Amplificadores RF
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Materiales de los transistores de RF
• Son llamados Amplificadores de bajo ruido (LNA).• Existen dos métodos de fabricación empleados en el espacio
de RF: 1)Transistores de juntura bipolar (BJT) y 2)Transistores por efecto de campo (FET).
Transistores usados en el diseño de RF
Se emplean variedad de transistores, entre los que se incluyen: Los MOSFET, de Arsenurio de galio (GaAs), FET con material metal-semiconductor (MESFET), transistores hetero juntura bipolar GaAs/InGaP (HBT), nitrito de galio (GaN), transistores de alta movilidad electrónica (HEMT), y FETs de Silicio carburado (SiC).
Circuito equivalente del transistor de RF
• Transistor equivalente en configuración emisor. Común:
• Circuito equivalente incluyendo inductancia adelante:
Impedancia de entrada
• Circuito equivalente usando el efecto Miller:
• Impedancia de entrada equivalente:
Impedancia de entrada
• Impedancia vista en el terminal de entrada:
• Empleando los siguientes valores prácticos:
• Se obtiene la siguiente Carta por 100:
Impedancia de salida y ganancia
• Impedancia de salida equivalente:
• Ganancia en potencia típica VS frecuencia
Parámetros “Y”
Parámetros Y :yi = Admitancia de entrada de Corto Circuito
yr = Admitancia de transferencia inversa de C. C.
yf = Admitancia de transferencia directa de C.C.
yo = Admitancia de salida de C.C.
Ejemplo
Hallar el coeficiente de reflexión para el circuito mostrado:
Solución: Normalizando la impedancia de carga:
Parámetros S en el circuito de 2 puertos
S11= Coeficiente de reflexión de entradaS12 = Coeficiente de reflexión de transmisión inversaS21 = Coeficiente de reflexión de transmisión directaS22 = Coeficiente de reflexión de salida
Diseño de Amplificadores de RF pequeña señal usando los parámetros Y
1. Cálculos de estabilidada. Factor de estabilidad de Linvill: (Bajo condiciones
hipotéticas: sin fuente y sin carga)
Conductancia de entrada.
Conductancia de salida.• Si C es menor que 1 es transistor es incondicionalmente
estable en el punto de polarización escogido.• Si C es mayor que 1 es transistor es potencialmente inestable.• Si C=1, el dispositivo es críticamente estable.
Estabilidad (cont.)
• Criterio de estabilidad de Stern= K: Considera las impedancias de fuente y de carga.
• Conductancia de fuente• Conductancia de carga
• Si K es mayor que 1 el circuito es estable para los valores de fuente y de carga elegidos.
• Si K es menor que 1 el circuito es potencialmente inestable y el circuito puede oscilar o entrar en condición de caos.
Máxima ganancia disponible
• La máxima ganancia disponible de un transistor puede ser calculada como:
• Es el cálculo inicial de ganancia para una aplicación.• Esta ganancia ocurre cuando: ;
Diseño con acoplamiento conjugado (transistores incondicionalmente estables)• Ganancia en potencia óptima se obtiene calculando:
Ejemplo de diseño
• Un transistor trabajando en 100 MHz, VCE = 10 volts, Ic = 5 mA, montaje emisor común, tiene los siguientes parámetros Y:
• Diseñe un amplificador que provea máxima ganancia en potencia desde una fuente con 50 ohm a una caga de 50 ohm en 100 MHz.
Solución al Ejemplo
1. Cálculo del factor de estabilidad de Linvill:
Puesto que C<1 el circuito es incondicionalmente estable y en consecuencia se puede proceder con el diseño. Sin embargo se debe tener cuidado con el acople, pues podría generar inestabilidad.
Solución al Ejemplo (Cont.)2. Cálculo de MAG:
3. Cálculo de las admitancias de fuente y de carga para acoplamiento conjugado simultáneo:– Para la fuente:
– La admitancia de fuente que el transistor debe ver para máxima transferencia de potencia es: 6.95-j12.41 mmhos. La admitancia del lado de transistor debe ser: 6.95+j12.41 mmhos
Solución al Ejemplo (Cont.)
– Para la carga:
– Para máxima transferencia de potencia la admitancia de carga debe ser: 0.347-j1.84 mmhos.
4. Diseño de la red de acople de entrada: Debe acoplar la impedancia de la fuente de 50 ohm a la entrada del transistor:
Empleando un factor de normalización de 50: el acople se realiza entre A=1 ohm y C= 50(6.95-j2.42)=0.34 – j 0.62 mho.
Red de acople de salida
• Empleando un factor de normalización de 200, la red de acople de salida tiene como entrada:
y salida: 50/200=0.2.5 ohm
Red de polarización1. Punto de polarización: Ic= 5 mA, Vce = 10 volt. Vcc= +20 v., b= 50.2. Asumiendo VE=2.5 v 3. Cálculo de RE y RC:
4. Cálculo de R1 y R2:
Diseño con transistores potencialmente inestables
• Si C<1, el transistor es potencialmente inestable y puede oscilar. En este caso hay varias opciones:
1. Seleccionar un nuevo punto de polarización para el transistor, lo que implica cambio de parámetros.
2. Unilateralizar o Neutralizar el transistor.3. Seleccionar un desacoplamiento en la entrada y en la salida
del transistor para reducir la ganancia.
Unilateralización
• La Unilateralization consiste en aprovicionar un circuito externo de realimentación (Yf ) entre la entrada la salida, tal que:
Por tanto, cancela permitiendo que la impedancia de transferencia inversa compuesta sea igual a cero.
