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HF-Technik
MMIC-Verstärker richtig einsetzen
Ing. FRANK SICHLA – DL7VFS
Gleichförmige, schwingsichere und immer weitläufigere Breitbandverstärkung
war und ist ein ständiges Bestreben in der HF-Technik. Gerade
moderne Kommunikationskonzepte sind in dieser Hinsicht eine Herausforderung.
Mit MMIC-Verstärkern ist man hier ein gutes Stück vorangekommen.
In preiswerten Versionen und immer besser verfügbar,
bieten sie sich auch dem Amateur an.
MMIC steht für Monolithic Microwave
Integrated Circuit. Dabei handelte es sich
anfangs ausschließlich um kleine Breitbandverstärker
mit 50 Ω oder 75 Ω Einbzw.
Ausgangsimpedanz auf der Grundlage
von Si-Halbleitern oder eingebondeten
Transistorchips in Dick- oder Dünnfilmtechnik.
Diese Bauelemente wurden
für die Breitbandübertragung beim Kabelfernsehen
und für Sat-Antennenanlagen bis
etwa 1 GHz konzipiert. Neuerdings sind
auch Halbleitermischer und Oszillatoren
hinzugetreten.
■ Gestatten, MMIC
Bild 1 zeigt das Schaltsymbol eines solchen
Breitbandverstärkers, Bild 2 einige Bauformen.
Beim Blick auf die Bilder drängen
sich Vergleiche mit dem Operationsverstärker
bzw. mit HF-Breitbandtransistoren
auf, aber diese sind abwegig. Ein
MMIC-Verstärker besitzt in der Regel
neben Ein- und Ausgangs-Pin noch zwei
gleichwertige Masseanschlüsse, wodurch
eine induktionsarme Erdung sichergestellt
werden kann.
In Amerika trifft man häufig auf die Produkte
von Avantek (Tabelle 1), während
sich hier in Europa die Erzeugnisse von
Mini-Circuits (Tabelle 2) am besten etabliert
haben; diese Firma hat ihren Sitz
zwar in New York, aber zwei Vertretungen
in Deutschland. Wie man anhand von Tabelle
3 sehen kann, sind noch einige weitere
Hersteller im MMIC-Geschäft.
Bezüglich der oberen Einsatzfrequenz wird
in [1] bemerkt, daß die Typen mit einer
oberen Frequenzgrenze über 1 GHz ab
dieser Marke sehr an Verstärkung verlieren,
nur noch einen geringen Ausgangspegel
liefern, drastisch ihr Rauschmaß
1
Uc
4
MMIC
Masse
2 Masse
Bild 1:
Schlicht und
einfach:
das Schaltbild
eines MMICs
1062 • FA 10/95
3 Ua
verschlechtern oder in der Eingangsimpedanz
weit vom reellen Nominalwert
abrücken können. Meist seien oberhalb
1 GHz alle Nachteile zugleich in Kauf zu
nehmen.
Zwar gibt es auch wesentlich breitbandigere
kommerzielle Produkte auf GaAs-
FET-Basis, doch scheiden diese wegen des
hohen Preises für Amateuranwendungen
aus. Bild 3 zeigt die Innenschaltung, Bild 4
die Gehäuseabmessungen der MAR-X-
Typen von Mini-Circuits im Plastic-Flat-
Pack-Gehäuse.
■ Vom MMIC zum Verstärker
Das Schaltsymbol der „Einlötverstärker“
läßt einen Betriebsspannungsanschluß vermissen.
Die Stromversorgung erfolgt hier
über den open-collector-Ausgang. Dazu
sind in der Praxis ein externer Widerstand
und eine externe Induktivität erforderlich
(Bild 5). Liegt die Betriebsspannung nicht
höher als der Maximalwert für Pin 3, so
sollte R im Bereich 47 Ω bis 100 Ω liegen.
Der Wert bestimmt die Stromaufnahme. Es
kommt hier nur ein Metallschichtwiderstand
in Betracht. Überschreitet die Betriebsspannung
den höchstzulässigen Wert
an Pin 3, muß R entsprechend groß gewählt
werden, nämlich mindestens so groß
wie der Quotient aus Spannungsdifferenz
und typischer Stromaufnahme (z. B. 15 mA
für die MAR-X-Typen).
