koelen van versterkers zinvol?

Bij het lezen over apparatuur die gebruikt wordt voor radio-astronomie ontdekte ik dat het de gewoonste zaak van de wereld is om versterkers te koelen i.v.m. de hoeveelheid ruis die hierdoor geintroduceert wordt.
Nu heb ik de voor de hand liggende vraag of het zinvol is om de schakelingen die normaal voor radio-ontvangst gebruikt worden te koelen.
Graag zou ik een bijzonder gevoelige ontvanger bouwen voor freq. 100 tot 200 Mhz.
Wie heeft hier enig zicht op?

Je wilt een bolometer gaan bouwen voor 100-200 MHz? :P

Inderdaad, een bolo-meter.
(Google was een goede vriend!)
Weet iemand of ik ruisreductie kan bereiken met "gewone"versterkende onderdelen zoals BFxxx ?

[Bericht gewijzigd door bitbanger op zaterdag 23 september 2006 18:55:12

Wel ff zeggen dat er verschillende vormen van ruis bestaan, en er verschillende fysische aspecten aan de oorsprong ervan liggen.

  • Hagelruis
  • Thermische ruis
  • Flikkerruis
  • Burstruis

Enkel bij thermische ruis gaat de temperatuur van doorslaggevend belang zijn voor de sterkte.

Hagelruis wordt opgewekt door een quantum mechanisch proces, fluctuaties in bewegingssnelheid van ladingsdragers. Eigenlijk een quantiseringseffect.

Flikkerruis: hangt af van gebruikte materiaal en procestechniek.

Burstruis: heeft te maken met imperfecte halfgeleidermaterialen, bij zware doperingsgraad.

Om maar te zeggen dat je door koeling niet alle ruisprocessen in de hand hebt. Verder hangt het er ook vanaf hoediep je kan gaan met koeling, daar de meeste IC's bvb. niet lager gespect zijn dan -40°C.
Of dat dan een serieuze verbetering is hangt ook samen met het ontwerp.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Op 23 september 2006 19:06:51 schreef big bang:
Enkel bij thermische ruis gaat de temperatuur van doorslaggevend belang zijn voor de sterkte.

Voor Nederlands-sprekenden onder ons:
Alleen bij thermische ruis is de temperatuur van doorslaggevend belang voor de sterkte.

Vervangen DOOR.

Bedankt BIGBANG, daar kan ik iets mee.
Nu kan ik weer iets verder zoeken.
Het bestaan van hagel, flikker en burst ruis was me niet eens bekend, ik dacht dat "alle" ruis thermische ruis was.
De datasheets van bijv. BF960 geeft alleen aan dat de opslag temperatuur niet lager mag zijn dan 50C.
De werking wordt dus niet gegarandeert bij lagere temperaturen en of de thermische ruis dan ook lager is, is dus op geen enkele manier duidelijk.
Ik heb i.i.g. meer info om het net af te struinen.

free_electron

Silicon Member

niet alleen ruis wordt lager. ook de lekstromen kunnen afnemen

ook de ccd's bij astronomie worden geoeld om zo van sommige rotzooi vanaf te geraken

voorals gallium arsenide fetjes en dergelijke

kijk voor uw transistoren eens naar bfg95 ... das heel leuk spul voor hf en alst moet precies zijn en ze zijn geneens duur.

Professioneel ElectronenTemmer - siliconvalleygarage.com - De voltooid verleden tijd van 'halfgeleider' is 'zand' ... US 8,032,693 / US 7,714,746 / US 7,355,303 / US 7,098,557 / US 6,762,632 / EP 1804159 - Real programmers write Hex into ROM
Henry S.

Moderator

@free: Tot hoever kan je Si halfgeleiders afkoelen, en GaAs, zonder dat het z'n werking verliest?

