1. Manuals
  2. Brands
  3. Clifton LAboratories Manuals
  4. Amplifier
  5. z10040b
  6. Assembly and operation manual

Clifton LAboratories z10040b Assembly And Operation Manual

Broadband norton amplifier
Hide thumbs
Table of Contents

Advertisement

Quick Links

Z10040B 
Broadband Norton Amplifier 
Assembly and Operation Manual 
 
 
 
 
V
ersion 1.3 August 2009 
 
Clifton Laboratories 
7236 Clifton Road 
Clifton, VA 20124 
(703) 830 0368 
www.cliftonlaboratories.com 
 
 

Advertisement

Table of Contents
loading

Related Manuals for Clifton LAboratories z10040b

Summary of Contents for Clifton LAboratories z10040b

  • Page 1 Z10040B  Broadband Norton Amplifier  Assembly and Operation Manual          ersion 1.3 August 2009    Clifton Laboratories  7236 Clifton Road  Clifton, VA 20124  (703) 830 0368  www.cliftonlaboratories.com     ...

  • Page 2: Table Of Contents

    Table of Contents  Model Z10040B Broadband Norton Amplifier  ...................... 3  Trademarks and Copyright  ............................ 3  Warranty ................................... 3  Safety Information ................................ 4  General Information and Specifications  ........................ 5  Description .................................. 5  Specifications  ................................... 6  Assembly .................................... 7  Parts Provided  ................................. 7  Errata:  ....................................  1 3  Component Layout ..............................  1 4  Assembly Order ................................  1 6  Post Construction Adjustment and Checkout ....................  2 6  Input and Output Connections ..........................  2 9  Schematic and Theory of Operation ..........................  3 2 ...
  • Page 3       Z10040B Construction and Operations Manual  Page 2   ...

  • Page 4: Model Z10040B Broadband Norton Amplifier

    Model Z10040B Broadband Norton Amplifier  Version 1.2 2009  (c) 2009 Jack R. Smith d/b/a/ Clifton Laboratories.  Last Revised 29 August 2009  Trademarks and Copyright  Material in this document copyrighted © 2009 Clifton Laboratories. All rights reserved. It is  provided to allow the Z10040B purchasers to maintain their equipment and such other purposes as  may not be prohibited by law.   Warranty  This warranty is effective as of the date of first consumer purchase.   What is covered: During the ninety (90) days after date of purchase, Clifton Laboratories will  correct any defects in the Z10040B due to defective parts or workmanship (if purchased as an  assembled unit) free of charge (post‐paid). You must send the unit at your expense to Clifton  Laboratories, but we will pay return shipping. Clifton Laboratories’ warranty does not extend to  defects caused by your incorrect assembly or use of unauthorized parts or materials or  construction practices.  What is not covered: If the Z10040B is purchased as a kit, this warranty does not cover correction  of assembly errors or misalignment; repair of damage caused by misuse, negligence, or builder  modifications; or any performance malfunctions involving non‐Clifton Laboratories accessory  equipment. The use of acid­core solder, water­soluble flux solder, or any corrosive or conductive flux  or solvent will void this warranty in its entirety. Damage to the Z10040B or equipment connected to  it caused by lightning strikes is not covered under the warranty. Whether purchased as an  assembled unit or as a kit, also not covered is reimbursement for loss of use, inconvenience,  customer assembly or alignment time, or cost of unauthorized service.  Limitation of incidental or consequential damages: This warranty does not extend to non‐ Clifton Laboratories equipment or components used in conjunction with our products. Any such  repair or replacement is the responsibility of the customer. Clifton Laboratories will not be liable for  any special, indirect, incidental or consequential damages, including but not limited to any loss of  business or profits.  Under no circumstances is Clifton Laboratories liable for damage to your equipment  connected to the Z10040B resulting from use of the Z10040B, whether in accordance with  the instructions in this Manual or otherwise.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 3   ...

  • Page 5: Safety Information

    Safety Information  The Z10040B operates with a user‐supplied DC power supply of 13 to 15 Volts at 100 to 120 mA.  The Z10040B, although designed as a low signal level preamplifier, is capable of RF output power  approaching the 1 watt level. This output power is capable of damaging receivers or the receiver  section of a transceiver or test equipment. It is the user’s responsibility to ensure that the Z10040B  is properly connected to whatever devices it will be used with.    The Z10040B has no replaceable fuses; rather a self‐resetting polyfuse limits short circuit current  to approximately 200 mA.  The Z10040B is designed to be used only with receive‐type power levels. It should not be used with  transmitting equipment. The Z10040B’s maximum permitted input RF power is 100 mW (+20    dBm). Power in excess of this level may damage the Z10040B or equipment connected to it, or both. In  addition, since the Z10040B has appreciable gain, output power levels sufficient to damage connected  equipment may occur with input signal levels well below +20 dBm.  Although the Z10040B contains protective measures, all of these protection measures assume that  the Z10040B is properly grounded and that good engineering practices have been used in its    installation and construction of the ground system.  The Z10040B is not intended to survive a direct  lightning strike to an antenna connected to its input, whether powered up or not. However, the  protective measures incorporated into the Z10040B’s design should aid in reducing damage.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 4   ...

