Trefwoorden

 

principe

metingen

linearisatie

meten van HF spanningen over groot frequentie bereik

(Eerder gepubliceerd in Electron # 10, 2013)

 

 

 

 

Inleiding

 

Wanneer we willen meten aan schakelingen waarin frequenties optreden van meer dan enige tientallen kHz., moeten we steeds bedacht zijn op de beperkingen van het meetinstrument en de wijze waarop we meten. Een meetinstrument zal altijd enige belasting op een schakeling uitoefenen en deze willen we natuurlijk zo klein mogelijk houden om uitsluitend het gedrag van de schakeling te kennen. Tenslotte is het meetinstrument alleen aangesloten wanneer we in de schakeling willen meten en werkt de schakeling zonder deze belasting bij 'normaal' gebruik.

Vooral bij metingen boven 1 MHz. is dit belangrijk, omdat zo'n meetinstrument al snel een significantie belasting uitoefent en bovendien op de schakeling wordt aangesloten via testsnoeren, die de schakeling ook al niet 'onberoerd' laten. Een enkel voorbeeld geeft aan hoe deze zaken kunnen liggen. Een oscilloscoop heeft doorgaans een ingangsimpedantie die gespecificeerd is als een weerstand van 1 MOhm, parallel aan een capaciteit van 10 pF. We zouden graag storingsvrij willen meten en gebruiken dan een afgeschermd meetsnoermet een lengte van een meter of meer. Afhankelijk van het type kan de eigen capaciteit van zo'n meetsnoer variŽren van ca 100 pF per meter lengte (50 Ohm coax) tot 200 pF en meer (afgeschermde audiokabel). Bij gebruik van coax als meetsnoer met een lengte van een meter wordt de totale capaciteit 110 pF, hetgeen een impedantie vertegenwoordigt van 145 Ohm op 10 MHz. Zelfs bij metingen aan een systeem-impedantie van 50 Ohm zal de schakeling al merkbaar worden belast; i.p.v. 50 Ohm met stroom en spanning in fase, maakt de meteraansluiting hiervan: 60 Ohm met 21 graden fase verschil tussen stroom en spanning. Misschien is dat voor een aantal metingen nog acceptabel, maar de verstoring van de schakeling wordt al snel onacceptabel bij hogere werkfrequentie of impedantie op het meetpunt van honderd Ohm of meer.

Ook een doorsnee 'breedband' spanningsmeter heeft al snel een ingangsimpedantie van 1 MOhm parallel aan 33 pF (Philips PM2500 series). In de praktijk wordt zo'n oscilloscoop en breedband voltmeter dan ook meestal gebruikt met een 1 : 10 verzwakker probe, en heeft dan een ingangsimpedantie van 10 MOhm parallel aan 11 pF, ten koste van een verminderde gevoeligheid. Deze impedantie vertegenwoordigt nog altijd een belasting van 480 Ohm op 30 MHz., zodat ook hiermee niet aan hoog-ohmige circuits kan worden gemeten.

In het volgende stukje wordt daarom een methode besproken om met zeer eenvoudige middelen toch te kunnen meten aan hoog-ohmige schakelingen zonder dat het te meten object hiervan veel belasting ondervindt. Bovendien werkt deze methode over een zeer breed frequentiegebied, doorgaans vanaf enkele kHz. tot aan vele honderden MHz. en meer. Een proefschakeling op dit principe gaf een meetnauwkeurigheid binnen enkele procenten over een frequentiegebied van 10 KHz. tot aan 1 GHz.

 

††

Meetprobe

 

In de basis opleiding tot radio-zendamateur leerden we een schakeling kennen voor het 'terugwinnen' van de modulatie uit een samengesteld HF (of MF) signaal. Zo'n detector schakeling bestaat uit een diode, gevolgd door een capaciteit en een belastingsweerstand, welke laatste doorgaans een hoge waarde heeft. Een voorbeeld vinden we in de figuur hier onder.

 

 

Figuur 1: Detector schakeling

 

 

Deze vorm van detectie staat bekend als de serie-detector. Er is ook een variant waarbij de capaciteit in serie staat met de ingang, waarna de diode naar aarde wordt geschakeld. Parallel aan de diode komt dan de belastingsweerstand. Deze variant is bekend als de parallel detector.