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Op 23 september 2006 18:42:12 schreef bitbanger:
Bij het lezen over apparatuur die gebruikt wordt voor radio-astronomie ontdekte ik dat het de gewoonste zaak van de wereld is om versterkers te koelen i.v.m. de hoeveelheid ruis die hierdoor geintroduceert wordt.

Overigens, bezint eer ge begint. Het soort koeling wat radio-astronomen gebruiken is niet simpelweg '-40 C met een peltier'.

Bolometers in het microgolfgebied worden op aan het einde (nou ja,
IIRC, een halve golflengte voor het einde) van een stuk golfpijp gezet, en dat stuk golfpijp wordt in de vloeibare helium geplempt. Of, als het niet zo kritisch is, in de vloeibare stikstof. Tenzij je 't leuk vindt om met cryogene technieken aan de gang te gaan wordt dat een hele dure hobby. Een liter vloeibare helium kost je een tientje; een liter vloeibare stikstof minder dan een euro. Beide verdampen in rap tempo. Een liter of vijf op een dag is normaal, tenzij je een hele goede cryostaat hebt.

Naast efficientiewinst door koeling krijg je d'r ook een hele berg problemen bij: Je kunt allerlei akelige driftverschijnselen zien omdat allerlei mechanische componenten eerst in thermisch evenwicht moeten zijn.

En *echte* mannen werken bij 0.3K of daaromtrent. Meestal betekent dat 'een hoop gedoe met 3He/4He, en hopen dat je geen ellende krijgt met superfluide helium.' Trek rustig anderhalve week uit voor een experimentje, en hou een hele bak aan techneuten in paraatheid als er weer eens een duur onderdeel naar god is.

Daarnaast is 't inderdaad nog maar de vraag of onderdelen functioneren zoals ze bedoeld zijn bij 4K (stikstof zal wel meevallen). Dat kun je natuurlijk gewoon proberen, maar om te begrijpen wat er aan de hand is moet je terug naar Boltzmann, band-gap plaatjes en heel veel vaste-stof fysica..

KT88

Overleden

Hm, dus die klasse A versterker met vloeibare heliumkoeling kan ik wel vergeten?

Jammer..........

" Ratings are for transistors.....tubes have guidelines" - www.audioconsultancy.nl -
free_electron

Silicon Member

der is nog en probleem. je kan niet solderen voor dergelijke lage temepraturen. tin barst gewoon onder de stress.

dergelijke dingen worden met kwik 'gesoldeerd'

chips op -50 is geen probleem hoor. ik doe dat dagelijks in het labo.
de juncties staan op -40 tot -45 en dat bolt lekker (temperatuur wordt gemeten via een diode op het substraat zelf. -2mV per graad kelvin . )

Professioneel ElectronenTemmer - siliconvalleygarage.com - De voltooid verleden tijd van 'halfgeleider' is 'zand' ... US 8,032,693 / US 7,714,746 / US 7,355,303 / US 7,098,557 / US 6,762,632 / EP 1804159 - Real programmers write Hex into ROM

Op 24 september 2006 01:03:22 schreef KT88:
Hm, dus die klasse A versterker met vloeibare heliumkoeling kan ik wel vergeten?

Jammer..........

Ik heb me altijd al afgevraagd waarom de audionurds blijven aanklooien met zilverdraad terwijl d'r supergeleidende kabels zijn. Tuurlijk, je moet om de dag helium bijvullen, maar de *klank* van supergeleidende luidsprekerkabels...

Klasse A in helium is ook een leuke; de verdampingswarmte van helium is niet heel erg groot. Scheelt een factor 30 tov stikstof (0.08 vs 2.8 kJ/mol) Een paar Watt bij 4K geeft ijspegels op je uitlaatleidingen..

Overigens, d'r zijn legeringen waarmee je solderingen kunt maken die bestand zijn tegen 4K<->kamertemperatuur cycli, zonder te verbrossen. IIRC lood/bismuth/nogiets legeringen. Soldeert alleen voor geen meter.

