Подружить Xiegu с Icom: подключение усилителя GPA-100 к IC-705

Китайская компания Xiegu предлагает радиолюбителям не только трансиверы, но и два весьма годных усилителя с выходной мощностью 100 Вт для совместного использования с портативными QRP аппаратами. Конечно же, они в основном предназначены для работы с трансиверами Xiegu — G90, X6100 и X6200. Но эти усилители популярны и среди пользователей других QRP трансиверов, например, IC-705. И тут возникает проблема несовместимости ALC, заставляющей внимательно следить за уровнем мощности, подаваемым на усилитель. Другой момент связан с использованием внешнего автоматического тюнера: если стационарные трансиверы Icom автоматически снижают мощность до нескольких ватт при настройке тюнера, тюнер, подключенный к IC-705 и усилителю, требует внимательности: перед настройкой нужно нажать на усилителе кнопку BYPASS (BYP), и если этого не сделать, сжечь можно и тюнер, и выходной каскад усилителя. Предлагаемое устройство решает обе эти проблемы.

Усилитель GPA-100 и его подключение к Icom

Фирма Xiegu выпускает сейчас две модели усилителей: XPA-125B и GPA-100. Отличаются они прежде всего наличием встроенного тюнера в первой модели. Из‑за цены и того, что тюнер лучше ставить ближе к антенне, я остановился на втором, у которого вдобавок более удобное управление. Однако тут же столкнулся с тем, что с моим трансивером IC-705 этот усилитель (как, впрочем, и первый) совместим не вполне. Главная проблема — это то, что Xiegu выбрала совершенно нестандартный способ передачи сигнала ALC.

ALC (Automatic Level Control) — это система автоматического регулирования выходной мощности, предназначенная с одной стороны для поддержания ее одинаковой на разных диапазонах и стабильной во времени, а с другой — для защиты усилителя от повышенного КСВ и других аварийных ситуаций. Увеличение уровня сигнала ALC приводит к снижению мощности «раскачки», подводимой к выходному каскаду, а сам этот сигнал формируется суммированием нескольких источников: датчиков прямой и отраженной волн, температуры, тока, потребляемого выходным каскадом — а также внешнего сигнала, который позволяет включить в данную систему еще и внешний усилитель, исключая необходимость для пользователя следить за уровнем мощности, подаваемой на вход усилителя, чтобы получить номинальную мощность на выходе.

Почти во всех, за редчайшими исключениями, промышленных трансиверах внешний сигнал ALC представляет собой отрицательное напряжение от 0 до -4..10 В, различаясь от фирмы к фирме по уровню порога и уровню достижения минимальной мощности, а также по уровню сигнала, безопасному для входных цепей. К примеру, в трансиверах Icom и -4 В соответствует максимальному уровню ALC и минимальной мощности на выходе, а напряжение около 2,5 В примерно соответствует порогу начала работы ALC. По‑иному работают трансиверы Xiegu: здесь напряжение ALC положительное, от 0 до +3,3 В, и максимальному уровню ALC соответствуют +3,3 В. Почему сделано именно так — одним разработчикам известно, но подозреваю, что они просто поленились добавлять в систему еще один источник питания, а то и просто завели внешний сигнал ALC напрямую на аналоговый вход микроконтроллера.

По этой причине подключать выход ALC усилителя к соответствующему входу IC-705, например, используя комплектный кабель L4001 (как, между прочим, сказано в одной из версий прилагаемой к усилителю инструкции!), нельзя: это может привести к поломке и того, и другого. Другая, более правильная, версия инструкции предлагает подключать к разъему SEND/ALC трансивера только линию PTT, настраивая входную мощность вручную. Делать это, к слову, нужно очень аккуратно: усилитель очень легко и непринужденно раскачивается до недопустимо большой мощности, а уровень раскачки, соответствующий 100 Вт, на каждом диапазоне свой, и его нужно держать в голове, настраивая мощность при переходе с диапазона на диапазон. Защита, конечно, есть — но не стоит испытывать судьбу и надежность ее работы.