 

Bij gebruik van de juiste componenten zijn deze detectoren tot verbazingwekkende prestaties in staat. In figuur 1 is te zien dat deze (serie-)detectieschakeling alleen stroom zal trekken aan de HF-zijde, wanneer de condensator moet worden opgeladen. Daarna wordt de condensator alleen ontladen door de belastingsweerstand (hier 1 MOhm). Zelfs bij relatief kleine waarden van de condensator (hier 10 nF), is de tijd tussen twee opladingen door het HF signaal zo kort, dat de belastingsweerstand de condensator nauwelijks zal ontladen. Bij gebruik van de afgebeelde waarden wordt de condensator tussen twee perioden van het HF signaal nog maar ontladen met 1% van de opgeladen waarde bij een frequentie van 10 kHz. Bij hogere frequenties is dat nog minder. De diode hoeft de condensator dus nauwelijks bij te laden. De detectorschakeling zal daarom de HF bron ook vrijwel niet belasten. In het geval van de serie detector is gemakkelijk te bewijzen dat deze in het ideale geval de HF-generator belast met een weerstand gelijk aan 1/2 maal de belastingsweerstand (hier 1 MOhm, dus met 500 kOhm). Bij deparallel-detector wordt deze belasting gelijk aan 1/3 maal de belastingsweerstand. De afgebeelde serie detector is hier dus in het voordeel.

Bij kleine signalen gaat de diodekarakteristiek een grotere rol spelen, waardoor de condensator wat vaker, en vooral via een grotere serie-weerstand moet worden geladen. Hierdoor worden deze hoge dempingsweerstanden in de praktijk niet gehaald bij zeer kleine signalen, maar een waarde van vele tientallen kOhm wordt met de juiste diode gemakkelijk bereikt. Bij eerdere proeven (zie Meten van kleine condensatoren en spoelen) kon worden vastgesteld dat de demping door een detector met een goed gekozen diode ligt tussen 50 kOhm bij signalen van enkele tientallen millivolt en al met 150 kOhm vanaf enkele honderden mV. Pas bij veel grotere signalen zal ook werkelijk de theoretische grens van 1/2 maal de belastingsweerstand worden bereikt. In HF schakelingen worden echter zelden impedanties (veel) hoger dan 10 KOhm toegepast, zodat zelfs bij de kleinste signalen van enkele tientallen mV. de weerstandbelasting door deze detector nauwelijks een rol speelt.

 

In de schakeling zien we verder dat de parasitaire diodecapaciteit (parallel aan de diode) in serie staat met een veel grotere capaciteit van 10 nF. In deze serieschakeling komt daarom vrijwel de gehele HF spanning over deze kleine parasitaire capaciteit (de diode), omdat de kleinste capaciteit de hoogste reactantie vertegenwoordigt.De capacitieve belasting van de HF-bron wordt daarom vrijwel uitsluitend bepaald door de eigen capaciteit van de diode. Voor een detectieschakeling in het HF-bereik is daarom de juiste keuze van de diode erg belangrijk. Deze moet een zo laag mogelijke eigen capaciteit vertonen en bovendien zeer snel kunnen 'schakelen'. In de praktijk zijn het daarom vooral de z.g. gold-bonded germanium diodes die voor deze toepassing kunnen worden ingezet, ook al omdat deze bij een lage ingangspanning al in het geleidingsgebied komen (lage drempelspanning). Ook sommige Schottky diodes vertonen een lage drempelspanning en een lage parasitaire parallel capaciteit, maar vele metingen hebben bewezen dat die het in deze toepassing toch moeten afleggen tegen de 'ouderwetse' gold-bonded germanium types.

Hoewel niet altijd even duidelijk gespecificeerd, vertonen veel van deze gold-bonded diodes een parasitaire capaciteit van enkele tienden van een pF tot ca 1,5 pF. Uit een groot aantal proeven met diverse detector schakelingen en vooral veel typen dioden, bleek tot mijn verrassing dat juist enkele oudere types zeer goed kunnen voldoen. Zo heb ik bij het type OA95 bij enkele tientallen millivolt aan HF signaal een diode capaciteit gemeten van ca 0,6 pF, die verder nog afnam tot ca 0,3 pF bij enkele honderden mV.