En, wat natuurlijk ook een leuke is, maar wat een 'cadeautje' is bij 't werken onder stikstof/helium; je moet er natuurlijk wel voor zorgen dat er geen lucht bij je versterker kan komen, want dan heb je binnen no-tim een ijslaag op je componenten zitten..

Op 23 september 2006 19:37:41 schreef bitbanger:
Bedankt BIGBANG, daar kan ik iets mee.
Nu kan ik weer iets verder zoeken.
Het bestaan van hagel, flikker en burst ruis was me niet eens bekend, ik dacht dat "alle" ruis thermische ruis was.

Wel, dit was ik nog vergeten te geven:
Links naar noise als je er een aantal artikels wil over lezen. Heb ze zelf wel nog niet doorgenomen.

Educipedia heeft wel wat allerlei info aan boord

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

@KT88: buizen en stikstofkoeling leek me toch al niet zo'n geweldige combie...

Hogepriester in het genootschap der mexicaanse hond. // // Aan 2% van de mensen is 50% van het bezit ; 1% van het bezit is aan 50% van de mensen.
KT88

Overleden

Ik bouw ook nog wel eens wat met halfgeleiders, Zweetvoetje.....

Buizen afkoelen is inderdaad een slecht idee, zelfs het gebruik van een gewone fan direct op de buis blazend, kan al brekend glas tot gevolg hebben.

Maar daar ging dit draadje niet over, excuus voor het offtopic gaan.........

" Ratings are for transistors.....tubes have guidelines" - www.audioconsultancy.nl -

Bijzondere leerzame link,
precies wat ik zocht.
Nogmaals bedankt!!

joopv

Golden Member

Voor aardse toepassingen (ontvangst van zenders op aarde) is het niet zinvol om versterkers te koelen. Dit vanwege de 'warme aarde' die in het zicht van de antennes staat.

Dit is een van de redenen dat zendamateurs die DX'en op 2m en hoger serieus nemen hun antennes een paar graden omhoog zetten.

Je kunt bovendien ook zonder koeling versterkers maken met een ruisfactor van minder dan 0,2 dB.

Alleen als je antennes naar de (koude) buitenruimte gericht staan is het zinvol om koeling te overwegen.

Anoniem

Beste bitbanger, wat wil je nu eigenlijk precies maken?
En wzat wil je er mee doen? Een bolometer voor radioastronomie is een apparaat dat je niet zo maar eventjes zelf maakt. Wat zou je er trouwens mee doen zonder de gigantische antennes? Je kan evengoed vragen: ik wil wat atomen splitsen in mijn tuinhuisje, hoe maak ik een cyclotron? :-)
Over de koeling van versterkers ivm ruis kan ik wel iets zeggen.
Voor audio mag dit item geklasseerd worden bij de reeds overvolle rubriek snobisme. Vanwege de relatief grote beginsignalen is de ruis van ondergeschikt belang.

Anders is het voor ontvangers.
Vroeger werden versterkers voor telecomsatellietontvangst gekoeld met vloeibare stikstof op-150°C .
De installaties hiervoor waren gigantisch.
Tegenwoordig is het ruisgetal van speciale GaAsfets zo laag dat dit nog zelden nodig is.

Voor klassieke aardse ontvangers heeft dit ook weinig zin omdat het ontvangstbereik door andere factoren begrensd wordt, bijvoorbeeld door de radiohorizon.

Zelfbouw van een stikstofgekoelde ontvanger is vrijwel uitgesloten voor een doorsnee amateur. Heb je er enig
idee van hoeveel een fles vloeibare stikstof of helium kost. Plus het gevaar, en het wordt een omslachtig gedoe.
Het grote probleem is je print. Tin heeft twee toestanden,bij positieve temperaturen is het metaal, bij negatieve temperaturen is het een witte poederachtige stof.
Als moeder ergens een echte tinnen vaas staan heeft, stop hem maar eens en tijd in de diepvries, hij zal na enige tijd helemaal uiteenvallen. Bij -150°C verpulvert je soldeer gewoon.

