Clase06
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- Pages: 25
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA NUCLEO DE ELECTRONICA Y SISTEMAS DIGITALES CIRCUITOS DE ALTAS FRECUENCIAS
CIRCUITOS DE ALTAS FRECUENCIAS
Reyes Vargas Emily Carolina C.I. 16.611.374
San Cristóbal, Junio de 2008.
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).
Se puede determinar un compromiso entre: • Superficialidad del amplificador, ruido, estabilidad, Impedancia de entrada y de salida.
Usando uso de procedimientos de optimización adecuados, como: • Método Monte-Carlo. • Determinación del Gradiente. • Optimización evolutiva.
Comportamiento típico de la dependencia de frecuencia de los parámetros |S12|, |S21| y |S12S21|
Genera 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:
• Un incremento de la frecuencia para un buen dimensionamiento del sistema que significa una disminución del parámetro |S21|, 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. • Al contrario el desacoplamiento se incrementa al disminuir la frecuencia.
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 amplificador banda ancha de dos etapas.
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 Darlington, Este circuito consiste en Colectores interconectados para los dos transistores que incorpora el sistema de retroalimentación negativa. Como efecto se aprecia un incremento del Coeficiente de Ruido mayor que el que aparece para un transistor solo, esto se debe al desacoplamiento leve interno.
•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.
Con esta técnica se amplía el proceso clásico de amplificación banda ancha.
Para determinar la Ganancia Independiente del número de etapas n así como de los parámetros del circuito. Se hace uso del circuito equivalente
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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
Las condiciones de estabilidad exigen, que se cumpla: Rn
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
• 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 de transmisión asimétrico, Generador, Impedancia de carga, y Resistencia negativa. • De esta forma el sistema amplificador de un puerto, se amplía convirtiéndose en un sistema amplificador de dos puertos.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
La resistencia negativa –Rn, Genera un Factor de Reflexión con el módulo, |r2|>1, en el puerto 2 del Circulador. La potencia entregada al puerto 1 por el generador de señales, se alimenta, agregando Ganancia de amplificación, a la resistencia de carga RL a través del puerto 3. En el puerto 4 se cierra el circulador, conectando una resistencia libre de reflexión Zo. Esto se hace para evitar los efectos de una retroalimentación del puerto 3 hacia el puerto 1. Representación básica de un amplificador de reflexión.
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. El punto de trabajo A se ubica según la curva característica siguiente, en la región de caída de la curva. UH: Tensión de protuberancia UT: Tensión de depresión 1: Efecto túnel directo 2: Efecto túnel indirecto. A través de niveles de Trap. 3: Curva característica de flujo de Shockley.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito equivalente de pequeña señal de un Diodo Túnel • En un amplio rango de operación en la región de las microondas, la resistencia negativa dinámica –Rn con Rn>0, es independiente de la frecuencia. • La respuesta de 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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito básico de un amplificador de diodo túnel en circuitos series.
Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel con circulador
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CON ELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA •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.
Amplificador de reflexión con Diodo TRAPATT.
AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CON ELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA
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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS PARAMÉTRICO DE REACTANCIA • El amplificador paramétrico se usa como amplificador de bajo ruido, debido a que básicamente es un elemento reactivo, no genera Ruido Térmico. • Se usa junto a ferritas en la generación de efectos no lineales. • También encuentra aplicación con diodos VARACTO capacitivos. la mas importante aplicación se encuentra como Amplificador de muy alta sensibilidad en la región superior de las ondas ultra cortas y de microondas. • Son altamente utilizados para: •En equipos de radar, •En la radio astronomía en las mediciones de las radiaciones interestelares.
• Actualmente el desarrollo de transistores semiconductores modernos a desplazado totalmente la aplicación de los amplificadores paramétricos de microondas, • Los bajos coeficientes de ruido que se alcanzan con los amplificadores paramétricos para, • Frecuencias de bombeo muy altas, y • Frecuencias y amplitudes críticas de ajuste, exactas • Muchas veces con uso de disipadores de calor. • Se pueden realizar hoy con FETs. • Los amplificadores paramétricos se usan hoy en la región de los THz y en la tecnología óptica. • El proceso mecánico descrito anteriormente es lineal, • Sin embargo, los procesos en reactancias variables reales son no lineales, • Por ejemplo un diodo capacitivo presenta una capacidad no lineal, • Por lo tanto tiene una relación no lineal entre tensión y carga, • Este efecto no lineal asegura que se pueda bombear energía para frecuencias mas altas como fp=2fs, • Un análisis más preciso muestra, • Que para fp más elevadas, se mejora la respuesta de ruido. • Se utilizan osciladores de bombeo hasta fp=9fs. Aprovechando la característica de amplificación, • Se obtiene el Amplificador Directo, • En el cuál la frecuencia de entrada y de salida son iguales. • Si además la frecuencia de bombeo es exáctamente 2fs, • Se denomina Amplificador degenerado. • La característica no lineal del componente reactivo de un amplificador paramétrico, • Se puede usar como Mezclador de bajo ruido, • Con un circuito externo y elección adecuada de la frecuencia de bombeo.