Ook hier zal deze lage capaciteit in een praktische toepassing niet helemaal gehaald kunnen worden, omdat de diodedetector meestal in een (metalen)omhulling wordt toegepast en hierdoor extra capaciteit ontstaat. Met enige zorgvuldigheid is dit echter te beperken tot 1 Š 1,5 pF, waardoor de detector niet hoeft onder te doen voor professionele meetinstrumenten.

 

Het is wellicht aardig om hierbij op te merken dat deze relatief hoge weerstandbelasting en lage capacitieve waarden gemakkelijk gemeten konden worden met de 'kring-meting' methode, zoals besproken in het hoofdstuk over het meten van kleine condensatoren en spoelen als eerder gemeld hier boven. Doorgaans is het erg moeilijk om deze impedanties met enige nauwkeurigheid vast te kunnen stellen, maar met de kringmetingen kan elke amateur dit gemakkelijk zelf nameten en met eenvoudige middelen.

 

De gold-bonded germanium diode OA95, blijkt naast de al genoemde goede eigenschappen ook nog bestand tegen relatief hoge spanning in de sperrichting. Waarom dat belangrijk is blijkt gemakkelijk uit de tekening van figuur 1. In de positieve signaalhelft zal de condensator worden opgeladen tot de topwaarde van het HF-signaal. In de negatieve helft van het signaal wordt de spanning van de opgeladen condensator opgeteld bij de maximale waarde van de HF spanning in negatieve richting. Over de diode komt daardoor in sperrichting de dubbele maximale waarde van het HF signaal. Een OA95 wordt gespecificeerd met een maximale waarde in de sperrichting van 115 V. In principe kan hiermee dus worden gemeten aan HF signalen tot een effectieve waarde van ruim 40 V. Wanneer deze spanning over een weerstand van 50 Ohm wordt gemeten kan de detector dus direct worden toegepast tot systeemvermogens van 32 W. (45 dBm). Dat is ook de reden waarom ik op mijn detectorbehuizing een waarschuwing heb aangebracht, dat liever niet moet worden gemeten boven 40 dBm. (figuur 2).

 

 

 

 

 

†††††††††††††††††††††††††† Figuur 2: Detector in behuizing.

 

 

 

De detector in figuur 2 is uitgevoerd als doorvoer type. In het onderste deel bevindt zich een doorlopende verbinding, met daarop aangesloten de diode met condensator en weerstand. De detectorspanning kan worden afgenomen van de bovenste BNC-connector. Deze uitvoering geeft naast een directe spanningsmeting bovendien de mogelijkheid om in een doorlopende (coax-)kabel te meten en verder om deze in te zetten voor vermogensmetingen. De andere zijde wordt dan afgesloten met een meetafsluiter (doorgaans 50 Ohm, maar 75 Ohm is net zo gemakkelijk), en de spanning over deze weerstand geeft dan meteen het afgegeven vermogen. Natuurlijk moet de detector eerst worden gekalibreerd voor dergelijke metingen.

 

De uitlezing van de detector (als een gelijkspanning die evenredig is met het HF-signaal) kan op vele manieren gebeuren, mits de belastingsweerstand van dit uitleesinstrument maar hoog genoeg is (enkele MOhm). Een oscilloscoop is een mogelijkheid, maar ikzelf gebruik deze detector het liefst tezamen met een digitale multimeter. Deze vertonen tegenwoordig een ingangsweerstand van 10 MOhm en geven meteen een gemakkelijke uitlezing met voldoende nauwkeurigheid. Zorg verder voor korte bedrading in de schakeling en naar het HF-meetobject. De bedrading naar de meter kan heel goed worden verzorgd met afgeschermd audio snoer van elke lengte. De parallel capaciteit van dit snoer speelt nu geen rol meer omdat de waarde hiervan wordt opgeteld bij de al aanwezige detectorcapaciteit van 10 nF.