  • Page 6: General Information And Specifications

    General Information and Specifications  Description  The term “Norton Amplifiers” refers to a class of transformer feedback amplifiers developed by Dr.  David Norton and described in his US Patent No. 3,891,934, granted June 24, 1975 and now in the  public domain. (A copy of Dr. Norton’s patent is Appendix C to this Manual.) A Norton amplifier  permits the distortion reducing benefits of negative feedback to be applied without impairing the  amplifier’s noise figure. Hence, Norton amplifiers are also known as “noiseless feedback” ampli fiers.  The Z10040B is a broadband (75 KHz to 30 MHz) Norton‐style amplifier providing 11 dB gain  (other gain values are possible) with very high 3  order and 2  order intermodulation intercepts,  IP3 and IP2, respectively, with a noise figure below 3.5 dB over the range 10‐30 MHz. The Z10040B  is designed for either indoor or outdoor use, with DC power supplied through either separate  connections or duplexed over the output coaxial cable. Optional indoor and outdoor die cast  enclosures are available for the Z10040B.  The Z10040B is derived from the Norton Amplifier developed by Dr. Dallas Lankford and described  in his publication Common Base Transformer Feedback Norton Amplifiers, dated 8 June 1994,  revised 21 May 2007, available at  http://www.kongsfjord.no/dl/Amplifiers/Common%20Base%20Transformer%20Feedback%20N orton%20Amplifiers.pdf.  The Z10040B modifies Dr. Lankford’s design in several respects:  • Automatic input disconnect upon DC pow er removal along with over‐voltage gas trap  protection  • Improved performance below 500 KHz.  • Over voltage and reverse voltage protection o n the DC Power.  • DC power either separately or duplex po wer.  • Optional balanced or unbalanced input.  Clifton Laboratories also offers the Z1202A DC power injector usable with the Z10040B to provide  DC power over the coaxial cable.   The Z10040B is available as a kit, including a double sided, silk screened solder masked printed  circuit boards and all electronic parts or as an assembled and tested printed circuit board. Options ...

  • Page 7: Specifications

    Performance data is for a 1:11:4 turns ratio design, 13.8 VDC after adjusting  balance trimpots for minimum 2  harmonic distortion. Unless otherwise  Test Conditions  indicated, performance measurements are made with direct DC power, not  duplexed. Figures stated as “typical” are not warranted.  3 dB Bandwidth  100 KHz – 30 MHz. Typical bandwidth 75 KHz ‐ 45 MHz   Order  +50 dBm. Measured at 12 MHz, input signal level ‐10 dBm. Protocol as discussed  Intermodulation  later in this manual.  Intercept   Harmonic  +90 dBm. Measured at 5.35 MHz, input signal level ‐3 dBm. Protocol as discussed  intercept  later in this manual.  Gain  11 dB nominal at 1 MHz.  1 dB Gain  +19 dBm input.  Compression    Noise Figure  3.5 dB maximum 10‐30 MHz. Typically less than 3 dB 10‐30 MHz. When terminated with 50 ohm load, input VSWR is less than 2:1 over the range  Input VSWR  300 KHz – 30 MHz, and is typically below 1.5:1 over this range.  Common Mode  Rejection in  Typically 50 dB at 1 MHz, decreases with increasing frequency.  alanced Input  ode        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 6   ...

  • Page 8: Assembly

          C10, C11,  1u0 leaded ceramic  C12, C13,  capacitor. Lead spacing 0.2  C14, C15,  inches. Parts may be loose  C16, C17,  14  or taped as shown and may  105  C18, C2,  or may not have a  C3, C4, C6,  “crimped” lead.    C7      33u 63V electrolytic  capacitor. This component  is polarized. Polarity is  identified by two methods.  The negative lead is the  1  C19  shorter one and the  33uF 63V  negative lead is marked  with a negative symbol on  the capacitor case. The  longer lead is the positive    lead.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 7   ...
  • Page 9   1N4007 part  number  from 0 to 7  200 mA Raychem “polyfuse”  PTC varistor. The supplied  1  F1  XF020  part may or may not have a  “crimped” lead.    Ferrite bead [FB1 designator  1  FB2  No marking  is not used]    J1: 4‐place  2 [3‐place]  J1, J2, J3  J2 & J3: 3 place  None  1 [4‐place]   0.1 inch header sockets      2 place 0.1 inch header pin  May be supplied as a  1  J4  None  multiple pin strip to be  broken as needed by builder      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 8   ...
  • Page 10 Shorting jumper for 2 place  1  None  None  0.1 inch header pins      G6H‐2F‐DC12 double pole,  G6H‐2F‐ 1  K1  double throw 12V surface  12VDC  mount relay    L1, L2, L3,  1m0 RF  choke (shielded)  4  L4  None  high current        1m0 RF choke, high current  1  L5  5800‐102  unshielded      NPN transistors, VHF, type  2  Q1, Q2  2N5109  2N5109    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 9   ...
  • Page 11 150 x 10 , 1% tolerance = 1500 ohms, ±1%      Green‐blue‐ 2  R1,R6  560R  black‐black‐     brown  49R9   Yellow*‐ *first band is yellow, but  2  R4,R12  white‐white‐ looks more like green with  gold‐brown  some lighting sources  Brown‐ green‐black‐   2  R10, R5  1K50  brown‐ brown    Brown‐ R2, R7,  4  10R0  black‐black‐ R9,R11  silver‐brown  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 10   ...
  • Page 12 2  SA1, SA2    90V  EC 75 (and    date code)  75V      Test points. Use header pin.  May be supplied as a  Same as J4.  2  TP1, TP2  multiple pin strip to be  None  broken as needed by  builder  3 place header pins. May be  supplied as a multiple pin  Same as J4  3  None  None  strip to be broken as  needed by builder  T1,T2,T3,  0.5 inch diameter ferrite  4  None  T4  cores; builder to wind      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 11   ...
  • Page 13 Component  Photograph  Qty  ID  Description and Comments  Marking  Z10040B  Printed circuit board.  1  PCB  and revision  Identified as Z10040B  number      None  1 length #24  No. 24 AWG magnet wire,  None  None  wire  use for T2 and T4  None  No. 26 AWG magnet wire,  2 lengths #26  use for T1 and T3. One  None  None  wire  length red, one length  green.  Washers for L1‐L4. Note  these washers do not have  serrations in the inner  opening and are larger  diameter than the two    insulators for Q1 and Q2.   4  None ...

