Danas je nabavljen ispitivač šuma tranzistora RF Transistor Noise Analyzer Model 340, proizvod američke tvrtke Quan-Tech iz 1960-tih godina.
Tvrtku Quan-Tech Laboratories osnovao je američki inženjer elektronike John Mohlman van Beuren, a težišno se bavila razvojem i proizvodnjom elektroničkih mjernih instrumenta za mjerenje (šumnih) karakteristika otpornika, tranzistora i dioda. Tvrtka je također proizvela nekoliko modela mjerača (analizatora) RF signala, laboratorijskih napajanja i slično. Spominje se da su njihovi instrumenti imali veliki značaj za američki program istraživanja svemira. Danas je zabilježeno malo podataka o tvrtki Quan-Tech Laboratories, vjerojatno je bila aktivna tijekom 1960/70-tih godina, a kupila ju je američka tvrtka KMS Inc.
RF Transistor Noise Analyzer Model 340 je uređaj za mjerenje unutrašnjeg šuma tranzistora. Ovi šumovi nastaju kao posljedica fizikalnih procesa u samoj građi tranzistora. Šumovi koji nastaju u tranzistorima mogu se podijeliti na nekoliko kategorija:
- toplinski ili termički šum, uslijed toplinskog gibanja nosioca naboja unutar kristala dolazi do kolebanja jakosti električnog polja što uzrokuje pojavu promjenjivog napona šuma na izvodima tranzistora
- šum sačme, ovisi o struji i nastaje zbog nepravilne difuzije, rekombinacije i sakupljanja nosioca naboja na emiteru i kolektoru
- šum razdiobe, nastaje zbog razdiobe struje šupljina između baze i kolektora
- poluvodički šum, ovisan je o frekvenciji i naponu i nastaje zbog nepravilne razdiobe naboja na površini kristala u blizini zapornog sloja emiter-baza
Šumovi u unipolarnim tranzistorima (FET, MOSFET) u pravilu su manji nego kod bipolarnih tranzistora. Šum tranzistora posebno je kritičan kod konstrukcije sklopova gdje se traži visoka osjetljivost i gdje razina unutarnjeg šuma mora biti što manja kako ne bi prelazila razinu korisnog signala. Općenito gledano unutarnji šum tranzistora ima potpuno neodređenu karakteristiku, odnosno amplituda, frekvencija i faza šumova imaju posve slučajan raspored i ne može se definirati nikakvom funkcijom vremena. Jedini način za određivanje razine šuma koji proizvodi neki tranzistor je da se upogoni u željene radne uvjete (frekvencija, napon, struja, temperatura…) i zatim se snima njegova karakteristika.
Za Quan-Tech RF Transistor Noise Analyzer Model 340 nismo pronašli nikakvu dokumentaciju no uređaj je konstruiran izuzetno modularno i pregledno sa otisnutim oznakama naziva svih modula tako da se uz malo truda mogla iscrtati njegova osnovna blok shema. Možemo reći da se Model 340 sastoji se od tri funkcionalne cjeline:
- izvor napajanja sa plivajućom masom za napajanje kolektora tranzistora koji se testira (DUT), te modula strujnog osjetila i VCO-a za galvansko odvajanje uzorka struje iz strujnog osjetila (na blok shemi označeno plavom bojom), zatim izvor napajanja sa uzemljenom masom za napajanje svih ostalih modula, te zaseban izvor kolektorskog napona
- sklopovi za generiranje struje/napona baze kojom se određuje struja kolektora tijekom testa
- mjerna petlja koju čine sklopovi za modulaciju emitera DUT-a radnom frekvencijom, zatim sklopovi za pojačanje i stabilizaciju amplitude mjernog signala i sklopovi za konačnu obradu signala šuma za prikaz na instrumentu
SKLOPOVI NAPAJANJA
Napon kolektora dobiva se preko zasebnog izvora i namješta se potenciometrom COLLECTOR/DRAIN VOLTS. Preklopnikom COLLECTOR/DRAIN VOLTS mijenja se samo mjerno područje instrumenta VOLTAGE i ne utječe na vrijednost napona prema kolektoru DUT-a.