 

Bij gebruik van de detector als meetkop moet deze steeds in een voor gelijkspanning gesloten situatie worden gebracht. Bij meting direct aan een parallel trillingskring of over een meetweerstand is dat automatisch gegarandeerd. In andere situaties, wanneer bv. de HF-uitgang van de rest van de schakeling is gescheiden door een condensator, dient deze gelijkstroomweg eerst te worden aangebracht in de vorm van een weerstand parallel aan de detector. Voor de schakeling van figuur 1 mag deze weerstand niet meer dan zo'n 15 kOhm bedragen.

 

De diode OA95 ligt misschien nog in de rommelbak, maar is zeker ook nog op meerdere plaatsen te koop voor weinig geld, zoals een korte blik op internet leert.Het principe van de diode detector is overigens al bekend uit het begin van de 20e eeuw. Je ziet maar weer dat Ďoudeí technieken hun waarde blijven behouden.

Denk verder niet dat dit soort eenvoudige toepassingen beperkt blijven tot de amateur wereld. Al heel lang brengt o.a. HP een serie 'Crystal detectors' in behuizing op de markt, o.a. model 420A en 725A. Ook beschik ik over een type Sage F6128 dat blijkens het opschrift geschikt is voor het bereik 1,5 - 12,4 GHz. 

 

 

Metingen

 

Ik heb vele metingen aan deze diode detectoren gedaan. Een interessante meting is die waarbij de uitgangspanning bij kleine HF spanningen wordt bekeken. De grafiek hieronder geeft daarvan een voorbeeld.

 

 

 

Figuur 3. Frequentiekarakteristiek van diverse diode detectors

 

De grafieken voor de AA119, BAT81 en OA95 zijn allemaal gemeten in de behuizing als hierboven. Uit de grafiek blijkt dat bij toepassing van de dioden AA119 en OA95 de onnauwkeurigheid kleiner is dan 4% (binnen +/- 0,3 dB) over het hele frequentiebereik. Het is zelfs de vraag of het ietwat slingerende gedrag van de grafiek bij de hoogste frequenties niet een eenvoudig 'artefact' is van de meetomhulling. Hoewel de AA119 een marginaal hoger signaal af geeft (ca 2,7 % hoger rendement) werd toch voor de OA95 gekozen omdat deze bestand is tegen een aanzienlijk hogere sperspanning (115 V. vs 45 V.). Uit de grafiek blijkt verder dat de modernere BAT81 een ca 10 % lager detectie rendement vertoont, ook weer bij een maximale sperspanning van 40 V.

De beide HP detectoren zijn duidelijk in het nadeel met een aanzienlijk lager rendement bij een minder grote bandbreedte (tenminste aan de lage frequentie zijde). Naast de getoonde types zijn nog veel meer dioden getest, die echter allemaal een minder resultaat gaven.

 

Een tweede belangrijke grafiek betreft het kleinst mogelijke signaal dat nog met enige nauwkeurigheid met deze detectoren kan worden gemeten. De volgende grafiek geeft daarin enig inzicht.

 

 

Figuur 4. Lineariteit bij kleine signalen

 

 

In de grafiek zijn de in- uitgangskarakteristieken getekend van dezelfde diodes als in de vorige grafiek. Ter vergelijking is de best passende rechte lijn getekend (gestippeld), zodat een goede indruk verkregen van worden van het diode gedrag bij kleine signalen. Duidelijk blijkt dat zowel de AA119 als de OA95 deze rechte lijn nog nauwkeurig volgen tot ingangspanningen minder dan 100 mV. De BAT81 begint bij 200 mV al duidelijk af te wijken terwijl ook de beide HP meet-units bij 100 mV. al duidelijk afwijken van een hierdoor getrokken rechte lijn. De conclusie uit deze grafiek kan dan ook direct worden getrokken dat een detector gebaseerd op een AA119 of een OA95 een hoge lineariteit vertoont in het bereik vanaf ca 100 mV tot aan de maximale waarde, bepaalt door de maximale sperspanning (zie boven). Voor de detector unit met de OA95 is dit dus 100 mV. tot 40 V. hetgeen overeen komt met een bereik over 52 dB. Dit is zeker niet slecht voor dit eenvoudige en ongecorrigeerde, simpele meetsysteempje.

