Clifton LAboratories Z10000?U Assembly And Operation Manual

Broadband buffer amplifier

Advertisement

Quick Links

 
Assembly and Operations Manual 
Z10000‐U Broadband Buffer Amplifier 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Version 3.3 / 03 April 2009 
 
 
 
7236 Clifton Road 
Clifton Virginia 20124 
Telephone: (703) 830‐0368 
Fax: (703) 830‐0711 
http://www.cliftonlaboratories.com 

Advertisement

Table of Contents
loading

Summary of Contents for Clifton LAboratories Z10000?U

  • Page 1   Assembly and Operations Manual  Z10000‐U Broadband Buffer Amplifier                          Version 3.3 / 03 April 2009        7236 Clifton Road  Clifton Virginia 20124  Telephone: (703) 830‐0368  Fax: (703) 830‐0711  http://www.cliftonlaboratories.com ...
  • Page 2                           Assembly and Operations Manual  Z10000‐U         Version 3.3 April 2009      (c) 2006, 2008, 2009 Jack R. Smith d/b/a/ Clifton Laboratories.    Last Revised 03 April 2009      Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 1 ...
  • Page 3: Introduction And Specifications

      1 Introduction and Specifications  Introduction  Clifton Laboratories’ Z10000 IF sampler buffer amplifier is available in two versions:  • Z10000‐K2 model—optimized to be used with an Elecraft K2 transceiver, with bandpass response  shaping for a 4915 KHz IF;  • Z10000‐U or “Universal” model—same PCB as the Z10000‐K2, but with a flat frequency response.  The Z10000‐U is broadband and is suitable to use with Elecraft’s K3 transceiver for additional  isolation and/or gain from the 8215 KHz IF output port. This manual covers the –U version.  1.1 Specifications  Parameter  Specification Physical size  Approx 1.4” (35 mm) x 1.25” (32 mm). Height approx 0.2” (5 mm) plus clearance for wiring.  Mounting hole: clearance for 4‐40 machine screw.  Power Requirements  +12V at approx 20 mA.  On board regulator permits operation with 24V maximum supply  voltage.   Connectors  None. Direct wire (coaxial cable) connection via solder pads. User may install headers (0.1”)  spacing if so desired.  Gain  User settable via programming resistor.  Output Impedance  50 ohms; short circuit protected. Active Devices  78L09 voltage regulator AD8007 amplifier  Reverse Isolation  Typically 100 dB at 4.915 MHz; depends on cable routing as stray coupling becomes  important at this level of isolation. Less isolation at higher frequencies. See Section 1.3.3.  Harmonic Distortion (2  and  Typically 80 dB below carrier; depends on gain setting and input level  harmonic)   order intermodulation  Typically ‐70 dB below output for signal levels found in receiver input stages. IP3 depends  distortion ...
  • Page 4   1.3.1 Frequency Response and Gain  At 5 MHz, the sample unit’s measured gain is 9.78 dB, 0.12 dB less than theoretically predicted.  The 3 dB  bandwidth extends from 3 KHz to 174 MHz.    1.3.2 Input Impedance  The buffer amplifier’s input  impedance is dominated by two  elements; the bias isolation resistor  (4.7 KΩ in the Z10000‐U’s normal  configuration) and shunt  capacitance from the PCB traces,  connecting wires to the amplifier  and the amplifier’s input  capacitance.   The measured data presented at the  right should be considered as  representative of a Z10000‐U  amplifier with short (a two inches /  50 mm) coaxial cable input leads.   1.3.3 Reverse Isolation  The buffer amplifier’s reverse  isolation is a function of frequency,  as  illustrated in the amplifier  measurements presented at the  right. At 8 MHz, the measured  sample exhibited 115 dB reverse  isolation.  Reverse isolation is also affected by  how the amplifier is housed, lead  dress, shielding, etc. Accordingly,  the  Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 3 ...
  • Page 5   isolation illustrated at the right may not be achieved in every instance.  1.3.4 Intermodulation Performance  The illustration at the right shows  the output of the test unit with  two equal signals (9900 KHz and  10100 KHz) of ‐10 dBm applied to  the amplifier input. The amplifier  output is 0 dBm (a 3 dB attenuator  is applied ahead of the spectrum  analyzer in this plot.)  The third order intermodulation  product is ‐71.8 dBm down from  either tone. With an output based  reference, therefore, the IP3 is  thus +35.9 dBm.     2 Schematic and Circuit Description  2.1 Schematic    Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 4 ...
  • Page 6: Theory Of Operation