• En este caso, el dispositivo se convierte en estable en forma
incondicional. • Esto puede ser verificado sustituyendo en la ecuación de
estabilidad de Linvill generando un factor que en este caso llega a ser cero, indicando una estabilidad incondicional.
Neutralización• La Neutralización es similar a la Unilateralización excepto que la
componente imaginaria de es únicamente tenida encuenta. • Se construye un realimentación de la salida a la entrada tal que
Bf =−br.• Entonces, la suceptancia de transferencia inversa compuesta
(brc) es igual a cero.• En la Neutralización, gr es despreciable frente a br . • Por esta razón la neutralización es preferida a la unilateralización. • Existen dos tipos de neutralización: el inductor en series con un
capacitor sintonizados para proveer la cantidad correcta de susceptacia negativa (inductancia) necesaria para cancelar la susceptancia de transferencia inversa positiva interna del transistor.
Parámetros compuestos
• Conectando una red externa entre la entrada y la salida de la red activa, por Unilateralización o neutralización se generan nuevos parámetros para el amplificador llamados: parámetros compuestos. Agregando un subíndice “t” a los parámetros del dispositivo y una “f” a la red de realimentación, los parámetros compuestos pueden escribirse así:
• La red de realimentación se reduce a una admitancia cuyos parámetros son:
Ejemplo• Un amplificador de RF pequeña señal trabaja en , emplea un
transistor en E-C, , , tiene los siguientes parámetros “y” en
Encuentre las admitancias de fuente y de carga que aseguren un diseño estable. Encuentre la ganancia del amplificador.• Solución:1. Cálculo del factor C de estabilidad:
El dispositivo es potencialmente inestable.
35 5 0 1.5
2.4 12 Re 2 3 4 Re 35 5 0 1.5
f r
f ri o
j jy yC
g g y y j j
Diseño de amplificadores RF p.s.mediante parámetros “s”
• Se calcula de la misma manera que con los parámetros “y”.• Para calcular la estabilidad con los parámetros S se debe
calcular primero una cantidad intermedia:
• El factor de estabilidad ROLLETT (K) se calcula:
• Si el dispositivo es Incondicionalmente estable.• Si el dispositivo es Potencialmente estable, y puede oscilar con
ciertas combinaciones de impedancias de fuente y de carga.
Máxima Ganancia Disponible : MAG
• Se espera MAG bajo condiciones de acoplamientos conjugados.
• Se calcula primero:• Luego el cálculo de MAG en dB:
• El signo que precede al radical es el opuesto al signo de B1.
Diseño con transistores incondicionalmente estables
• Cálculo del coeficiente de reflexión de carga. Se realizan los siguientes pasos:
• Coeficiente de reflexión de fuente:
Ejemplo: Diseño amplificador RF con los parámetros “S”
• Diseñe un amplificador de RF con un transistor en 200 MHz, Vce=10v., Ic=10 mA, que tiene los siguientes parámetros S:
El amplificador debe operar entre terminaciones de 50 . WDiseñar las redes de acople de entrada y salida respectivamente, para máxima ganancia.
Solución
• Cálculo de la estabilidad en el punto de operación:
• Dado que el transistor es incondicionalmente ESTABLE.• Cálculo de MAG:
Solución (cont.)• Cálculo del coeficiente de reflexión de carga:
• Cálculo del coeficiente de reflexión de fuente:
Solución (cont.)
• Red de acople de entrada: Debe forzar a la fuente con 50 Wpresente un coeficiente de reflexión . Con este ángulo y magnitud medidos con el compás, se encuentra el punto C, que en la carta de impedancias corresponde a
• No olvidar que esta impedancia está normalizada. La impedancia representada por es igual a:
Solución (cont.) Red de salida
• Red de acople de salida:El coeficiente de reflexión de salida es mostrado en la siguiente transparencia con:
Se puede leer en la carta:
Diseño para una ganancia específica
• Cuando se requiere una cierta ganancia se emplea el método de “desacople selectivo”, mediante el círculo de “ganancia constante” en la carta de Smith y se calcula así:
1. Calcule:2. 3. 4. 5. Centro del círculo: 6. Radio del círculo:
Ejemplo
• Un transistor a 250 MHz con , tiene los siguientes parámetros S:
Diseñar un amplificador que provea una ganancia de 9 dB en 250 MHz si las impedancias de la fuente y de la carga son:
El transistor es estable incondicionalmente con
Solución
• • • Ganancia:
• El centro del círculo es localizado en el punto:
Este punto es graficado en la carta de Smith.• El radio del círculo de ganancia 9 dB es calculado como:
Solución (cont.)A: Impedancia de carga 50-j50 cuyo valor normalizado es: 1-j1
El circuito de salida del transistor debe trasformarLa carga actual en un Valor que cae sobre el Círculo de ganancia cte.
Hay numerosas Configuraciones Que cumplen
Arco AB=C serie=-j2W
Arco BC= L paralelo=-j0.425
Solución (cont.)
• Cualquier impedancia de carga a lo largo de la circunferencia producirá una ganancia de 9 dB si la impedancia de entrada del transistor es acoplada con el conjugado.
• Para un acoplamiento conjugado en la entrada con (punto C), el coeficiente de reflexión debe ser:
Solución (cont.)A: Impedancia de fuente normalizada=0.7-j1.2WD: Con un diseño de 3 elem.
AB=C2 paraleloAB=j0.62 mhoBC=L2 serieBC= j1.09 ohmCD= C3 paraleloCD=j2.1 mho