Optimaliseren uitgangsimpedantie en reflectiedemping van 10MHz uitgang
Na bovenstaande metingen kreeg ik zin om te kijken of die uitgangsimpedantie te verbeteren was
Daarmee verbeter je natuurlijk ook meteen de reflectie demping.
De geijkte opties zijn het vergroten van de serieweerstand (hier R35), en een Zobal netwerkje over de secundaire van de trafo:
Het nut van het verhogen van de serieweerstand is duidelijk. Je vergroot de uitgangsimpedantie. Maar hierdoor wordt wel het verlies groter, en we hebben net met moeite een trafo gemaakt die dat verlies zo klein mogelijk houdt...
De taken van het zobal netwerkje zijn complexer. Enerzijds kun je de trafo resonantie dempen. Anderzijds blijft het netwerkje de uitgangsimpedantie in de buurt van nominaal houden bij hoge frequenties, waar anders die impedantie omhoog zou schieten...
Beperkende factor bij het dimensioneren van het Zobal netwerk is dat het netwerkje parallel aan de bestaande uitgangsimpedantie hangt. En die was al aan de lage kant... En iets parallel zetten maakt het geheel altijd (nog) laagOhmiger...
Dus in dit geval moet bij het toevoegen van een Zobal sowieso de serieweerstand wat omhoog, om de uitgangsimpedantie bij 10MHz niet nog verder te laten dalen.
Voor de eerste, bescheiden, versie kwam ik uit op een serieweerstand van 51,1Ω, en een Zobal van 22pF, met 49,9Ω in serie. Die Zobal dempt de piek in de impedantiecurve, en naarmate de frequentie hoger wordt, wordt de impedantie van de 22pF kleiner, en wordt de 49,9Ω een belangrijker deel van de uitgangsimpedantie.
Deze versie gaf dit meetresultaat:
Klik op grafiek voor grotere versie
Als we kijken naar de impedantiecurve (donkerblauw = origineel, lichtblauw = nieuw) dan is de grote piek bij 100MHz nu mooi gedempt. De waarde bij 10MHz gaat er ook wat op vooruit, van 44Ω naar 46,4Ω (zie markeruitlezing onderin)
Uiteraard wordt de VSWR bij 10MHz hier ook wat gunstiger van. Maar mooier is dat de demping nu beter blijft over een veel breder frequentiegebied: van 1MHz tot een paar honderd MHz.
Laten we nog een stapje verder gaan, en de serieweerstand nog wat verhogen, en kijken wat dat oplevert
Klik op grafiek voor grotere versie
Ik heb nu de serieweerstand (R35) verhoogd naar 53,6Ω.
De paarse lijn is de impedantiecurve met 53,6Ω. Natuurlijk is de impedantie bij 10MHz verder omhoog gegaan, naar 48,1Ω. Maar verder is er weinig verandering / verbetering
Hetzelfde zien we bij de VSWR curve (roze is met 53,6Ω) De VSWR gaat omlaag van 1,14:1 naar 1,1:1. Verder weinig verschil...
Een VSWR van 1,14:1 geeft 23,7dB return loss, met 1,1:1 verbetert dat naar 26,4dB… Tel uit je winst
Dit lijken zo gezien dus mooie en zinvolle verbeteringen, maar we kijken maar naar èèn aspect van het ontwerp.... Belangrijkste nadeel is dat met name door de hogere serieweerstand de demping ook toeneemt. De versie met 51,1Ω dempt 0,32 dB extra, de versie met 53,6Ω serieweerstand dempt 0,75dB extra. Dat betekend dus dat de LM7171 harder moet werken om toch +10dBm op de uitgangsklemmen te krijgen. Dus zul je ook wat meer vervorming (en dus ongewenste harmonischen) krijgen...
Vraag is dus: hoe erg is dat, en waar ligt de optimale balans?
Eerst maar eens kijken naar die vervorming...
Dit is het spectrum van de LM7171 uitgang, zonder aanpassingen:
Klik op grafiek voor grotere versie
Ik heb het uitgangsniveau van m’n Marconi generator (plus Mini-Circuits filters) zo ingesteld dat er precies +10dBm uit de MasterClock print komt.
