Besoin d'aide pour adaptation d'impédance amplificateur RF

[RickC137]

Bonjour,

Tout d'abord pour me présenter rapidement, je suis ingénieur en électronique dans une petite entreprise. Plutôt à l'aise avec la programmation en C, la conception de circuits électroniques analogiques/numériques. Je m'attaque désormais à la "RF basse puissance" en milieu câblé (je ne sais pas si ça se dit). Je suis plutôt débutant dans ce domaine et je suis confronté à un petit problème d'amplification, d'où ce premier post!

Je conçois actuellement un système qui accepte un très petit signal entrée. Celui-ci peut varier entre 1 GHz et 2 GHz. J'ai besoin de pouvoir discriminer une variation d'amplitude en utilisant un comparateur rapide avec entrée 50 Ohm.

J'ai réalisé un premier prototype éclaté il y a quelques mois pour tester les différentes fonctions du système complet avant intégration sur un seul et même PCB.
Un des éléments était un étage amplificateur qui utilisait deux amplificateurs Macom MAAL-MAAL-011078 en cascade (un seul amplificateur inverse le signal, le second amplificateur permet de contrer cette inversion). Mon erreur de débutant a été de faire au plus simple en prenant le schéma de la page 3 du datasheet : https://cdn.macom.com/datasheets/MAAL-011078.pdf, et de le dupliquer, avec un connecteur SMA en entrée, et un connecteur SMA en sortie.

Sur 3 circuits de test, un sortait un signal complètement distordu, et les deux autres n'ont pas fonctionné plus d'une heure avant de devoir changer le second amplificateur qui rendait l'âme.

J'ai refait un prototype avec cette fois-ci un seul ampli (toujours le schéma de la page 3 avec un SMA en entrée et un SMA en sortie). En cascadant deux amplificateurs avec un câbles SMA de 150 mm ça fonctionne beaucoup mieux. J'ai donc supposé qu'il y avait un problème d'adaptation d'impédance (Dans ma tête, RF = 50 Ohm, donc ampli RF = ampli 50 Ohm entrée et sortie, mais visiblement c'est un poil plus complexe).

Bref, j'essaie de comprendre les schémas des pages 9 et suivantes pour le côté "tune" mais malheureusement les exemples ne couvrent pas la bande 1.0 - 2.0 GHz qui m'intéresse. Je n'ai que LTspice comme outil de simulation, mais je ne sais pas comment créer le modèle de l'ampli, ni comment cascader les schémas avec les différentes capa et self d'adaptation...

J'ai envie de comprendre, donc si une âme charitable pouvait m'aiguiller sur la démarche à suivre, autant sur le côté théorique avec les caractéristiques de l'ampli et les calculs des composants en entrée et en sortie, que sur le côté simulation avec la création d'un modèle pour LTspice.

Merci beaucoup et bonne fin de journée!
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[f6bes]

Je ne t'aiderais pas beaucoup, mais ni y a t il pas " saturation" sur un des amplis.
(signal trop puissant en entrée et donc saturation et déformation)
Je suppose que ces circuits sont 50 ohms in 50 ohms out.
ce qui simplifient les choses (pas d'adaptation....suffit des respecter les " 50 ohms".
A+

[Gwinver]

Bonjour.
Il faudrait commencer par bien définir le signal à amplifier, d'abord pour être sûr qu'il ne sature pas l'amplificateur, et ensuite pour en déterminer les propriétés comme la largeur de bande ou la modulation. Eventuellement, il faut aussi s'assurer de l'impédance de sortie de la source de ce signal.
L'amplificateur de la data sheet n'est pas très bien adapté en entrée et sortie, la data sheet donne un return loss de 5 dB, un petit atténuateur pourrait arranger les choses (disons 3 dB).