      2.2 Theory of Operation  2.2.1 Power Supply.   The AD8007 amplifier is rated at an absolute maximum operating voltage of 12V. In order to provide a  safety margin, and to decouple the amplifier from the power supply, U902, a three‐terminal fixed  regulator, provides a source of stable +9V to U901. C907 and C908 provide additional decoupling. U901,  the AD8007 amplifier, obtains its power via the RC decoupling network comprised of R902, C902 and  C906.   Since the circuit operates from a single positive power supply, it is necessary to bias U901’s input to  approximately V/2. This is accomplished by the 2:1 voltage divider chain of R902/R903. C903 bypasses the  V/2 reference voltage; whilst R905 increases U901’s input impedance by isolating C903’s RF ground.  R905’s maximum value is determined by the U901’s input bias current on the positive pin, specified by  Analog Devices as 8μA. For 4.7 KΩ, this bias current represents an IR drop of 38 mV. With a DC gain of 4,  the corresponding output DC offset will be about 150 mV. If absolutely necessary for high input  impedance, R905 may be substituted with a higher value resistor, up to approximately 22 KΩ. However, at  frequencies above a few MHz, the input impedance is dominated by shunt capacitance; increasing R905  should be done only with an understanding of all the factors affecting the input impedance.   2.2.2 Amplifier  U901, an Analog Devices AD8007, is a high performance, low noise current feedback amplifier, with a  gain‐bandwidth product exceeding 650 MHz. A current feedback amplifier is also known as a  “transimpedance” amplifier. Analog Devices describes how a current feedback amplifier works:  First, the negative input of a CFA responds to current; the output voltage is proportional to that  current, hence transimpedance (V(out) = Z(t) I(in)). Instead of keeping the negative input current  small by maintaining high input impedance, and using feed‐back and voltage gain to keep the  input voltage difference small, the CFA keeps the voltage difference small by virtue of its low  input impedance (like looking back into a low‐offset emitter follower); and it keeps its net input  current small dynamically by feedback from the output.   When an ideal CFA is driven at the high‐impedance positive input, the negative input, with its low  impedance, follows closely in voltage; and the high gain for error current and the negative  feedback through Rf require that the currents through Rf and Rin be equal; hence V(out) =  V(in)[R(f)/R(in) + 1], just like for voltage‐feedback amplifiers. A major difference is that the slew  rate can be quite high, because large transient currents can flow in the input stage to handle  rapid changes in voltage across the compensating capacitor(s). Also, the low impedance at the  negative input means that stray input capacitance will not substantially affect the amplifier's  bandwidth.   U901’s gain (in dB) is determined by the ratio of resistors R906 and R907:                                                                   Clifton Laboratories will provide interested Z10000 owners with the LTSpice model of the AD8007 and an ...
  • Page 7   Gain   R908, 49.9 Ω, allows U901 to drive capacitive loads, such as coaxial cable and also protects U901 against  operation into short circuits. However, the voltage divider effect of R908, which is in series with the load,  reduces the net available gain into a 50 ohm load by 6 dB.    2.2.3 Gain Setting in the Z10000‐U Buffer Amplifier  To vary buffer amplifier’s gain, select R907 using the following table.  Net Gain (net of R908 series resistance) R907 +15 dB  49.9 Ω +10 dB  100 Ω +6.7 dB  150 Ω +4.3 dB  221 Ω 0 dB  499 Ω ‐2.5 dB  1000 Ω ‐3.5 dB  1500 Ω ‐4.2 dB  2200 Ω   R906 and R901 should not be varied from their design values without a thorough analysis of the circuit.  2.2.4 Values to use with Elecraft K3 Transceiver  When using a Z10000‐U with an Elecraft K3 transceiver to provide additional gain and isolation over that  provided with the K3’s standard IF output port, the following component values should be used:  If you have not made modifications to the K3’s IF sample circuitry, the K3 will exhibit about 15 dB net  transfer loss between the antenna port and the IF output port when measured with the K3’s preamplifier  off and with a 50 ohm instrument on the IF port. In order to bring the transfer gain to 0 dB, build the  Z10000 for 10 db nominal gain. (Approximately  6 dB gain will be added due to the Z10000’s high input  impedance, thereby netting out at 16 dB transfer gain.)  R905: 4K7 Ω  R907: 100R Ω  If you have made the modification to the K3’s IF sample circuit described by Larry, N8LP, at  http://groups.yahoo.com/group/LP‐PAN/files/K3_Buffer_Mod/, the K3’s transfer gain will be increased to ...
  • Page 8: Parts List