Тюнер

Как я говорил выше, тюнер у меня внешний — LDG‑Z100. Хотя и для IC-705 заявлена совместимость только с единственным (причем, снятым с производства!) специально предназначенным для этой модели тюнером AH-705, компания Icom не стала изобретать ничего нового в плане протокола, и к нему подходит любой тюнер, совместимый с Icom AH-4. В том числе, с ним прекрасно работает и эта модель. Подключается он обычным аудиокабелем «мини‑джек — мини‑джек», кроме того, его нужно запитать от любого блока питания или аккумулятора на 9–15 В. Также прекрасно работает и mAT-180H, в инструкции к которому прямо и недвусмысленно написано, что с IC-705 он не работает.

Практически сразу же я совершил роковую ошибку, столкнувшись с тем, что когда при нажатии экранной кнопки Tuner трансивер включается на передачу для настройки, он выдает сигнал SEND, который дергает PTT усилителя. Почему разработчикам из Icom не сделать по‑другому — не понятно. По‑видимому, потому что они и не предполагали возможность работы IC-705 совместно с внешним усилителем и тюнером (напомню: «официальный» тюнер для этого трансивера один единственный AH-705, на который нельзя подавать больше 10 Вт — какой тут усилитель?). Так что если забыть нажать кнопку BYP на усилителе, это очень плохо закончится для контактов реле тюнера, которые там применены поляризованные двухобмоточные. Такие реле дефицитны и весьма дороги. Ремонт тюнера (вернее, покупка 14 штук новых реле — о стоимости труда по их выпайке и очистке отверстий перед запаиванием новых умолчим) обошелся почти в цену нового тюнера mAT-180 или половину цены LDG Z100 на вторичном рынке, так что мне хотелось устранить возможность повторения такой ошибки в будущем. К счастью, защита усилителя отработала вовремя, практически моментально после начала настройки переключив его в режим обхода, и мне не пришлось менять еще и пару транзисторов RD100HHF1 в нем.

Поэтому нужна была схема, которая распознает обращение к тюнеру и заблокирует прохождение сигнала PTT (SEND) на усилитель, устраняя необходимость в манипуляциях с кнопкой BYP перед настройкой. В итоге я решил объединить в одном устройстве схемы согласования уровней ALC и защиты тюнера.

Конструкция

Схема блока сопряжения (при этих словах в памяти всплывает забытое понятие «бормотограф») приведена на рисунке. Она состоит из двух независимых частей: преобразователя полярности сигнала ALC и логики работы с сигналами тюнера. Преобразователь сигнала ALC положительной полярности (на схеме обозначен, как PALC) в отрицательную собран на ОУ DD3 как обычный инвертирующий усилитель, коэффициент усиления которого, устанавливаемый номиналами резисторов R1 и R2, выбран таким, чтобы PA выдавал 100 Вт и не превышал эту мощность. Питается ОУ от стандартного источника отрицательного напряжения на ICL7660. Кому‑то может показаться странным, что вывод положительного питания ОУ заземлен — но поскольку выходное напряжение лежит только в отрицательной области, положительное напряжение питания не требуется и такое включение абсолютно работоспособно для КМОП Rail to rail ОУ при невысоких требованиях к точности и линейности вблизи "рельс". Заодно усилитель физически не сможет выдать на линию ALC плюс.

Обратите внимание на то, что микросхема ОУ обозначена, как LMV321A. LMV321 без буквенного индекса у ряда производителей (например, TI) все еще является половинкой от LM358 на биполярных транзисторах, и не является Rail to Rail по входам. В такой схеме включения работать она не будет! Сверьтесь с datasheet'ом именно на тот вариант, который собираетесь ставить. Спокойно можно ставить LMV321ILT от ST. Подойдет также MCP6001T‑I/OT или любой другой КМОП ОУ с Rail to Rail по входу и выходу, рассчитанный на однополярное питание 5 В с аналогичной распиновкой (на худой конец, исправить плату несложно).