 

 

Correctie schakeling

 

De vraag kan overigens gesteld worden, of het mogelijk is om ook lager dan 100 mV. nog nauwkeurig te kunnen meten. Met een correctie schakeling waarbij eenzelfde diode is opgenomen in het terugkoppel circuit van een operationele versterker blijkt zeker nog enige winst te behalen. De volgende schakeling geeft hiervan een voorbeeld.

 

 

 

Figuur 5. Linearisatie bij lage ingangspanning

 

 

 

Het principe van deze schakeling is eenvoudig. Bij kleine uitsturing van de HF diode en dus kleine spanning op de ingang van de operationele versterker, is ook de stroom door de diode in het terugkoppelcircuit erg klein. Daardoor is de schijnbare weerstand van de diode hoger en levert de schakeling meer versterking. Wanneer de diode karakteristieken van beide diodes gelijk zijn aan elkaar, loopt de verhoogde versterking precies gelijk op met de afname van het diode rendement van de detector. Hierdoor neemt de lineariteit van het totale detectiecircuit toe bij kleine signalen.

Een goede methode om gelijke diodes te vinden, is door een aantal van deze componenten met elkaar te vergelijken onder verder gelijke (stroom) omstandigheden, die het best kunnen worden gekozen in het gebied waar de diodes werkzaam zijn. Ik vergelijk de diodes daarom bij een stroom van ca 0,5 mA, bv. door de diode in doorlaat richting aan te sluiten op een voeding van 10 V. in serie met een weerstand van 18 kOhm. De spanning over de diode wordt gemeten met een goede digitale voltmeter en de waarde genoteerd tot op de mV. Na een serie metingen worden de dichtst bij elkaar liggende diode spanningen gekozen, liefst op een enkele mV gelijk; de absolute waarde van die spanning is dan niet van belang. De aldus 'gepaarde' diodes geven de beste resultaten.

 

 

Figuur 6. Linearisatie

 

 

In figuur 6 is te zien welke invloed de linearisatie heeft op de diode karakteristiek. In de ongecorrigeerde situatie (blauw) begint de curve af te wijken van de best mogelijke rechte lijn (gestippeld) tussen 100 en 80 mV. Na correctie begint deze afwijking pas zichtbaar te worden vanaf 40 mV. en lager. Door de correctie is het nauwkeurige meetgebied aan de onderzijde met een ruime factor 2 toegenomen.

Het valt verder op dat de rechte lijnen steeds niet door het nulpunt van de grafiek gaan. Voor een zo correct mogelijke uitlezing (rechte lijn) moet de uitgangsspanning daarom niet bij nul beginnen, maar pas wanneer de ingangspanning een zekere waarde heeft bereikt. Voor deze gevraagde, initiŽle 'off-set' zorgen de verdere componenten in de schakeling van figuur 5, hier gemaakt voor een voedingspanning van plus en min 15 V. De juiste instelling wordt verkregen door een effectieve HF ingangspanning aan de bieden van 50 mV., waarna met de potentiometer de uitgangspanning wordt ingesteld op de juiste waarde (hier ca 40 mV.) De juiste waarde hangt overigens samen met de toegepaste diode, hier dus de OA95.

 

Denk er verder aan dat door deze correctie in het lage deel van de karakteristiek, de maximale uitgangspanning bepaald wordt door de (voedingsspanning van de) operationele versterker. Bij het hier toegepaste type (NE5512) ligt deze op plus en min 15 V., waardoor de maximale uitgangspanning ca 13,5 V. wordt, bij een belasting met 2 kOhm of meer. Het dynamisch bereik van de gecorrigeerde detector loopt dan vanaf ca 35 mV. tot 13,5 V., een bereik van ca 52 dB, gelijk aan de ongecorrigeerde uitvoering. Het loont overigens de moeite om voor gebruik de diode detector te kalibreren tegen een goede HF generator.

 

 

Bob J. van Donselaar,

mailto:ON9CVD@AMSAT.org