Struja kolektora određuje se pobudom baze DUT-a. Kad se radi o DUT-u unipolarnog tipa (FET) struju Drain-a određuje napon na Gate-u. U tom slučaju preklopnikom BIAS odabere se položaj GATE BIAS VOLTAGE, dakle upravljanje naponom. Također se izabere odgovarajući polaritet napona preklopnikom NPN N CHANNEL / PNP P CHANNEL, a potenciometrom VOLTS (označen crvenom točkom) podesi se njegova vrijednost koja se očitava na galvanometru VOLTAGE. Preklopnikom VOLTS (označen crnom točkom) mijenja se samo mjerno područje galvanometra VOLTAGE i ne utječe na vrijednost napona prema Gate-u DUT-a.
Ukoliko se radi o DUT-u bipolarnog tipa onda struju kolektora određuje struja baze. Za ovo strujno upravljanje konstruirani je poseban sklop koji na osnovu struje kolektora upravlja strujom baze tako da je istu moguće mijenjati i održavati stabilnom. Kako bi se strujni krugovi kolektora i baze galvanski odvojili koristi se naponski kontroliran oscilator (CONTROL OSCILLATOR) frekvencije 150 kHz čija amplituda izlaznog napona ovisi o struji kolektora. Izlazni napon iz VCO-a koji je time proporcionalan kolektorskoj struji se pojačava i očitava na instrumentu CURRENT. Također, ovaj isti napon se nakon sklopke za promjenu polariteta NPN/PNP pojačava i preko sklopke BIAS dovodi na bazu DUT-a. Na izlazu iz pojačala BASE SUPPLY mijenjati će se dakle napon, a time i struja baze sve dok struja kolektora ne bude jednaka onoj koju smo postavili preklopnikom i potenciometrom COLLECTOR/DRAIN CURRENT MILLIAMPERES.
Struja kolektora je plivajuća, jednako kako i struja VCO-a koji se napaja preko plivajućeg izvora simetričnog napona ±15V. Zajednička plivajuća masa uvijek je spojena je na kolektor DUT-a dok je uzemljena masa stalno spojena na emiter DUT-a. Napajanje kolektora ovisi o tipu DUT-a. Kod NPN tipa pozitivni pol napajanja na plivajućoj masi i kolektoru DUT-a, a negativni pol napajanja na uzemljenoj masi i emiteru DUT-a. Kod PNP tipa polaritet je obrnut. Ovisno o smjeru struje kroz DUT (PNP ili NPN) upravljački napon za VCO iz strujnog senzora (CURRENT AMPLIFIER) će u odnosu na masu imati različiti polaritet na izlazu. Taj napon se napon prije ulaza u VCO pojačava i ispravlja, te je kao takav proporcionalan struji kolektora DUT-a. Izlazni napon iz VCO-a frekvencije 150 kHz galvanski se odvaja transformatorom od sustava napajanja kolektora, strujnog senzora i samog VCO-a. Na shemi su sklopovi napajani plivajućim izvorom napona označeni plavom bojom.
MJERNI KRUGOVI DUT-a
RF Transistor Noise Analyzer Model 340 ima tri izmjenjiva modula kojima je moguće mjeriti šum tranzistora na tri različite frekvencije 1 MHz, 10,7 MHz ili 45 MHz. U svakom modulu nalaze se dva kvarcna oscilatora, jedan koji radi na frekvenciji kojom testiramo DUT i jedan koji radi na 20 kHz višoj frekvenciji, sa pripadajućim pojačalima i mješačem. Na blok shemi su sklopovi modula označeni crvenom bojom, a sklopovi baznog uređaja zelenom bojom.
Signal šuma uzima se preko transformatora sa linije napajanja kolektora DUT-a. Ovaj signal se zatim pojačava slijedom koji čini pretpojačalo i pet stupnjeva pojačanja. Četiri stupnja pojačana upravljana su povratnim naponom automatske regulacije pojačanja (AGC). AGC je potreban iz razloga da se u svim uvjetima u lancu pojačanja održava konstantan faktor ukupnog pojačanja kako bi očitanje vrijednosti šuma na izlaznom instrumentu bilo točno.
