auto-oscillait à quelques centaines de khz.
Modification au 29/08/20189
- R16 est passée de 12 à 120 Ohms, cela permet à l’AGC d’être plus progressif et donc plus souple.
- j’ai rajouté une diode zener de tension de seuil de 5.6V bloquant la tension basse de l’AGC vers 4.4V. C’est nécessaire car l’AD603 ne tolère pas des tensions trop faibles sur les broches de configuration de gain. Si on passe sous ces seuils, le gain remonte !!. Cela amenait occasionnellement l’amplificateur en saturation en émission..
Voir ici
David, F4HTQ.