      3 Parts List  The Z10000‐U parts are packaged in a several small envelopes.  • Resistors.    • Capacitors   • Printed circuit board   • Semiconductors (AD8007 and 78L09)  When working with capacitors particularly, do not removed the individual parts from their color‐ coded packaging until you are ready to use the component, as their values are not marked on the  part and cannot normally be visually distinguished. Hence, if you mix up the capacitors, you will  have to measure their values with a capacitance meter.  Also, do not confuse 100 ohm 1% resistors (identified as 1000) with 1.0K ohm 1% parts, identified  as 1001.    Note that the schematic identifies parts with the multiplier as the “decimal” point. For example a  1K ohm resistor is identified as a 1K0, and a 49.9 ohm resistor as 49R9.    Typical Photo  Designation Value Marking C901  Not marked C902  0u01 Not marked C903  Not marked C904  0u22 Not marked C906  Not marked C907  Not marked C908  Not marked  ...
  • Page 9   Typical Photo  Designation Value Marking U901  AD8007  AD8007ARZ  1    U902  LM78L09  KA78L09AZ  1    Gain Setting Parts     See manual Section 2.2.3 and 2.2.4 to determine proper value  Optional Resistor Supplied  R905  2201 R905  1101 R907  49R9 49R9 R907  100R 1000 R907  150R 1500 R907  220R 2200   R907  499R 4990 R907  1001 R907 ...
  • Page 10   4 Assembly  4.1 Orientation  Locate the appropriate PCB and orient yourself  with the board. Identify the top and bottom.  The top has silk screening as well as solder    masking.   The photograph shows an earlier version of the  PCB. Later PCBs correct the silk screen error  identifying R907 as R807, and slightly rearrange  other silk screen legends. In addition,  production circuit boards may be slightly  smaller than in the photographs.  The bottom PCB surface is solder masked but  not silk screened. Please use the following  Open annotated photograph for parts placement.  Three capacitors, shown as “Open” in the  photograph are not used in the U version and  hence these pads are unused. The two areas  marked “000” show the location of the two 0  ohm jumpers.  +12V The board shown uses plug‐in headers for test  Bottom View purposes. Your board will normally use direct  C907 wire connections to the power, input and  output pads,  although you  are, of course,  free to use  header pins if  so desired. (The  bottom view  photograph  blanks out a  component ...
  • Page 11: Component Installation