Daarna heb ik een delta-marker op de 3e harmonische gezet, als maatstaf voor het niveau van de harmonischen. Rechts-boven staat de uitlezing van die delta-marker: de 3e harmonische zit hier -49,3dB onder de grondtoon (-49,3dBc)
Overigens, de hogere harmonischen zijn hier iets sterker aanwezig als ik bij eerdere metingen gezien heb... Mogelijk komt dat omdat deze print een 24V voeding heeft. Om te kunnen meten met 12V Ub voor de LM7171's heb ik m'n labvoeding zover teruggedraaid dat er weer 12V op de voedingsrail van de LM7171's stond. De LM317 staat dan natuurlijk wel helemaal open, en kan niks meer stabiliseren...
Maar het gaat hier om de verschillen, dus maakt dat niet zoveel uit.
En dan nu het spectrum na de mod met 51,1Ω in serie, en met Zobal netwerkje:
Klik op grafiek voor grotere versie
Ik heb eerst het generatorniveau verhoogt tot er weer precies +10dBm op de uitgang stond.
Dat was in dit geval +0,32dB, wat dus de extra demping van deze modificatie is.
De OpAmp moet nu wat harder werken, en inderdaad leidt dat tot wat hogere harmonischen.
De 3e harmonische is gestegen van –49,3dBc naar -47,9dBc.
Gaan we nog een stapje verder door de serieweerstand te verhogen naar 53,6R:
Klik op grafiek voor grotere versie
Nu moest ik de generator 0,75dB harder zetten om toch weer op +10dBm uit te vorige meting.
Toch zijn de harmonischen nauwelijks hoger als bij de versie met Rs=51,1Ω! Kennelijk compenseert het feit dat de OpAmp in een wat hogere impedantie mag draaien (en dus wat minder stroom hoeft te leveren) het wat hogere signaal niveau. Een onverwacht resultaat...
Een conclusie voor de LM7171 uitgang,draaiend op 12V, zoals bij de Masterclock:
Ik zou de schakeling gewoon ongemodificeerd laten. De mod levert inderdaad een wat betere reflectiedemping op, maar het zeer de vraag wat je daar in de praktijk aan hebt. Aan de andere kant levert het je wat meer harmonischen in je uitgangssignaal op. En die zijn er altijd, bij elke toepassing...
Maar... mijn huidige print is bedoeld om op 24V te draaien. De LM7171's hebben dan een stuk meer headroom, dus eens kijken of de situatie dan anders is...
Eerst weer de gemodificeerde versie, nu met Ub=24V:
Klik op grafiek voor grotere versie
Door de grotere headroom ligt de vervorming nu flink lager! De harmonischen zitten nu een flink stuk onder de harmonischen van de OCXO zelf (of in dit geval de Rubidium), dus er is ruimte om de VSWR te verbeteren zonder hier concessies te hoeven doen.
Ik zal het spectrum van de mod met 51,1Ω overslaan, en meteen de versie met 53,6Ω in serie laten zien:
Klik op grafiek voor grotere versie
Nu valt op dat de harmonischen niet of nauwelijks slechter zijn dat zonder de mod.
Omdat de LM7171 met 24V voeding een stuk meer headroom heeft komt hij niet in de problemen, ook niet als hij wat harder moet werken.
Duss... voor deze Rubidium versie op 24V ga ik wèl deze modificatie toepassen!
Zo zie je maar dat ontwerpen steeds het afwegen van verschillende aspecten is, en dat de balans dan soms naar een andere keuze kan doorslaan .
Voor liefhebbers die zo'n Zobal netwerkje op hun print willen solderen, dat gaat makkelijk met een paar 805 SMDtjes over de secundaire van de trafo:
De weerstand is hier thin film, het C'tje is keramisch NP0 / G0G.
Ook voor de liefhebbers, alle spectrummetingen in een PDF: LM7171 10MHz uitgangstrap - spectrum standaard en met 50R-22pF zobal.
@ Blackdog
Je lijstje van wat er allemaal meespeelt klopt mijns inziens helemaal
Wel heb je in je post waar je aan refereerde de reflectiedemping maar tot 20MHz bekeken, en de toename van de harmonischen niet meegewogen in je afwegingen.
Maar, zoals je ziet, de verschillen zijn uberhaubt subtiel
Groet, Gertjan.