CIRCUITOS DE ALTAS FRECUENCIAS
Reyes Vargas Emily Carolina C.I. 16.611.374
San Cristóbal, Junio de 2008.
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).
Se puede determinar un compromiso entre: • Superficialidad del amplificador, ruido, estabilidad, Impedancia de entrada y de salida.
Usando uso de procedimientos de optimización adecuados, como: • Método Monte-Carlo. • Determinación del Gradiente. • Optimización evolutiva.
Comportamiento típico de la dependencia de frecuencia de los parámetros |S12|, |S21| y |S12S21|
Genera 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:
• Un incremento de la frecuencia para un buen dimensionamiento del sistema que significa una disminución del parámetro |S21|, 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. • Al contrario el desacoplamiento se incrementa al disminuir la frecuencia.
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 amplificador banda ancha de dos etapas.
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 Darlington, Este circuito consiste en Colectores interconectados para los dos transistores que incorpora el sistema de retroalimentación negativa. Como efecto se aprecia un incremento del Coeficiente de Ruido mayor que el que aparece para un transistor solo, esto se debe al desacoplamiento leve interno.
•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.
Con esta técnica se amplía el proceso clásico de amplificación banda ancha.
Para determinar la Ganancia Independiente del número de etapas n así como de los parámetros del circuito. Se hace uso del circuito equivalente
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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
Las condiciones de estabilidad exigen, que se cumpla: Rn
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
• 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 de transmisión asimétrico, Generador, Impedancia de carga, y Resistencia negativa. • De esta forma el sistema amplificador de un puerto, se amplía convirtiéndose en un sistema amplificador de dos puertos.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE UN PUERTO
La resistencia negativa –Rn, Genera un Factor de Reflexión con el módulo, |r2|>1, en el puerto 2 del Circulador. La potencia entregada al puerto 1 por el generador de señales, se alimenta, agregando Ganancia de amplificación, a la resistencia de carga RL a través del puerto 3. En el puerto 4 se cierra el circulador, conectando una resistencia libre de reflexión Zo. Esto se hace para evitar los efectos de una retroalimentación del puerto 3 hacia el puerto 1. Representación básica de un amplificador de reflexión.
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. El punto de trabajo A se ubica según la curva característica siguiente, en la región de caída de la curva. UH: Tensión de protuberancia UT: Tensión de depresión 1: Efecto túnel directo 2: Efecto túnel indirecto. A través de niveles de Trap. 3: Curva característica de flujo de Shockley.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito equivalente de pequeña señal de un Diodo Túnel • En un amplio rango de operación en la región de las microondas, la resistencia negativa dinámica –Rn con Rn>0, es independiente de la frecuencia. • La respuesta de 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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito básico de un amplificador de diodo túnel en circuitos series.
Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
Circuito equivalente de pequeña señal del amplificador de diodo túnel con circulador
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE REFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL
AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CON ELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA •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.
Amplificador de reflexión con Diodo TRAPATT.
AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CON ELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA
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.
AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS PARAMÉTRICO DE REACTANCIA • El amplificador paramétrico se usa como amplificador de bajo ruido, debido a que básicamente es un elemento reactivo, no genera Ruido Térmico. • Se usa junto a ferritas en la generación de efectos no lineales. • También encuentra aplicación con diodos VARACTO capacitivos. la mas importante aplicación se encuentra como Amplificador de muy alta sensibilidad en la región superior de las ondas ultra cortas y de microondas. • Son altamente utilizados para: •En equipos de radar, •En la radio astronomía en las mediciones de las radiaciones interestelares.
• Actualmente el desarrollo de transistores semiconductores modernos a desplazado totalmente la aplicación de los amplificadores paramétricos de microondas, • Los bajos coeficientes de ruido que se alcanzan con los amplificadores paramétricos para, • Frecuencias de bombeo muy altas, y • Frecuencias y amplitudes críticas de ajuste, exactas • Muchas veces con uso de disipadores de calor. • Se pueden realizar hoy con FETs. • Los amplificadores paramétricos se usan hoy en la región de los THz y en la tecnología óptica. • El proceso mecánico descrito anteriormente es lineal, • Sin embargo, los procesos en reactancias variables reales son no lineales, • Por ejemplo un diodo capacitivo presenta una capacidad no lineal, • Por lo tanto tiene una relación no lineal entre tensión y carga, • Este efecto no lineal asegura que se pueda bombear energía para frecuencias mas altas como fp=2fs, • Un análisis más preciso muestra, • Que para fp más elevadas, se mejora la respuesta de ruido. • Se utilizan osciladores de bombeo hasta fp=9fs. Aprovechando la característica de amplificación, • Se obtiene el Amplificador Directo, • En el cuál la frecuencia de entrada y de salida son iguales. • Si además la frecuencia de bombeo es exáctamente 2fs, • Se denomina Amplificador degenerado. • La característica no lineal del componente reactivo de un amplificador paramétrico, • Se puede usar como Mezclador de bajo ruido, • Con un circuito externo y elección adecuada de la frecuencia de bombeo.
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October 2019 1