  • Page 14: Errata

    Errata:   None known for Rev 02 PCB.      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 13   ...

  • Page 15: Component Layout

    Component Layout  Top view    C20 and C21 install on the PCB  bottom. There is no silk screening identifying the location for these parts.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 14   ...
  • Page 16 Component Orientation  As a matter of good construction practice, most builders orient non‐polarized components in the  following fashion:  • If the component is color coded, such as most  resistors, orient so that the color code reads in the  same direction as the silk screening designator.  R1,  for example, is a 560 ohm 1% resistor; color coded  green blue black black brown. Note that the color code  is oriented so it reads left‐to‐right, just as the  component silk screened R1 designation.  • Parts with a printed value code are oriented so that the  part value may be easily read.  For example, C11 is a 1u0  capacitor, marked 105. The part is installed with the  printed “105” identification facing away from T1 so that the  marking is more easily read.  Of course, if the component is polarized, it must be installed with  the proper polarity. Even there, it may be possible to rotate the  part (such as the 1N4007 diode) so that the part identifier is not obscured.      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 15   ...

  • Page 17: Assembly Order

    Assembly Order  The Z10040B is a relatively simple kit. The most complex part is winding the transformers, and  even this is not difficult.  The assembly order generally follows component height—the smallest components are installed  firs , and  the transformers last. (Where there is no  difference, the photos are of the rev 02 PCB.)     Install the ¼ watt 1% metal film resistors   R1 560R green‐blue‐black‐brown‐brown     R6 560R green‐blue‐black‐brown‐brown     R4 49R9 yellow‐white‐white‐gold‐brown (yellow may look greenish under fluorescent  lighting)      R12 49R9 yellow‐white‐white‐gold‐brown (yellow may look greenish under fluorescent  lighting)      R5 1K50 brown‐green‐black‐brown‐brown     R10 1K50 brown‐green‐black‐brown‐brow     R11 10R0 brown‐black‐black‐silver‐brow     R9 10R0 brown‐black‐black‐silver‐brown     R2 10R0 brown‐black‐black‐silver‐brown    ...
  • Page 18     C3      C11            C2      C4      C14      C18      C17      C16            C6      C13  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 17   ...
  • Page 19     C7      tall 1000pF capacitors (marked 102 or ) at:     C1      C9      C8      C5      he photo below shows the PCB at this stage of assembly.             Install L5, 1m0 RF choke, marked 5800‐102.     nstall F1 (RXE020 200 mA polyfuse, marked XF020).  Depending on the available product,  this component may have parallel, crimped leads or angled leads.    To install the crimped lead version, slip one lead into the mounting hole so that the kink or  crimp snaps across the PCB. Put the second lead into the other mounting hole and gently  pull (with long nose pliers) the second lead from the underside of the board until it  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 18   ...
  • Page 20 In this case, trim or slot the inside of the nylon washer with a  hobby knife, being careful not to cut yourself during the process.  lternatively, you may use the washer without trimming, accepting a small gap between  he choke/washer/PCB assemb ly.     Recommended assembly process: Fit all four of the RF choke and washer assemblies to the  PCB but do not solder. Put a small piece of flat material, such as a piece of metal or thin  wood or plastic on top of all four chokes, creating a “sandwich” with the chokes as the filler  and the PCB and metal the bread. Hold the sandwich together and flip the assembly upside  down so that the choke leads are sticking up and place the “sandwich” on the workbench.  Hold the PCB down to apply pressure to seat the choke/washer assembly against the PCB.  Solder one lead of each choke. After soldering one lead of all four chokes, pick up the PCB  and verify each choke is seated as well as possible against the washer and the PCB. If any  choke is not fully seated, press it against the PCB while heating the solder joint. After all  kes are fully seated, solder the remaining leads.      L1      L2      L3      L4      Install the three‐pin header socket (female) at J2.     Install C19 (33µF, 63V electrolytic capacitor). This is a polarized part. Polarity may be  indicated by either (or both) of the following: (a) The capacitor has a negative side  marking; (b) the positive lead is the longest. Install C1 ensuring the positive lead is inserted  into the pad marked with the + sign. Solder.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 19   ...
  • Page 21 SA1 is not polarized and may be installed in either orientation. Be careful when bending  he leads as the ceramic body is fragile. SA1 should be installed so that the body is  approximately 1/8  inch (3 mm) above the PCB surface.      Install SA2, the spark gap, marked either 90V plus a date code or EC75 plus a date code.  SA2 is not polarized and may be installed in either orientation. Be careful when bending  he leads as the ceramic body is fragile. SA1 should be installed so that the body is  approximately 1/8  inch (3 mm) above the PCB surface.    SA1 and SA2 should not contact each other. Slightly bend SA1 or SA2 or both, if necessary  o provide approximately 1/8  inch (3 mm) horizontal spacing between SA1 and SA2.  Be  careful when bending these parts not to over‐stress SA1 and SA2’s ceramic bo dy.    Note: The silk screen legends for SA1 and SA2 are  reversed in Board Rev. 01.      Install the three‐pin header sockets (female) at J3     Install the four‐pin header sockets (female) at J1     Locate the header pin (male) strip and break or cut two pins from the strip. Install the two  pins at J4. (The short side goes into the pad holes.)      Cut or break two indiv idual pins from the header pin strip.      Install one pin at TP1.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 20   ...