L verrichtet zwei Funktionen: Erstens verhindert
sie den Einfluß von R auf den Gesamt-Ausgangswiderstand,
und zweitens
dient sie als zusätzliche HF-Entkopplung.
Je nach Anwendungsfall kann ihr Wert sehr
verschieden ausfallen, über einige 10 µH
braucht man aber in der Praxis nicht zu
gehen. Wo es möglich ist, sollte man sich
Plast-SMD Plast-Flat-Pack Keramik-SMD SOIC-SMD
}
}
}
MAR-SM MAV-SM MAV MAR RAM VAM VNA
Bild 2: MMIC-Breitbandverstärker gibt es in diversen Gehäuseausführungen
(Zeichnung nicht maßstabsgerecht; Größenverhältnisse
etwa korrekt)
auf eine Ferritperle beschränken, die man
über den Anschlußdraht des Widerstands
(0,25 W) schiebt, denn in dem Fall kommt
keine parasitäre Kapazität hinzu, so daß
an diesem Punkt keine Schwingneigung
begünstigt wird. Für C1 genügt normalerweise
ein keramischer 10-nF-Kondensator.
Diese Grundbeschaltung zur Spannungsversorgung
kann gegebenenfalls erweitert
werden. So läßt sich z. B. zwischen L und
C ein weiterer Abblockkondensator einfügen.
Ebenso ist es möglich, R aufzuteilen
und hier nochmals abzublocken. Zu
C1 kann noch ein Elektrolytkondenstor
parallelgeschaltet werden, oder man sieht
hier einen weiteren Chipkondensator vor.
Bei relativ hoher Betriebsspannung ist
es sinnvoll, per Z-Diode oder Stabi-IC
für einen vernünftigen Zwischenwert zu
sorgen. In [2] wird festgestellt, daß es
bei Betriebsspannungsschwankungen um
so kritischer wird, je kleiner R ausfällt.
Ein MAR-6 arbeitete z. B. mit 470 Ω
zwischen 9,5 V und 12,5 V, aber ein
MAX-11 mit 120 Ω nur im Bereich 11,8 V
bis 13,5 V korrekt. Im Interesse hoher
Verstärkung sollte die Spannung an Pin 3
nicht wesentlich unter dem Maximalwert
liegen.
C2 und C3 dienen der Gleichspannungstrennung.
1-nF-Scheibenkondensatoren genügen
hier für Frequenzen im KW- und
UKW-Bereich. Ab etwa 100 MHz sollten
1-nF-Chipkondensatoren eingesetzt werden.
Beginnt der Übertragungsfrequenzbereich
oberhalb von 100 MHz, sollte man 100-pF-
Typen bevorzugen [3].
MMIC-Verstärker können relativ problemlos
in Kaskade-, aber auch parallel und in
Gegentaktschaltung betrieben werden. In
den letzten beiden Fällen kommt man jedoch
für eine Impedanzanpassung um Übertrager
nicht herum. Das schränkt natürlich die
Bandbreite erheblich ein.
Stabilitätsprobleme können aufkommen,
wenn Quell- und/oder Lastimpedanz vom
Nominalwert abweichen. Hier bieten sich
praktisch Abschwächer an, wie sie Bild 6
für 50-Ω-Systeme zeigt. Es werden ausschließlich
Metallschichtwiderstände benutzt.
So bieten sich dem MMIC stets recht
stabile Impedanzen, und der Verstärkungsverlust
ist vergleichsweise gering. Wird ein
solcher Abschwächer dem MMIC-Verstärker
vorgeschaltet, so muß man – besonders
bei Antennenverstärkern – berücksichtigen,
daß auch das Rauschmaß entsprechend zurückgeht.
■ Aufbauhinweise
Je nach Typ und Frequenzbereich fällt der
Aufbau aus. Eine doppelt kaschierte Platine
aus hochwertigem Material (Epoxy)
kann nur empfohlen werden. Besonderes