Si le signal à amplifier est entre 1 et 2 GHz et de type sinusoïdal, cet ampli est un peu surdimensionné, car il monte jusqu'à 6 GHz.
Je pense qu'il existe des amplificateurs tout fait mieux adaptés pour cet usage, et qui pourraient constituer un bon terrain d'essai, sans avoir besoin de faire une adaptation.

[RickC137]

Si un modérateur passe dans le coin, peut-il supprimer mon message précédant, je n'ai pas été assez rapide, voici le nouveau à prendre en compte. Merci

Bonjour f6bes et Gwinver, et merci pour vos réponses.
La saturation est aussi une supposition que j'ai eu, mais le signal semblait plutôt correct avec une séparation par câble coaxial (je n'ai malheureusement pas les résultats sous la main, mais il me semble que le signal en entrée était suffisamment faible pour ne pas atteindre le point de compression du second ampli). C'est ce qui m'a plutôt fait penser à un problème d'impédance plutôt qu'une saturation en puissance.

Cependant, on trouve des modules vendus par Quantic X-Microwave pour le même ampli : https://catalog.quanticxmw.com/item/.../xm-a3u8-0404d. Ceux-ci semblent faits pour du 50 Ohm / 50 Ohm sans adaptation (je me suis inspiré de leur routage). Alors que chez d'autres fabricants pour d'autres références d'ampli (Analog Devices pour ne citer qu'eux), ils parlent d'adaptation d'impédance en tenant compte des paramètres S, de la plage de fréquence de fonctionnement etc, d'où ma confusion!

Sur ce genre de système c'est assez difficile de sonder sans perturber le signal, je n'ai donc pas pu observer ce qui se passe entre les deux ampli (que ce soit sur le proto avec les deux ampli en cascade, ou bien la manip avec câble coaxial entre les deux). Comme je débute dans ce domaine et que je sais que ce n'est pas forcément trivial, je préfère demander des avis à des personnes plus expérimentées que moi dans le domaine!

Au départ, j'avais choisi cet ampli pour son facteur de bruit relativement faible, son gain, et sa bande passante. On se limite à une fréquence centrale (modulation) comprise entre 1 GHz et 2 GHz, mais on a effectivement des petites variations d'amplitude qui seront peut être plus haut en fréquence. Quoi qu'il en soit c'est toujours un plus d'avoir un petit truc polyvalent pour du développement surtout (compte tenu du prix du composant lui-même). Ce que je ne savais pas c'est qu'il inverserait le signal ^^. Pour le côté cahier des charges il faut que je redemande les infos exactes, sinon je risque de dire n'importe quoi...

Si je conserve un seul étage, est-ce qu'un simple transfo RF 1:1 peut convenir pour l'inversion de signal? L'autre solution que je vois mais qui me semble un peu moins logique, et seulement dans le cas où ce serait un problème de saturation, serait d'intercaler un petit atténuateur entre mes deux amplis.

Le signal de la source vient d'une PLL filtrée à la fréquence voulue. La sortie est convertie de différentiel vers single ended par un petit balun céramique

[A voir en vidéo sur Futura]

[C2H5OH]

Bonjour,

Avec ce genre de problème, l'implantation est très importante. Il nous faudrait une photo du circuit vu de dessus.
- une auto-oscillation est possible.
- comment est refroidi le circuit? ( épaisseur du substrat, plan de masse..
Avez-vous contrôlé le débit?

Quelques conseils sur ce lien :
https://formation-radiofrequences.fr...outage-RF.html

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[Gwinver]

Bon, on avance.

Il faudrait vraiment définir le signal à amplifier et avoir les caractéristiques de la source:
puissance (ou amplitude sous 50 Ohm), forme d'onde, largeur spectrale.
Ou éventuellement observer le signal avec un analyseur de spectre.
Il faut aussi préciser le but de l'amplification, s'il s'agit d'une mise à niveau la sensibilité n'est pas forcément utile.

Etant peu familier avec la RF, il faudrait dans un premier temps ne pas a voir à faire d'adaptation d'impédance etc. ...