  • Page 22     nstall one pin at TP2.        At this point, all components should be installed on the PCB’s top surface, except for the  our transformers and the two heat sinks. The two 1000pF surface mount capacitors are  installed later in the build.    The photo below shows the PCB at this stage.             Locate the No. 26 AWG magnet wire. (It is the smaller diameter of the two  ire sizes.)  One length of green insulated wire is provided and one of red  insulated wire.     Cut four lengths of the wire:  wo pieces green, each 11 inches (280 mm) lon g.   Two pieces red, each 11 inches (280 mm) long.    Take one piece of red wire and one piece of green wire and twist  pproximately 60 turns. Repeat for the second pair of red and green wires. (A   variable speed drill, running slow speed, speeds up the twisting process.)    At this point, you should have two twisted wire sections, each approximately 11 inches  (280 mm) long, each twisted pair with one red and one green wire.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 21   ...
  • Page 23   Repeat for the second transformer.    Congratulations. You have completed winding two bifilar broadband transformers, T1 and  T3.      Locate the PCB and look at the silk screen outline for T1  and T3. Note that each has four pads, comprised of three  ound pads and one square pad, oriented as shown in the  drawing.    The green wires connect to the two round pads on one  side and the red wires connect to the one square and one  round pad on the opposite side. [This is not critical and  one can interchange the green and red leads, but  roubleshooting will be easier if all the Z10040B’s are  built the same way.]    n‐twist the pigtails so that you have four separated wires. Remove the insulation and tin  the four wires.     he wire leads should be formed as illustrated in the photo to the  right.  Install the transformer as shown in the drawing at T1.    Note: The red and green wire supplied is “solderable” and the  insulation will melt if heated with a blob of molten solder. This  eating and tinning must be done  before the transformers are  installed in the PCB.    A common error in installing T1 and T3 (as well as T2 and T4) is that the insulation is not  fully removed from the wire due to insufficient heating.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 22 ...
  • Page 24 T2 and T4, take a moment to read the installation steps and study the drawing and  photographs.    This manual describes transformers resulting in 11 dB nominal gain, with a 1:11:4 winding  ratio.  Other winding ratios are possible with different gain as described elsewhere in this  manual. In the context of drawing below, this configura tion is N=11, M=4.      ut two lengths of #24 AWG magnet wire, each length  16 inches (400 mm) long.     This wire will be wound 15 turns on a ferrite core, as  llustrated at the right. The letters C…F on the drawing  correspond to T2 and T4’s PCB pads.     efore winding the transformers, take a moment and  look at the PCB outline for T2 and T4.     Start by threading the wire through the core with  pproximately one inch (25 mm) projecting from the  core. This short starting end is C in the drawing.     Wind 11 turns (N) following the orientation shown in the  drawing.  Note the direction of winding. (I’m left handed  and this is how I wind a toroid.) When completed with all  5 turns, the winding will occupy 80 to 85% of the core  perimeter.     s a reminder, a turn is counted when the wire passes  through the hole in the core.    Extend the 11  turn approximately one inch (25 mm)  and double it back. (The doubled wire will become ends  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 23   ...
  • Page 25 D and E). Wind four more turns (M), ending at end F. Trim the F wire to be approximately  one inch (25 mm) long.    The photos below shows a transformer at this stage, before the loop is cut and the end  wires trimmed.            Cut the loop so that the two free ends are approximately one inch (25 mm) long. Remove  the insulation on all four ends and tin. You may find it helpful to fit the transformer into the  PCB to see how it fits before continui ng to the next step.      Insert the leads into T2 holes C, D, E  and F, following the drawing, and  older these four leads.          Locate the remaining length of No. 24 AWG magnet wire and cut two lengths 1.25 inch (32  mm) long. These will be the single turn winding A‐B.  Strip and tin each end approximately  0.25 to 0.375 inches (6.5 mm to 9.5 mm) and install between pads A and B, passing the  wire through the transformer’s central hole.  Installing this wire will be easier if you install  the wire vertically (not passed through the core) in the pad away from the board edge.  older the wire in place. Then pass it through the transformer core and into the outside  ad hole. Solder.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 24   ...
  • Page 26   Repeat this process for T4 with the second  transformer.   he photographs below show T4 installed.        Install the heat sinks on Q1 and Q2. If you have it, a small amount of heat sink compound or  hermal grease can be used to improve the thermal connectivity between the heat sink and  he transistor body.      In order to provide maximum  stability, orientate the heat sinks so as to  minimize capacitive coupling between Q1  and Q2, following the photograph at the  right.    The last construction step is to install C20 and C1,  the 1000pF 1206 surface mount  capacitors. Both C20 and C21 are mounted on the bottom of the PCB. After installing C20  nd C21, please handle the PCB with care to avoid damage to it. DO NOT FLEX the PCB as  you may easily crack C20 or C21.    lip the PCB so that the trace side is up. The pencils shows where C20 and C21 are  nstalled.      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 25   ...