Схема на элементах DD1, транзисторе VT1 и диодах VD3, VD4 распознает активацию тюнера и вырабатывает сигнал INHIBIT высокого уровня, подача которого на затвор VT2 закрывает его и не позволяет реле К1, обмотка которого подключена к выходу SEND трансивера, сработать. Почему реле? Потому что так предписывает руководство по эксплуатации трансивера, а опыт эксплуатации этой модели свидетельствует о нежелательности подключения к выходу SEND каких-либо нестандартных конструкций. Ремонту «правой» платы разъемов этого трансивера в этой связи посвящено не одно и не два видео на Youtube, а сама плата (в усиленном варианте и с разъемом Type C) даже освоена в производстве китайцами и продается на маркетплейсах.

Для рассмотрения работы логики, опознающей запуск тюнера следует сначала разобраться с тем, как тюнер взаимодействует с трансивером.

Тюнер Icom AH4 и совместимые с ним имеют вход START и выход KEY. С помощью линии START трансивер передает команды тюнеру (а при использовании кнопки на тюнере — трансивер сам слушает линию START, к которой присоединена кнопка), а с помощью линии KEY тюнер заставляет трансивер передавать. Оба входа представляют собой «открытый коллектор», то есть активным уровнем является низкий, а высокий уровень обеспечивается подтяжкой к питанию. Принят следующий протокол взаимодействия с трансивером.

— Для отключения (перевода тюнера в режим «обход»): трансивер выставляет низкий уровень на линии START на 70 мс, либо пользователь кратковременно нажимает кнопку на тюнере. Тюнер молча отключается. Трансивер никакого подтверждающего сигнала не получает.

— Для начала настройки: трансивер выставляет низкий уровень на линии START на 560–600 мс. Примерно через 300 мс, нужных для того, чтобы запустился код в микроконтроллере, тюнер «просыпается» и выставляет низкий уровень на линии KEY. Трансивер начинает передачу на пониженной мощности после окончания сигнала START. После появления ВЧ сигнала достаточного уровня на входе тюнер начинает выполнять настройку антенны и после достижения результата отпускает линию KEY. В случае неудачной настройки тюнер отпускает линию KEY на 20 мс и вновь выставляет на ней низкий уровень на 200 мс, после чего окончательно отпускает линию KEY. Последнее соответствует поведению оригинального AH-4, совместимые модели зачастую никак не оповещают трансивер о неудачной настройке (в том числе и LDG Z100). При таком режиме тюнер учитывает предыдущие циклы настройки, происходившие на близкой частоте передачи для быстрого достижения результата.

— Для очистки памяти и повторения цикла настройки: длительность импульса низкого уровня на линии START составляет 3 секунды. Реакция тюнера соответствует предыдущему варианту, за исключением того, что тюнер сбрасывает ранее сохраненные в памяти настройки и полностью повторяет настройку с нуля.

Линия KEY имеет ту особенность, что низкий уровень на ней появляется со стороны трансивера при любой передаче, а не только при активации тюнера, фактически дублируя линию SEND разъема SEND/ALC. Так что для выработки сигнала INHIBIT придется обязательно учитывать и сигнал START.

Сам сигнал INHIBIT вырабатывается RS-триггером на двух инверторах DD1.4 и DD1.5, перебрасывание которого осуществляется "пересиливанием", для чего в обратные связи включены резисторы R6 и R7, а сигналы с активным низким уровнем подаются через диоды VD3 и VD4. Триггер устанавливается сигналом START, а сбрасывается только тогда, когда оба сигнала (START и KEY) неактивны в течение ~ 70 мс. Короткие паузы (дребезг контактов кнопки тюнера или сигнал о том, что настройка не состоялась) поглощаются каскадом VT1R5C3 с последующим инвертором — триггером Шмитта. Сигналы START и KEY приводятся к логическим уровням цепочками VD7R11 и VD5R10 соответственно.