Il faut se méfier des apparences, le module XM-A3U8-0404D est assez mal adapté. Les paramètres à considérer sont S11 et S22 (S parameter plot) qui sont tous deux aux environs de 5 dB, équivalents à ceux de la data sheet de l'ampli.
Il faudrait avoir mieux que 10 dB, 15 à 20 dB est confortable.
L'échelle de fréquence est plutôt curieuse, car graduée en "G", à priori pas des GHz!

(un seul amplificateur inverse le signal, le second amplificateur permet de contrer cette inversion)

Ceci laisse penser que le signal n'est pas symétrique. Ce genre d'amplificateur travaille en alternatif, et on ne se soucie guère de l'inversion.

La largeur de bande peut effectivement être utile, mais peut aussi s'avérer contre productive car le risque de fuite est plus fort à fréquence élevée, ce qui risque de se traduire par des oscillations.

[RickC137]

Bonjour C2H5OH,

Tout d'abord, merci pour toutes vos remarques, l'indication des paramètres S à cibler, et le lien qui est très instructif et globalement ça me conforte sur ce que je mets déjà en pratique dans la limite du possible
Notre politique est plutôt l'autoformation que la sous-traitance à foison, pour acquérir un maximum de compétences en interne, quitte à tenter l'essai-erreur dans la limite du raisonnable. Donc telle est ma quête!

Comme je reprends le projet après quelques mois, je redécouvre des choses en même temps que j'écris, désolé pour le côté brouillon Actuellement le prototype complet qui a été réalisé fonctionne plutôt bien malgré les petits bugs évoqués. Je développe une nouvelle version, ce qui implique de corriger (et comprendre!) ce qui n'est pas encore au point.

Pendant que je rédigeais ce message j'ai refait le parcours du signal et constaté que j'avais oublié l'élément principal qui est le capteur, my bad! (En même temps ça aurait du me revenir tout de suite, il y a peu d'intérêt à amplifier un signal sinusoïdal de fréquence fixe avec une amplitude largement exploitable ^^)

La finalité est donc de récupérer l'info en sortie d'un capteur modulé par un signal sinusoïdal de fréquence fixe (on adapte la fréquence en fonction du capteur pour trouver le meilleur point de fonctionnement, mais une fois réglée on n'y touche plus). En soit on ne réinvente pas grand chose, ça semble être une méthode assez courante lorsque l'on veut une bande passante un peu plus importante.
Le signal en sortie du capteur est une image du signal d'entrée, avec une amplitude beaucoup plus faible (le rapport signal à bruit est relativement dégradé), et lorsque le capteur détecte quelque chose, le signal subit un petit décalage (offset) assez bref. C'est ce petit changement d'état que nous cherchons à récupérer au milieu du bruit!

Donc, pour ce qui est du signal en sortie du capteur (qui arrive en entrée de l'ampli), je n'ai pas les info sous la main dans l'immédiat et je ne voudrais pas dire n'importe quoi (je n'étais pas en charge de la partie expérimentale).
Toutefois je ne pense pas que l'impédance de la source (sortie du capteur) soit adaptée 50 Ohm, en tout cas j'ai un doute là dessus, donc j'ai une étude à faire de ce côté. Néanmoins est-ce que ça pourrait avoir un impact sur le second étage amplificateur sans impacter le premier?