  • Page 27: Post Construction Adjustment And Checkout

        nst lat ion procedure:    1. Lightly tin the non‐ground pads for C21 and C21.    2. Using forceps or a very light touch with long nose  pliers, slide C20 into place while heating C20’s non‐ ground pad. Check that C20 is more or less centered on  the pads and remove the soldering iron when centered.  oo much pressure will crack these parts so use a light  touch.    3. Solder the ground pad. Touch up the non‐ground pad.      4. Repeat steps 2 and 3 for C21.    5. Although the ground pad uses “thermal relief” it may  still be difficult to make with a small soldering pencil, as  the large foil area requires more heat capacity than a  normal floating pad.    ost Construction Adjustment and Checkout    Before powering up the Z10040B, take a moment to make resistance checks and pre‐set R3    and R8.    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 26   ...
  • Page 28 R8 to 50 ± 2 ohms. (Both measuring points are  ith respect to ground, with the negative lead of  the ohmmeter to ground.)    3: Measuring point is junction of R3 and R2, as  illustrated to the right.    8: Measuring point is junction of R8 and R7 as  llustrated to the right.          You may wish to make a complete set of resistance measurements as developed in the  aintenance section of this manual, or you may wish to make an abbreviated set of  resistance measurements described below before apply power for the first time.     All readings are taken with a Fluke 189 digital multimeter with low‐voltage ohms. Negative  lead to ground and positive lead to the indicated test point. Look for gross divergence from  these values, not small differences, as different ohmmeters may yield different results  where semiconductor junctions are in the path. Since the Z10040B has two identical  ections comprising the push‐pull design, look for differences in symmetry, where the  quivalent point reads significantly different in one section compared with the other.          Abbreviated Resistance Checks Before Applying Power  Test Point  Value (Ohms)  Comment  TP1   510    TP2  510    Q1 collector   520  Q1’s case is internally connected to the collector. ...
  • Page 29   The Z10040B will work with DC supply voltages up to 15V and down to 12V. Performance   data is based upon 13.8V DC and in general slightly improved intermodulation  performance will be seen with supply voltages between 13.8 and 15.0V.     If a laboratory power supply with current limiting is available, set it for a maxim m  short circuit current of 175 mA and set the voltage to 0V. Connect the supply to the  Z10040B at J3 (J4 duplex jumper open) and bring up the voltage slowly whilst  bserving the current. With R3 and R8 set for 50 ohms, the maximum current observed  hould b e approximately 100 mA at 13.8V. If significant deviations from this value ar e  bserve d, immediately remove power and investigate.      Adjusting R3 and R8. With the normal DC supply voltage applied through J3 (J4 duplex  jumper open) preferably with a laboratory power supply with current limiting set to 175  mA, adjust R3 and R8.    Note: If you adjust R3 or R8 to the zero ohms extreme, it may be possible to  damage components in the Z10040B. Some current limiting is built into th e circuit ,  via R2 and R7, together with the resistance of L1 and L3. However, in order to  provide the maximum adjustment range to compensate for variations in Q1 and Q2,  omplete protection against mis‐adjustment is not possible. Accordingly, when adjusting  R3 and/or R8, it is imperative that you observe the total  rrent being rawn b  d y the  amplifier, and, if possible, use a power supply with current limiting set to 175 mA.    n particular, the 1mH shielded inductors used at L1, L2, L3 and L4 are rated for a  maximum DC current of 90 mA. Under no circumstances should Q1 or Q2 be biased to dra   more than 75 mA each.  ...

