Clase Nro

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA • El diseño de amplificadores banda ancha trae consigo nuevas dificultades, • Para resolverlos se necesita experiencia y cuidado. • En principio se debe compensar la transferencia de frecuencia, por medio del parámetro S21, • Incorporando un sistema de retroalimentación o de acoplamiento adecuado. • Para el diseño de problemas simples se hace uso de Programas CAD y CAE (Computer Aided Education). • CARACTERÍSTICAS DE LOS PROBLEMAS DE DISEÑO TÍPICOS: • LA DEPENDENCIA DE FRECUENCIA QUE PRESENTA | S21| Y | S12|. • Típicamente disminuye | S21| y | S12| aumenta con el incremento de frecuencia: 6dB/Octava (Factor 2) 10dB/Década (Factor 10) • En la figura a continuación se representa la respuesta de frecuencia: • De | S21|, | S12| y | S12S21| • La variación que se aprecia con la frecuencia de | S12S21| es muy importante: • Debido a que la estabilidad depende de este valor.

• Los parámetros de dispersión S11 y S22 presentan también una dependencia de la frecuencia, • Lo que genera junto con el sistema de acoplamiento, • Un error de acoplamiento, • Como consecuencia disminuye la Ganancia de amplificación. • Para solucionar este problema existen básicamente 4 Procesos, • Sistemas de acoplamiento compensados, • Retroalimentación, • Amplificadores balanceados y distribuidos. AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA. SISTEMAS DE ACOPLAMIENTO COMPENSADOS • El sistema de acoplamiento compensado es un proceso que consiste para el caso mas simplificado en:

• Generar para la frecuencia central un determinado grado de desacoplamiento en la entrada y salida de los transistores. • Dentro de la función de transferencia correspondiente al sistema permanece la amplificación aproximadamente constante dentro de un determinado rango de frecuencia. • La causa de la generación del grado de desacoplamiento es: • Con incremento de la frecuencia para un buen dimensionamiento del sistema que significa una disminución de parámetro | S21|, • Se mejora el acoplamiento. • Esta mejora se aprecia: • En que una gran parte de la potencia se entrega al transistor, y una gran parte de potencia también entrega el transistor a la carga. • Con mucha frecuencia diseñan los sistemas de entrada • Al contrario el se desacoplamiento se incrementa al y de salida la frecuencia. disminuir con líneas Microstrip, especialmente por debajo de los 6GHz, • Debido a que las características de ancho de banda en principio, • Están determinadas por el factor de calidad de los transformadores de las líneas.

• La primera figura a continuación muestra un amplificador diseñado para el rango de frecuencia de 1,75 hasta 6GHz, • Es posible el diseño de módulos amplificadores con respuesta banda ancha sobre varias octavas, • Haciendo uso de técnicas combinadas de sistemas de retroalimentación y de acoplamiento. • La segunda y tercera figura a continuación muestran amplificadores híbridos, • Sobre la base de un MESFET de 900µm en la técnica de: • Componentes convencionales discretos entre 100MHz y 6GHz,

• Amplificadores banda ancha de GaAs híbrido con sistema de acoplamiento a base de componentes convencionales discretos para un ancho de banda entre 1,75 y 6GHz.

• Amplificador híbrido ultra banda ancha de GaAs con retroalimentación y un acoplamiento sencillo con línea Microstrip para un ancho de banda de 0,35 hasta 14GHz.

• Circuito básico de un amplificador banda ancha con una posible retroalimentación negativa, condensadores de rechazo y de derivación y componentes reactivos de compensación.

• La desventaja de un diseño simplificado se presenta en que: • Necesariamente la entrada y la salida del amplificador tendrán un determinado grado de desacoplamiento. • Para superar esta desventaja, • Se plantean diseños como el de la figura a continuación, Como un amplificador ancha de dos etapas. • En •este amplificador de dosbanda etapas: • La función del sistema de acoplamiento de entrada es la de compensar la respuesta de frecuencia del parámetro S11(ω), • El sistema de acoplamiento de salida compensa sólo los efectos de S22(ω), con esto se logra igualmente acoplamiento a la entrada y a la salida del amplificador.