Comme demandé, voici les infos relatives au PCB "double ampli RF" :
- Le circuit a été réalisé en FR4 IS400 4 couches "Defined impedance" chez Eurocircuits. épaisseur de cuivre : 35 µm/35 µm. Le plan de masse est uniforme et se trouve sur la couche numéro 2. Les couche 1 et 2 sont séparées par 1,2mm de diélectrique, de même que les couches 3 et 4. La couche 3, qui est le plan d'alimentation, n'est peut être pas optimal comparé à ce qui est dit dans l'article "formation-radiofrequences" (en pièce jointe il y a la couche 1 et la couche 3). La couche 4 est vide.
Comme vous pourrez le constater, il y a un emplacement pour un blindage métallique. Le résultat est le même avec ou sans celui-ci (On a seulement une meilleure immunité aux perturbations externes si on l'équipe).
- Le circuit ne chauffe pas, la surface du PCB et la convection naturelle permettent de conserver une température très proche de la température ambiante.
- La sortie du second ampli attaque un comparateur qui intègre une terminaison 50 Ohm (c'est un autre PCB, il n'intègre que de la logique). Le connecteur SMA est proche de l'entrée du comparateur, et le routage de la ligne a été fait de sorte à respecter une impédance de 50 Ohm, donc l'impédance vue par l'ampli devrait être proche de 50 Ohm.

[Gwinver]

Bonsoir.

Merci des infos.
Le PCB montre que deux amplificateurs sont cascadés avec un composant entre les deux, de quoi s'agit-il?
Cascader deux composants avec un return loss de 5 dB n'est pas recommandé. Ce n'est guère recommandé aussi pour un faible signal, le facteur de bruit en est dégradé. Avec 5 dB, plus d'un quart de la puissance du signal d'entrée est réfléchi vers la source, donc au mieux perdu ce qui dégrade la sensibilité, au pire créant des effets secondaires : oscillations ou dégradation de la qualité du signal.
Il y aurait bien sûr la possibilité de faire une adaptation d'impédance comme les exemples donnés, mais c'est au prix d'une largeur de bande réduite, exit l'intérêt de la large bande.
Si, de plus la source n'est pas 50 Ohms, il y a des allers retours entre la source et l'entrée de l'ampli et d'autres allers retours entre les deux étages de l'amplificateur.

J'ai prospecté sur le site de Mini-circuit pour arriver à la page de sélection des amplificateurs faible bruit en puce.
https://www.minicircuits.com/WebStor...roduct_button1
Il est possible d'affiner le choix; avec les choix Low NF, Fmin = 500 MHz, Fmax = 6000 MHz, il y a une dizaine de circuits avec des NF à moins que 1.5 dB pour un gain de l'ode de 20 dB et un P1dB de l'ordre de 20 dBm. Soit l'équivalent du circuit de Macom, mais avec un VSWR de 1.2 à 1.5, soit un return loss meilleur que 15 dB (pour VSWR = 1.4, soit un peu plus qu'un quarantième de puissance réfléchie).

Par exemple :
https://www.minicircuits.com/pdfs/TSS-53LNB-D+.pdf

Il est probable qu'une recherche chez Macom puisse donner des résultats similaires.

Ce genre d'ampli est souvent disponible sur plaquette de démonstration, ce qui permet des expérimentations avant de faire le montage complet.

[RickC137]

Bonjour,

Merci pour les explications!

Le PCB montre que deux amplificateurs sont cascadés avec un composant entre les deux, de quoi s'agit-il?

C'est effectivement la seconde version que j'ai faite pour intégrer un filtre passe-bande, pour une autre application, et pour voir si le résultat serait mieux, mais ça n'a pas résolu le problème.

En tout cas je prends note, 2 amplis en cascade, c'est pas optimal.

Merci pour les références, je vais aller voir, je n'ai pas de contrainte au niveau du fabricant

[f6bes]

Il y aussi les PGA103 (mini-circuit).Voir si ça convient.
A+

[Gwinver]

Bonjour.

Un filtre passe bande nécessite une bonne adaptation en entrée et sortie pour donner le gabarit désiré.
Egalement, un filtre passe bande est aussi réjecteur des autres bandes, placé entre deux amplificateurs, cela peut avoir quelques effets sur la qualité du signal.

[f6bes]

Il n'est pas interdit d'intercaler un atténuateur en "pi" respectant l'impédance de liaison 50 ohms si trop de signal. Ca se pratique couramment ( 3 db, 6 db)...autre
A+