  • Page 30: Input And Output Connections

    A bias adjustment service for kit builders not equipped to measure IP2 and IP3 is available.     Contact Clifton Laboratories for details.        Input and Output Connections  Output and DC power connections are made to the Z1 0040B with 3‐pin headers. Since the outside  pins are always ground, either orientation is permitte d. Input to the Z10040B is made with a 4‐pin  header and may be configured for either balanced o r  unbalanced input.  Balanced Input  To make a balanced connection to the Z10040B, use  1’s two center pins, as illustrated in the drawing to  he right.   a shielded pair is used for the balanced input, the  hield should be connected to the two outside pins,  which are common with the Z10040B’s ground plane.      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 29   ...
  • Page 31 Unbalanced Input  An unbalanced input to the Z10040B should  be made as described. The described  method is necessary for improved stability .  The pencil point in the photo identifies J1,  pin 4.   When using unbalanced input, connect the  coaxial cable so that the center conductor  mates with pin 2 and the shield connects to  pins 1 and 3. Pin 4 may be left unconnected.   Do not use a connection that places  the shield on J1, pin 2 and the center  conductor on J1, pin 3.  As alwa ys when making conne ctions to a  high gain amplifier, shielded coaxial cable  should be used on the output (and the input  if unbalanced) and the output cable should  not be routed near the input. If balanced  input is used, the input cable should be  twisted pair or shielded pair to avoid  nwanted signal pickup or feedback and oscillation.          Z10040B Construction and Operations Manual  Page 30   ...
  • Page 32 Connections Diagram  This completes the assembly and verification of your Z10040B Norton Amplifier.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 31   ...

  • Page 33: Schematic And Theory Of Operation

    Schematic and Theory of Operation  Theory of Operation  The Z10040B Norton amplifier consists of two identical amplifier sections arranged in p ush‐pull.   The discussion below uses component designations for the section associated with Q1.  Each section is a common base (also known as “grounded base”) amplifier. As such, essentially  identical signal currents flow through all three sections of T2 and T1’s secondary winding. Gain is  achieved in the grounded base amplifier because the collector load, represented by T2’s n and m  windings operating as an auto‐ transformer has greater impedance  than the emitter input, and hence  power gain results.   The figure at the right is a simplified  view of an amplifier section, with all  DC biasing and blocking components  removed so that we may concentrate  on the signal flow. The transformer  turns ratios are shown as 1:n:m, but  this does not mean the emitter  feedback winding must have only one turn. Rather, it is the ratio of turns that is important, so that if  the emitter winding has, for example, two turns, then the number of turns in windings n and m  should also be doubled.   Consider windings n and m and assume a load of impedance Z is connected from output to ground.  Windings n and m form an auto‐transformer with Q1’s collector seeing an impedance of:  ⎛ + m ⎞ ⎜ ⎟   ⎝ m ⎠ Since the same signal current flows through the emitter and collector (neglecting base current), the  gain of the common base amplifier is proportional Zc or n and m in this relationship.  The transformer turns ratios should not be arbitrarily selected, if the full benefits of the Norton  amplifier are to be realized. From Patent No. 3,891,934, the following equation governs the  transformer turns relationship:   ...
  • Page 34 ‐m‐1  The amplifier’s transducer gain  is stated as:    Again, since our normal operation is with equal input and output impedances, the transducer gain   is simply m .  Winding Ratio 1:n:m  Transducer Gain (dB) 1:1:2  6.0  1:5:3  9.5  1:11:4  12.0  1:19:5  14.0    These figures are theoretical and the actual realizable gain is typically a dB or so less.  One significant advantage of the Norton amplifier is that the input impedance automatically tracks  the output impedance. Thus, if terminated into a 50 ohm load, the input impedance is 50 ohms. If  the output impedance is changed to 75 ohms, the input impedance becomes 75 ohms. (This  relationship is again not perfect, but it is reasonably good with less than a 2:1 VSWR over the range  300 KHz – 30 MHz when measured in a 50 ohm system.)  DC power may be provided to the Z10040B via two feed points. First, a three‐pin connector permits  direct DC power connection. Secondly, adding a jumper at connector J4 permits DC power to be  duplex fed over the coaxial cable transmission line carrying the amplifier’s output. Of course, an  appropriate DC power injector, such as Clifton Laboratories model Z1202A, will be required and the  power source that is used should be selected to have low noise at the frequencies of interest.                                                                1 Transducer gain is defined as: “the ratio of the power delivered by a network to a load (PdL) to the power available  from the source (Pas). Transducer gain is a function of the source and load reflection coefficients and the network s‐ parameters.” http://www.maurymw.com/support/faqs/faqs/faq9.html  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 33   ...
  • Page 35 Over current protection is provided by F1, a 200 mA positive temperature coefficient “polyfuse.”  Should the amplifier draw more than 200 mA, F1 will heat and switch to a high resistance state,  thereby limiting the current drawn by the power source. So long as the voltage remains applied, F1  will remain in the high resistance state.  Over voltage protection is provided by RV1, an 18V DC (nominal) bipolar metal oxide varistor. The  primary purpose of RV1 is to limit damage to the DC power source, should a nearby lightning strike  or other incident induce a greater than normal voltage on the DC power line. Although RV1 is rated  to begin clamping at 18V (1.0 mA clamp current at 18V), the actual onset voltage may be 20%  above this figure and the clamping voltage may rise as high as 36V at 50A clamping current. Hence,  even with RV1 in place and functioning properly, excessive over voltage may still occur if the  disturbing event is sufficiently energetic. (The ROV14‐180M device used in the Z10040B is rated at  a one‐time 1,000A clamp or two‐times 500A clamp. However, at 1000A, the expected clamping  voltage is 80V.)  Reverse voltage protection is provided by D1, a 1N400x series diode connected to be forward  biased if the input polarity reverses. This causes two things to happen. First, the maximum voltage  across the DC power distribution circuitry will be limited to approximately 1V by D1. Secondly, fuse  F1 will enter into high resistance mode by virtue of the over current. Of course, a sufficiently robust  power supply connected with reverse polarity may destroy D1 before F1 can enter high resistance  mode.  The Z10040B’s input is through a bifilar wound, broadband transformer, T1. Both of T1’s primary  terminals are brought out to J1 through K1’s contacts so that either balanced or unbalanced input  may be used. Balanced input signals are applied across T1’s primary, which remains floating with  respect to ground. If unbalanced input is used, one of T1’s primary terminals is connected to ground  through appropriate jumper settings at J1.  The Z10040B’s input circuit is protected in two ways. First, when DC power is removed from the  Z10040B, relay K1 removes the input connection and connects it to ground through R4 and R12,  49R9 ohm resistors. (If desired, the user may replace R4 and R12 with wire jumpers to the input  when power is removed.) Secondly, SA1 and SA2, “gas trap” or spark protector devices are always  connected across the Z10040B’s input connector.  Although SA1 and SA2 limit the voltage for fast  rise time pulses, their break over voltage may be several hundred volts. The primary purpose of  SA1 and SA2 is to limit the voltage that might otherwise be coupled over the coaxial transmission  line and, secondarily, to provide some protection to the Z10040’s components.  When the input is configured as unbalanced, only one of SA1 and SA2 is operational. In balanced  mode, SA1 and SA2 are connected between the two balanced inputs and the Z10040B’s common  ground point. Likewise in balanced mode, when the Z10040B is unpowered, R4 and R12 are  connected across the balanced input to the Z10040B’s common ground point.  All of these protection measures assume that the Z10040B is properly grounded and that  good engineering practices have been used in its installation and construction of the ground  syste m.  The Z10040B is not intended to survive a direct lightning strike to an antenna connected to ...