Amplificador banda ancha de dos etapas

• PRIMER PASO: • Analicemos un circuito amplificador con la característica donde: • La retroalimentación negativa es resistiva pura. • Se debe considerar también el caso muy frecuente, • De la combinación de retroalimentación negativa, • Serie y paralela • Usando un transistor bipolar de Si en la configuración de emisor común • Con las expresiones siguientes se pueden estimar los datos característicos de circuito,

• Con ayuda de resistencias puras de retroalimentación, se disminuye para operación de bajas frecuencias, la ganancia de amplificación, • La impedancia de entrada y de salida. • El ancho de banda es posible incrementarla disminuyendo la ganancia de amplificación.

• Es posible lograr un incremento de la Ganancia de Amplificación, • Para un producto Ganancia de amplificación por ancho de banda constante, • Si se hace uso de dos transistores npn como Amplificador integrado • SEGUNDO PASO: Darlington • Se deriva para un MESFET de GaAs con ayuda de los parámetros S, • Un modelo para la retroalimentación de baja frecuencia válida para una región aproximadamente de 1,5GHz. • Para limitar el coeficiente de ruido a un valor pequeño, es recomendable una retroalimentación negativa paralela. • RS es la resistencia parasitaria de fuente del Transistor.

• De acuerdo a la figura siguiente, • Se agregan elementos reactivos en el circuito, • Con lo cual se incrementa el ancho de banda. • Además disminuye el factor de retroalimentación negativo en las bandas de frecuencias superiores, esto se logra: • Puenteando capacitivamente con CS la resistencia de la fuente, • A través de una compensación inductiva paralela a la entrada y la salida con LG2 y LD1. • Con una compensación inductiva en serie en la entrado con LG1 en la salida con LD1, • Así como con un inductor LF en la rama de retroalimentación.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHO BALANCEADO CON LÍNEA ACOPLADORA DE 3dB BRANCH • Un amplificador balanceado de acuerdo a la figura a continuación es otro método para ampliar el ancho de banda: • Donde se conectan en paralelo dos amplificadores tanto del lado de entrada como de salida, • A través de una línea acopladora de Branch de 3dB o acoplador híbrido de 900 • Con esto el acoplador de longitud λ/4 de entrada, divide equitativamente la potencia de entrada entre ambos amplificadores, • El acoplador de salida superpone las señales vectorialmente de nuevo.

• Se comprueba que es válido para los Parámetros de Dispersión Sij (i,j=1,2) mostrados en la figura a continuación:

Amplificador balanceado con acoplador de línea Branch de 3dB

• La matriz de dispersión del acoplador de 3dB en la frecuencia central, se expresa como:

• Para el caso de ser ambos amplificadores son idénticos: • Es válido para todo el sistema amplificador independiente de posibles desviaciones del acoplamiento de acuerdo a la ecuación de arriba con S11=0 y S22=0. • La amplificación y la retroalimentación correspondiente a los valores de una sola etapa. • El ancho de banda del amplificador está limitado por el ancho de banda del acoplador direccional.

• Ventajas del amplificador balanceado: • Cada amplificador individual puede ser diseñado para: • Un máximo ancho de banda, lo que significa que se muestre una respuesta plana de ganancia de amplificación. • Y bajo coeficiente de ruido. • Donde no afecta la relación de ondas estacionarias resultante, la cual es dependiente de la frecuencia • Sólo bajo la condición que ambos amplificadores sean exactamente iguales. • Alta estabilidad haciendo uso de un alto nivel de desacoplamiento. • Desventajas del amplificador balanceado: • Alto consumo de corriente. • Elevado costo de los componentes. • Se incrementa las dimensiones del equipo final. AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA. DISTRIBUIDOS DE ONDAS DE PASO. • DESCRIPCIÓN DEL AMPLIFICADOR DE ONDA VIAJERA, • Con esta técnica se amplía el proceso clásico de amplificación banda ancha.