Oscilatorom na ispitnoj frekvenciji (OSCILATOR TESTNE FREKVENCIJE) vršimo pobudu DUT-a i taj signal ujedno služi i za kalibraciju pojačala. Drugi oscilator (LOKALNI OSCILATOR) radi na frekvenciji 20 kHz višoj od prvog oscilatora i na taj način u mješač dolazi pojačan signal testne frekvencije koji sadrži šum DUT-a sa prvog oscilatora i čisti signal 20 kHz veće frekvencije sa drugog oscilatora. Kao produkt miješanja ova dva signala dobivamo signal razlike sa frekvencijom (MF) od 20 KHz (kalibracijski signal) pomiješan sa signalom šuma DUT-a. Ovakvo miješanje je potrebno iz razloga da bi se iz sva tri testna modula različitih frekvencija (1 MHz, 10,7 MHz ili 45 MHz) na izlazu dobio jednak signal frekvencije 20 kHz sa uključenim šumom koji generira DUT i koji se onda kao takav dalje jednako obrađuje u zajedničkim mjernim krugovima. Ovaj signal od 20 kHz također služi i za AGC kontrolu.
Moduli koji rade na 1 MHz i 10,7 MHz donekle se razlikuju od modula koji radi na 45 MHz. Prva dva modula imaju kontrole BASE RESISTANCE i CAPACITY. Preklopnikom BASE RESISTANCE mijenja se serijski otpor baze DUT-a, a paralelno tome i amplituda pobude DUT-a osnovnom frekvencijom. Na taj način, ukoliko se odabere veći bazni otpor automatski će se povećati i napon napajanja pojačala za pobudu čime će stupanj uzbude ostati konstantan. Kod modula na 45 MHz pobuda DUT-a vrši se preko baze iz strujnog izvora pa promjena pobudnog napona nije potrebna. Preklopnikom INDUCTANCE mijenja se induktivitet zavojnice serijskog titrajnog kruga spojenog serijski s bazom tako da rezonira na radnoj frekvenciji. Time se postiže poništavanje impedancije pa na izvor osnovne frekvencije utječe samo otpor baznog otpornika.
Signal frekvencije 20 kHz sa uključenim šumom koji smo dobili iz mješača pomoću transformatora impedancije (ISOLATION AMPLIFIER) razdvaja se u dvije grane, granu za AGC i granu za mjerenje šuma. U AGC grani kombinirani signal prvo dolazi na AGC DETECTOR gdje se signal šuma filtrira, a signal frekvencije 20 kHz se ispravlja i pojačava. Ispravljeni napon 20 kHz dodatno se pojačava u AGC DRIVER pojačalu i prikazuje na instrumentu AGC VOLTAGE. Vrijednost napona na instrumentu je dakle vrijednost napona za AGC, a to je zapravo stupanj gušenja u lancu pojačala kako bi se održao isti faktor pojačanja.
U grani za mjerenje šuma kombinirani signal prvo dolazi na atenuator 20 dB gdje se može po potrebi prigušiti (METER MULTIPLIER 0 / +20 dB). U detektoru šuma (NOISE DETECTOR) signal šuma odvaja se od noseće frekvencije 20 kHz i dovodi na integrator u kojem se vrijednost šuma pretvara u proporcionalan istosmjerni napon. S obzirom da se traži očitanje šuma u dB, onda se DC signal iz integratora još jednom procesuira u logaritamskom pojačalu. Na kraju se taj signal još jednom pojačava u izlaznom mjernom pojačalu za prikaz na instrumentu. Isti signal se također dovodi na konektor na stražnjoj strani kućišta kako bi se mogao koristiti za upravljanje drugim instrumentima ili pisačima.
RF Transistor Noise Analyzer Model 340 konstruiran je na način da bude vrlo jednostavan za servis i popravak. Pojedini modul sadrži svega nekoliko komponenti i svi moduli su preko konektora povezani matičnom pločom. Kao što smo već imali priliku vidjeti u sličnim konstrukcijskim rješenjima i ovdje u unutrašnjosti nalazimo adapter preko kojeg se u slučaju servisa svaki modul može izdići iz ploče tako da je lako dostupan za mjerenje, ali je i dalje električki spojen sa pločom. O vrlo robusnom aluminijskom kućištu ne treba trošiti riječi, a i sve kontrole (sklopke, potenciometri) dizajnirane su za dugotrajan i pouzdan rad. Da ne duljimo previše, slike govore više od riječi, no svakako je za kraj potrebno naglasiti i kako je ovdje riječ o doista rijetkom tipu mjernog instrumenta jednako tako slabo zastupljene američke tvrtke zbog čega ćemo za ovaj uređaj osloboditi ipak neko malo posebnije mjesto na izložbenoj polici 🙂