  • Page 36: Schematic

    Z10040B’s design should aid in reducing damage, particularly where the strike is not directly to the  antenna system.  chematic    Z10040B Construction and Operations Manual  Page 35   ...

  • Page 37: Troubleshooting Guide

       Troubleshooting Guide  The following annotated schematics provide resistance and typical operating voltage data for the  Z10040B. (The schematic shown is the Z10040A. No resistance or voltage changes exist between  the “A” and “B” versions of the Z10040.)  Voltage Data           Z10040B Construction and Operations Manual  Page 36   ...

  • Page 38: Resistance Data

    Resistance Data        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 37   ...

  • Page 39: Appendix A Typical Performance Data

    Appendix A Typical Performance Data  Except for common mode rejection, the data presented below is taken from one Z10040A amplifier.  There is no significant performance difference between the “A” and “B” versions of the Z10040,  except for differences associated with operating a balanced input.  While it is believed representative of Z10040A and B amplifiers, due to component tolerance,  assembly practices and test setup, the performance level seen in these measurements should be  regarded as typical and is not guaranteed.  Unless otherwise specifically noted, the data is taken with unbalanced input.  Bandwidth  Test Conditions: Direct DC feed.        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 38   ...

  • Page 40: Third Order Intermodulation

    Test Conditions: Duplex DC feed over coaxial cable with Clifton Laboratories Z1202A power  oupler.      Third Order Intermodulation  Test conditions: Two test signals at 900 KHz and 1100 KHz at 0 dBm (each tone).        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 39   ...

  • Page 41: Second Harmonic

    Z10040 Norton Amplifier S/N 001 2nd Harmonic Intercept Extrapolated Intercept Theoretical Amp Output Point +91 dBm Output Measured 2nd Harmonic Level Slope: 2 dB output change for 1 dB input change -100 -120 Input Signal (dBm)       Z10040B Construction and Operations Manual  Page 40   ...

  • Page 42: Db Gain Compression

    1 dB Gain Compression  Test Conditions: CW signal at 10 MHz, Z10040 input level between ‐50 dBm and +20 dBm. 1 dB gain  compression point +19.42 dBm input.   Note: This test can easily damage test equipment as the output power approaches 1 watt.  Appropriate attenuators must be used to limit signal levels to safe values.     Input VSWR  Test conditions: Terminated with 50 ohm load, 13.8V DC power.       Z10040B Construction and Operations Manual  Page 41   ...

  • Page 43: Common Mode Rejection

    Common Mode Rejection  Test conditions: Unbalanced input applied to J1 pins 2 and 3 in parallel. Ground to J1 pins 1 and 4.  Frequency range: 300 KHz – 10 MHz. Input signal level ‐15 dBm. Plot shows output signal level,  with 0 dB being a direct connection between input and output.          Z10040B Construction and Operations Manual  Page 42   ...

  • Page 44: Noise Figure

    Noise Figure  Data taken with an HP8970A noise figure meter and AIL 7615 noise source at 15V supply. Noise  figure differs by as much as 1 dB from amplifier to amplifier.          Z10040B Construction and Operations Manual  Page 43   ...

  • Page 45: Appendix B - Pcb Mounting Hole Dimensions

    Appendix B – PCB Mounting Hole Dimensions     Drawing is not to scale. There is no change in mounting hole spacing and size between the Z10040A  and Z10040B.        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 44   ...