• El tiempo de tránsito de la señal del punto, 1 a través del 2 hacia el punto 6, • Es idéntico al tiempo de tránsito de la señal del punto, 1 a través 5 hacia el punto 6. • Esta condición se puede lograr con el diseño adecuado de las líneas de transmisión de acoplamiento en la compuerta y drenaje, • En estos diseños, las líneas de transmisión de retraso tanto en cada compuerta y drenaje individual, presentan la misma longitud.

Representación esquemática de un amplificador de onda viajera de cuatro etapas con FET. También denominado amplificador distribuido de una dimensión.

La ventaja de este tipo de circuito comparado con: • La conexión paralela de varios FETs, es: • Que se suman las pendientes gmi de los componentes, • Pero no se superponen las capacidades de: • Compuerta • Drenaje. El producto de la Ganancia de amplificación por ancho de banda, • Es constante para la conexión simplificada en paralelo de FETs, • Pero se incrementa con el número n de FETs usados en amplificador de onda viajera.

• Para condiciones de operación normales, • Se propagan las ondas en las líneas de transmisión de la compuerta y del drenaje, • Aproximadamente sincronizadas entre si, • Esto implica que sea válido: • βglg ≈ βdld • Si además se suponen, • Líneas de transmisión con baja atenuación, se puede estimar que sea válido: • | γg | ≈ | βg |, | γd | ≈ | βd | y Zg ≈ Zd =ZO • La expresión de la Ganancia se reduce a la relación siguiente:

• Para la Ganancia se obtiene la siguiente expresión:

• Ganancia de Amplificación en función de la frecuencia para diferentes •número Respuesta de frecuencia de la de etapasde Amplificación para Ganancia diferentes Resistencias de drenaje internas rd y para n=4. • Respuesta de frecuencia de la Ganancia de Amplificación para diferentes Resistencias Internas de Compuerta rg y para n=4.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO • Dentro de los diseños de Amplificadores de Microondas, así como se usan sistemas de tres y cuatro polos activos, • Sistemas activos de un puerto o dos polos también encuentran aplicación. • Los sistemas activos de un puerto, muestran una componente real negativa en la Impedancia de sus bornes, • Bajo determinadas condiciones de operación. • Se conocen en este grupo de componentes: • El diodo túnel, • El diodo IMPATT, • El elemento Gunn, • El diodo VARACTOR.

• Para la Ganancia de transmisión dada con la ecuación anterior, • Se obtiene, la relación:

• Usualmente se diseñan amplificadores como: • Sistemas activos de un puerto, como amplificadores de reflexión. • En estos sistemas se separan unos de otros, con un circulador, el cual es un elemento transmisión asimétrico, • Generador, impedancia de carga, y resistencia negativa.

• Representación básica de un amplificador de reflexión.

• La Ganancia de amplificación de operación disponible máxima del amplificador de reflexión, esto significa, bajo la condición de: • Acoplamiento en la entrada y en la salida, para un circulador libre de pérdidas, es igual al cuadrado del módulo del Factor de Reflexión en el puerto 2.

• La temperatura de ruido efectiva en la entrada del amplificador se expresa para un acoplamiento dado en la entrada y en la salida:

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL • Los diodos túnel están formados por uniones pn de semiconductores tipo p o n altamente dopados, • Entre 1019-1020 átomos/cm3. • La figura de la lámina siguiente muestra el circuito equivalente de pequeña señal de un Diodo Túnel, • El punto de trabajo A se ubica según la curva característica siguiente, en la región de caída de la curva.