Koelen met een peltierelement bij -10 of zo zal onvoldoende effect geven.

Wist je trouwens dat voor toepassingen die zeer ruisarm moeten zijn zgn parametrische versterkers ontwikkeld zijn. Daar zitten alleen passieve componenten in, spoelen en condensatoren, die produceren zelfs helemaal geen ruis.

Ik wil niet pretenderen dat ik er iets van weet maar hoe kun je iets versterken met enkel passieve componenten?

even off topic, maar wist je dat er zelfs parametrische computers gebouwd zijn, (en geen kleintjes)? Ben de naam van die Japanner vergeten, het is dan ook al even geleden.

Mama look, -a-booboo

halfgeleiders koelen kan inderdaad wel met vloeibaar stikstof of vloeibaar helium. Bij een voorgaande baas heb ik me daar mee bezig mogen houden. 't ging om een voorversterker die direkt in de cryostaat zat. naar buiten gingen we met coaxkabel uit roestvast staal (vanwege de slechte warmtegeleiding van dit materiaal)
De bedrijfstemperatuur lag bij ca. 10-15 kelvin.
Bij deze temperatuur is de gatenbeweeglijkheid in halfgeleidermatieralen zover gezonken dat van een transistorwerking geen sprake meer is, een bipolaire transistor is dan echt niet meer als 2 diodes in antiserie met een middenaansluiting.
FET's doen het daar nog wel, zij het met flink veranderde eigenschappen.

tijdens het afkoelen van de versterker zat er een 'sprong' bij een zeer lage temp (weet niet meer exact, maar kon om de -150°C geweest zijn.) Bij die temperatuur veranderden de eigenschappen dramatisch.

Het ging hier niet om een laag ruisgetal te halen, maar om te kunnen meten bij die belachelijk lage temperatuur. Voor reductie van het ruisgetal zijn er 2 identieke kanalen opgebouwd, die later via een correlatie verder verwerkt werden. Signalen die zo slechts in 1 van de 2 kanalen voorkwamen werden automnatisch verworpen, en alleen signalen die in beide kanalen gemeten werden, werden verwerkt.

Wat lage ruisgetallen in de (zend/radio-astronomie)amateurwereld betreft, daar moet je een flinke korrel zout bij nemen. de Low-noise versterkers van DB6NT bijvoorbeeld. Die heb ik wel eens gemeten met een 'echte' noise analyser, de cijfers waren beduidend slechter als wat er beloofd werd. Probleem: die dingen waren voor laagste ruis gematcht, znder er rekening mee te houden dat een mismatch loss aan de ingang ook aan het ruisgetal bijdraagt. (de ruisgetallen waren niet gemeten, maar kwamen uit de simulator)
Bovendien, elke demping voor de eerste versterker verslechtert het ruisgetal.
Dan heb je op 23 cm een superdeluxe voorversterker die 0,2 dB ruisgetal heeft, en vervolgens via een low-cost N-connector (0,5 dB tussenvoegdemping) schroef je je ruisgetal weer vrolijk op naar 0,7 dB.

Op 23 september 2006 20:02:51 schreef free_electron:
niet alleen ruis wordt lager. ook de lekstromen kunnen afnemen

ook de ccd's bij astronomie worden geoeld om zo van sommige rotzooi vanaf te geraken

Beide zijn namelijk ook thermische effecten, thermische ruis is ook een probleem bij CCD's.
De diffusie snelheid neemt toe bij stijgende temperatuur, diffusie is voornamelijk verantwoordelijk voor de lekstroom.
Overigens wat betreft de koeling van low-noise versterkers, het heeft natuurlijk weinig zin om de versterker veel beter te maken dan de extern te ontvangen ruis.
Vooral in de lagere frequentie banden is de 'man made noise' behoorlijk veel groter dan de gevoeligheid van de meeste low-noise versterkers bij kamertemperatuur.
Dus naast een goede versterker is een voldoende selectieve antenne ook een absolute must.
Volgens mij bedoelt GD met een parametrische versterker niks anders als een selectieve kring met hoge Q-factor, om zodoende een optimale koppeling met een ander soort low-noise versterker mogelijk te maken (i.v.m. de impedanties)
Vermogensversterking met passieve komponenten is bij mijn weten namelijk nog steeds onmogelijk.