Питается схема напряжением +8 В со стороны усилителя с контакта 8 разъема ACC через интегральный стабилизатор DA1

Смонтирована конструкция на двусторонней плате размером 87×30 мм. На плате предусмотрено место для монтажа клеммы заземления, а для подключения к внешнему миру — три гнезда MiniJack TRS и один разъем MiniDIN8, идентичный по распиновке соответствующему разъему ACC на усилителе.

Плату поместите в красивый корпус. Можете установить на нем крутилку ALC Level (заменив переменным резистором один из резисторов обратной связи DA3) и разукрасить корпус светодиодами (питание, TX, Tune...). А кто первым и не гугля узнает цитату — тому плюс в карму.

Подключение

Блок сопряжения подключается по разъему ACC (XS3) к усилителю кабелем MiniDIN8-MiniDIN8 из комплекта усилителя GPA-100, а к тюнеру (XS4) — обычным аудиокабелем с двумя стерео миниджеками. Трансивер подключается к плате такими же двумя миниджековыми проводами к разъемам SEND/ALC (XS1) и Tuner (XS2). При первом подключении нажмите на усилителе кнопку BYP. Активация тюнера не должна вызывать включения на усилителе светодиода TX. Затем проверьте, что при передаче несущей по мере увеличения входной мощности выходная растет, достигая примерно 100 Вт и дальше не увеличивается, при этом на выходе ALC, подаваемом на IC-705, устанавливается отрицательное напряжение примерно в 3..3,5 В. Если это не так (ограничение мощности наступает раньше или наоборот, не достигается на 100 Вт), подберите R1 или R2. Увеличение коэффициента усиления (больше R1 или меньше R2) повышает уровень ALC и приводит к уменьшению выходной мощности.

При работе с тюнером рекомендуется устанавливать на трансивере мощность 3-5 Вт. Этого достаточно как для работы LDG Z100 или Z11 Pro, так и mAT-180H или MFJ-939I, такой уровень мощности бережет выходной транзистор в IC-705 при плохой настройке, и еще нет необходимости включать ATT на усилителе. При работе усилителя подводимая мощность автоматически снизится системой ALC до 1,5..3 Вт в зависимости от диапазона и экземпляра усилителя, обеспечивая щадящий режим для выходного каскада трансивера и минимальный его нагрев.

Детали

Плата рассчитана на установку резисторов и керамических конденсаторов типоразмера 0603, за исключением С3 и С8 типоразмера 0805. C2 и С19 — танталовые конденсаторы типоразмера C с номинальным напряжением 16 В. Микросхемы в корпусах SOIC (DD1, DA2), SOT23-5 (DA3), SOT-89. Диоды любые кремниевые импульсные в соответствующем корпусе (SOD323), к транзисторам также нет особых требований и заменять их можно подходящими, имеющими соответствующую структуру (VT2 должен, конечно, открываться от -5 В на затворе). ОУ подойдет любой КМОП‑структуры общего применения, в корпусе SOT23-5 с соответствующей цоколевкой (имейте в виду, что существуют минимум три ее варианта!), например, MCP6001T‑I/OT или TLV9001IDBVR. Особой прецизионности и частотных характеристик тут не требуется, а только Rail to rail как по входам, так и по выходам. 74HC14 (DD1) заменима на соответствующую из AC серии. На 74HC04 ее менять нельзя, так как на вход DD1.3 поступает не четкий цифровой уровень, а плавно меняющееся напряжение. Гнезда MiniJack применены типа KLS1-TSJ3.5–013, а MiniDIN8 — MCC-5239.8P. Реле применимо любое герконовое в корпусе SIP-4 с катушкой на 5 В с током срабатывания не более 10 мА, например, S1A050000, SIL05-1A72-71D. В некоторых таких реле уже имеется защитный диод, и устанавливать их на плату нужно с учетом полярности, и в таком случае VD2 не нужен.

* * *

Описанное устройство трудится в моем шеке с весны, и работает вполне надежно. KiCad-проект можно скачать по ссылке.