• Curva característica de un diodo túnel con su punto de operación A. • UH: Tensión de protuberancia aprox. 60mV para Germanio y 100mV para GaAs. • UT: Tensión de depresión aprox. 250 hasta 450mV para Germanio y de 450 hasta 650mV para GaAs, corresponde al punto de inflexión un diodode normal. • Lade respuesta operación queda limitada para las altas frecuencias por: • La Capacidad de bloqueo superficial Cj, la Resistencia de trayectoria RB. • LS representa la inductividad de conductividad interna.

• De acuerdo a la figura anterior, • Se obtiene, convirtiendo en las magnitudes Series Rns y Cs con τ= RnCj.

• La frecuencia de operación tiene que ser menor que la frecuencia de corte fc.

• Con los diodos túnel de microondas se pueden alcanzar frecuencias de corte de hasta 100GHz. • La componente imaginaria de la impedancia Z(ω) se hace cero, • Para la frecuencia de resonancia intrínseca del diodo fr.

• Con la figura siguiente se obtiene el circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel representado en la figura b) de la lámina siguiente.

a) Circuito básico de un amplificador de diodo túnel en circuitos series. b) Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel

• Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel con circulador

• De acuerdo a la figura y las ecuaciones anterior se obtiene la Ganancia de Potencia de Transmisión:

• Se observa que: • Para f < fr, • La componente imaginaria de la impedancia del diodo puede ser compensada por medio de: • Lz, por ejemplo para el medio de la banda de frecuencia del amplificador ωm. • Compensando además la componente real de la impedancia en el denominador, Es posible alcanzar una alta Ganancia de amplificación de potencia. • La condición para ajustar la suma de las resistencias interna del generador, de trayectoria y de carga, se expresa a continuación:

• Para el Amplificador con Circulador anterior se expresan las condiciones de estabilidad a continuación:

• Es necesario tomar en consideración en el diodo túnel: • Como fuente de ruido interna: • El ruido granular de la corriente continua del diodo Io en el punto de trabajo, así como: • El ruido térmico generado por la resistencia de trayectoria RB para la temperatura del diodo de TD. • Para un amplificador y con Rn y Rns de la figura y expresiones anteriores, se puede obtener la siguiente expresión para la temperatura de ruido efectiva mínima para alta amplificación: AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CON ELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA • El elemento Gunn presenta para determinadas frecuencias, una Conductancia Negativa Diferencial. • En la región de movilidad diferencial negativa • Para concentraciones de dopado por debajo de los valores críticos, • NDw <1012cm-2 para GaAs, ND: Densidad de Donadores, • w: Longitud de la zona activa.

• Sin que aparezcan dominios permanentes. • Estas características de operación del Elemento Gunn se aprovecha para generar Ganancia de Amplificación de la Señal. • La frecuencia mas baja para la cual esto ocurre, • Coincide con el valor del inverso del tiempo de tránsito de dominios t. • Con el diodo IMPATT: Impact Avalanche Transit Time • Con diodos TRAPATT: Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit, • Se pueden alcanzar altas potencias de salida, • En modo de operación de pulsos, • Como la que se necesita en aplicaciones de RADAR. • Para sobre tensiones muy altas en operación de polarización inversa, las potencias corresponden los valores alcanzados en modo de operación de oscilador. • En la figura de circuito equivalente este tipo de amplificador se muestra en la lámina a continuación:

• Las figuras b) y c) a continuación muestran dos posibles configuraciones del sistema de transformación, • Sin la alimentación de corriente continua. • En la figura b) se logra la respuesta de impedancia deseada, • Por medio de las dos líneas se transmisión conectadas en serie a diodo. en la figura c) se conecta el diodo al circulador • A través de un acoplador λ/4 Microstrip. • La ganancia de amplificación alcanzada por este tipo de amplificador, • Está en el orden de aprox. 5 hasta 10dB. • Se pueden lograr anchos de bandas de 10 hasta 20%.

b) Configuración de un sistema de transformación con líneas de transformación en serie. c) Configuración de un sistema de transformación con acopladores con λ/4 en técnica Microstrip.