  • Page 46: Appendix C - Norton Amplifier Patent, Us Patent No. 3,891,934

            Z10040B Construction and Operations Manual  Page 45   ...
  • Page 47       Z10040B Construction and Operations Manual  Page 46   ...
  • Page 48   Z10040B Construction and Operations Manual  Page 47   ...
  • Page 49   Z10040B Construction and Operations Manual  Page 48   ...
  • Page 50   Z10040B Construction and Operations Manual  Page 49   ...
  • Page 51   Z10040B Construction and Operations Manual  Page 50   ...

  • Page 52: Appendix D Ip3, Noise Figure And Gain Performance Versus Operating Voltage

    Appendix D IP3, Noise Figure and Gain Performance versus Operating Voltage    The recommended range of operating voltages for the Z10040B is 13.8V minimum, 15V maximum.  The primary limiting factor is heat dissipation of the 2N5109 transistors, particularly when  operated outdoors in a shielded enclosure in a hot climate. Under certain circumstances, however,  it may be desirable to operate with considerably lower voltage levels.  The figure below shows the typical change in 3  order intermodulation performance for a Z10040A  amplifier—the Z10040B will behave in a similar fashion. For typical signal levels found on an  antenna, there’s a reasonably broad point of optimum performance for supply voltages between 13  and 15V. The vertical axis in the plot is the level of 3  order intermodulation products as a function  of input signal level and operating voltage. The lower the 3  order intermodulation product for a  given input signal level, the better the amplifier performance.        Z10040B Construction and Operations Manual  Page 51   ...
  • Page 53   The figure above shows the relationship between supply voltage and gain for a typical Z10040B  amplifier. As expected for an amplifier employing negative feedback, gain is essentially independent  of supply voltage.      Z10040B Construction and Operations Manual  Page 52   ...
  • Page 54   The figure above shows the measured noise figure of a typical Z10040B amplifier with supply  voltage ranging from 8 to 16 volts. The data shows a clear pattern of lower supply voltage   corresponding to better noise figure, with the difference between 8V and 16V being around 0.5 to  0.7 dB at frequencies between 10 and 30 MHz.  In the circumstances where best noise figure is more important than intermodulation performance,  therefore, operation with supply voltages of 10V or less may be useful.   The data presented is believed representative of typical Z10040B amplifiers, but due to unit‐to‐unit  variation, the performance levels presented as “typical” and are not warranted.  As a matter of prudence, particularly where the amplifier is operated inside a shielded enclosure in  elevated ambient temperature, Clifton Laboratories recommends 13.8 as the supply voltage. If used  indoors in a climate‐controlled environment, a somewhat greater supply voltage may be used,  although exceeding 14 to 14.5 volts is almost certainly unnecessary and should only be done with a  clear understanding of the risks of overheating and damaging Q1 and Q2.  Z10040B Construction and Operations Manual  Page 53   ...

  • Page 55: Appendix E Manual Backdating

    Appendix E Manual Backdating    14 June 2009.   The Z10040B Norton Amplifier can exhibit instability evidenced by parasitic oscillations in the 650  MHz ran ge. The instability is associated with a combination  of:  • Q1 and Q2 having significantly above average gain;  • Heat sink orientation maximizing Q1‐Q2 coupling; and  • Unbalanced input with one particular input pin grounded.  nges to stabilize the Z10040B under these conditions were added on this dat e. The changes are:  1. Heat sink orientation to reduce mutual capacitance between Q1 and  Q2.  2. When using unbalanced input, connect the coaxial cable so that the  center conductor mates with pin 2 and the shield connects to pins 1  and 3. Pin 4 may be left unconnected. Do not use a connection that  places the shield on J1, pin 2 and the center conductor on J1, pin 3.  3. Added C20, 180 pF ceramic capacitor to Q1 base to ground. C20 is  mount ed on the PCB’s bottom surface.   Errata:   1. The silk screen identifiers for SA1 and SA2 are reversed.  2. T2 and T4. Silk screen identifiers for pads D and E are reversed.  29 August 2009  Revision 02 printed circuit board introduced . The rev 02 PCB makes several changes:  Corrected error in SA1 and SA2 silk screen     Rev 02 board corrected SA1 and SA2 silk  Rev 1 board  screen. ...
  • Page 56 Revised identification for pads D and E in transformers T2 and T4      Rev 02 board  ev 01 board           Pads D and E are electrically connected together. The change in rev 2 makes no change in  connectivity but conforms the printed circuit board silk screen to the transformer winding  instructions.  Parts Changes  Spacer for L1‐L4 may be either nylon or hard fiber.  In rev 01, C20 was 180 pF, through‐hole type installed on the PCB bottom. In rev 02, C20 and new  21 are now 1000pF 1206 surface mount parts, installed on the PCB bottom.          Z10040B Construction and Operations Manual  Page 55   ...
  • Page 57 Improved Symmetry for Q1 and Q2     ev 01 added a 180 pF stability bypass capacitor  Rev 02 improves symmetry by adding stability  o Q1’s base. No similar change was made to Q2.  bypasses to both Q1 and Q2. The bypass value    as been increased to 1000pF and the parts are  urface mount, installed on the PCB’s bottom.              10040B Construction and Operations Manual  Page 56   ...

Table of Contents