[Bericht gewijzigd door Xenobinol op maandag 25 september 2006 10:30:23

Technology is dominated by two types of people: those who understand what they do not manage and those who manage what they do not understand
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 24 september 2006 23:54:59 schreef smsmonster:
Ik wil niet pretenderen dat ik er iets van weet maar hoe kun je iets versterken met enkel passieve componenten?

Stel, je laadt een draaicondensator, ingedraaid tot 500pF, op tot 100V.
Als je hem nu uitdraait tot 100pF, heb je 500V op de aansluitingen.
Die extra energie heb je er bij het uitdraaien zelf ingestopt; het kostte immers energie om de platen uit elkaar te draaien terwijl ze elkaar aantrekken.
De capaciteit was dus nu de 'parameter' waar het om gaat.

Als je dit nu met varicaps doet, kun je een versterker maken. De frequentie waarmee je de capaciteit varieert, de "pompfrequentie", moet wel voldoende hoog liggen.
Een parametrische versterker was dan ook vaak een up-converter.

In dit geval zou je de varicap misschien geen passieve component meer moeten noemen. Hij versterkt nu immers. De energie om dat mee te doen haalt hij uit de pompfrequentie.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 25 september 2006 09:43:07 schreef DC2PCC:

Wat lage ruisgetallen in de (zend/radio-astronomie)amateurwereld betreft, daar moet je een flinke korrel zout bij nemen.

Ook in de semi-pro wereld wel hoor. Vaak zijn die getallen een kwestie van 'good specmanship'. Dan wordt de gevoeligheid van een systeem opgegeven 'bij kamertemperatuur', terwijl alles uit staat en er niets staat te trillen. Of je hebt mensen die een vijftal systeemparameters schatten (systeemvolume, beschikbaar vermogen ter plaatse van je sample, etc), waarbij je al snel onzekerheden hebt van een ordegrootte, en dat consequent op de meest voordelige manier doen. :P

Overigens, ik denk dat het voor een amateur best mogelijk is om een stikstofgekoelde versterker te maken. Het is alleen de vraag of je d'r 't budget voor hebt. Want je hebt dan natuurlijk wel iedere maand een vrachtwagen van Air Liquide voor je deur staan.

(en da's nog even afgezien van de vraag of het uberhaupt wel nut heeft om een stikstofgekoelde versterker te maken...)

Op 25 september 2006 10:04:36 schreef Frederick E. Terman:
Stel, je laadt een draaicondensator, ingedraaid tot 500pF, op tot 100V.
Als je hem nu uitdraait tot 100pF, heb je 500V op de aansluitingen.
Die extra energie heb je er bij het uitdraaien zelf ingestopt; het kostte immers energie om de platen uit elkaar te draaien terwijl ze elkaar aantrekken.
De capaciteit was dus nu de 'parameter' waar het om gaat.

Als ik een condensator van 500pF oplaad tot 100V en vervolgens de capaciteit terug draai naar 100pF, dan kom ik uit op een plaatspanning van 224V.
Dit heeft niks te maken met energie die je toevoegt tijdens het draaien van de platen.
Gewoon een kwestie van energiebehoud, de energie in een opgeladen condensator bedraagt immers:
P = 1/2 * C * U2

Overigens is zo'n pomp mechanisme ook gewoon een vorm van impedantie aanpassing, er vindt namelijk geen vermogensversterking plaats

Technology is dominated by two types of people: those who understand what they do not manage and those who manage what they do not understand