        4.2 Component Installation  The assembly instructions are almost identical for both the K2 and Universal board. Where appropriate,  the following instructions will identify the differences.   Before starting construction, it is necessary to select the  gain programming resistor (R907) and the input    resistor (R905) as described at Sections 2.3. 3 and 2.3.4. Install the surface mount parts o n the top:  Install U901 (AD8007)   Install C901 0.1 uF unmarked  Install C903 0.1 µF, unmarked  Install C904 0.22 µF, unmarked  Install R901 200 Ω, marked 2000  Install R902 (10 Ω, marked 10R0)   Install R903 1 KΩ, marked 1001  Install R904 1 KΩ, marked 1001  Install R906 499 Ω, marked 4990  Install R908 49.9 Ω, marked 49R9   Install C905 0.22 µF unmarked  Select R905 following instructions at Sections 2.3.3, 2.3.4; Install R905   Select R907 following instructions at Sections 2.3.3, 2.3.4; Install R907   Flip the board upside down and install the  remaining surface mount components:  Install C902 0.01 µF, unmarked  Install C906. 1.0 µF, unmarked  Install C907 0.1 µF, unmarked  Install C908 0.1 µF, unmarked  Install L901 bypass Zero‐ohm jumper marked 000  Install L902 bypass Zero‐ohm jumper marked 000  The two zero‐ohm jumpers are slightly small for the pad spacing but will work if you carefully center the   parts on the pads. After soldering one end of each zero ohm jumper in place, check for an inadvertent  Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation     ...
  • Page 12   short to ground. Both ends of both pads should be open circuit to ground when measured with an  ohmmeter. Check again after soldering the second end of each zero ohm jumper.  Now install the through‐hole part:  Install U902. This is a 78L09 3‐terminal regulator in a TO‐92 package. Note the orientation of the  device as shown in the silk screen outline. You will have to form the leads to fit the hole.     4.3 Checkout  Before applying power, make the following resistance checks. The data presented is taken with a  Fluke 189 digital multi‐meter and different meters may provide differing readings. However, any  significant variance from these values should be investigated for potential problems. The negative  meter lead should be connected to a ground point on the Buffer Amplifier PCB. The test point (TP)  Key numbers are depicted in the photograph below.    Measuring Point  TP Key Reading Comments J902 (+12 V input)  1  2.5 K This value may vary considerably from  ohmmeter to ohmmeter.  J901 input pad  2  infinite Should be infinite to ground as DC is  blocked by C901  J903 output pad  3  infinite Should be infinite to ground as DC is  blocked by C905.  U901, pin 7 (Vcc)  4  2.0 KΩ Reading dominated by R903/904   voltage divider impedance.  U901, pin 6 (output)  5  5 MΩ...
  • Page 13: Troubleshooting

        5. Troubleshooting  The Buffer Amplifier is a simple circuit and there are only two active devices to present problems; the  voltage regulator, U902 and the AD8007 amplifier, U901.  Faults in U902 can be easily located by measuring the input and output voltage across the regulator. With  12 V input, the regulator output should be 9 V ± 0.5 V. If it is above 9 V, the 78L09 is likely defective. If it is  below 9 V, then before determining that the 78L09 is defective, the possibility of a short circuit or low  impedance load on the regulated output must be first eliminated.  Faults in U901 will normally manifest themselves as reduced gain or reduced signal level output from the  Buffer Amplifier. In this case, where the supply and regulated voltages are within range, it may be best to  conduct a gain test. Note: The schematic following is of the Z10000‐K2 version. All DC voltages are  identical with the –U version, however.  Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 12 ...
  • Page 14     5.1 Schematic with Nominal DC Voltage Values and Normal  Schematic     Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 13 ...
  • Page 15     Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 14 ...
  • Page 16: Warranty

      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 Z10000 due to defective parts or, if the Z10000 was assembled by Clifton Laboratories,  workmanship, 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 Z10000 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 acid‐core solder, water‐soluble flux solder, or any corrosive or conductive flux or solvent will  void this warranty in its entirety. 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 amateur radio equipment  resulting from use of the Z10000, whether in accordance with the instructions in this Manual or  otherwise.    Clifton Laboratories – Z10000‐U Buffer Amplifier Assembly and Operation      Page 15 ...

Table of Contents