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Departamento de ElectrónicaDepartamento de Electrónica

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS

BANDA ANCHA

Jonathan Valduz Numero 25 Jonathan Valduz Numero 25

El diseño de amplificadores banda ancha trae consigo nuevas El diseño de amplificadores banda ancha trae consigo nuevas dificultades,dificultades,

para resolverlos se necesita experiencia y cuidado.para resolverlos se necesita experiencia y cuidado.

En principio se debe compensar la transferencia de En principio se debe compensar la transferencia de frecuencia, frecuencia, Por Por medio del parámetro medio del parámetro S21, S21, Incorporando un sistema de Incorporando un sistema de retroalimentación o retroalimentación o de acoplamiento adecuado.de acoplamiento adecuado.

Para el diseño de problemas simples se hace uso de Para el diseño de problemas simples se hace uso de Programas CAD Programas CAD y CAE (Computer Aided Education).y CAE (Computer Aided Education).

Se puede determinar un compromiso entre:Se puede determinar un compromiso entre:

• • Superficialidad del amplificador, ruido, estabilidad, Impedancia Superficialidad del amplificador, ruido, estabilidad, Impedancia de entrada y de salida.de entrada y de salida.

Usando uso de procedimientos de optimización Usando uso de procedimientos de optimización adecuados, como:adecuados, como:

• • Método Monte-Carlo.Método Monte-Carlo.

• • Determinación del Gradiente.Determinación del Gradiente.

• • Optimización evolutiva.Optimización evolutiva.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA

Comportamiento típico de la dependencia de frecuencia de los parámetros |S12|, |S21| y |

S12S21|

Genera para la frecuencia central un Genera para la frecuencia central un determinado grado de determinado grado de desacoplamiento en la entrada y salida de los transistores.desacoplamiento en la entrada y salida de los transistores.

• • Dentro de la función de transferencia correspondiente al sistema Dentro de la función de transferencia correspondiente al sistema permanecepermanece

la amplificación aproximadamente constante dentro de un la amplificación aproximadamente constante dentro de un determinadodeterminado

rango de frecuencia.rango de frecuencia.

• • La causa de la generación del La causa de la generación del grado de desacoplamiento es:grado de desacoplamiento es:

• • Un incremento de la frecuencia para un buen Un incremento de la frecuencia para un buen dimensionamiento dimensionamiento del sistema que significa una disminución del del sistema que significa una disminución del parámetro |parámetro |S21|, S21|, mejora el acoplamiento.mejora el acoplamiento.

Esta mejora se aprecia: Esta mejora se aprecia:

• • En que una gran parte de la potencia se entrega al¨En que una gran parte de la potencia se entrega al¨transistor, ytransistor, y

• • Una gran parte de potencia también entrega el transistor Una gran parte de potencia también entrega el transistor a la carga.a la carga.

• • Al contrario el desacoplamiento se incrementa al Al contrario el desacoplamiento se incrementa al disminuir la disminuir la frecuencia.frecuencia.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA.SISTEMAS DE ACOPLAMIENTO COMPENSADOS

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.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA. CON ACOPLAMIENTO NEGATIVO

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 de3dB o acoplador híbrido de 900 Con esto el acoplador de longitud λ/4 de entrada, divide equitativamente la potencia de entrada entre ambos amplificadores.

AMPLIFICADORES DE149 AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS BANDA ANCHA. BALANCEADO CON LÍNEA ACOPLADORA DE 3dB BRANCH ALTAS FRECUENCIAS DE DOS PUERTOS

Con esta técnica se amplía el proceso clásico de amplificación banda ancha.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DE DOS PUERTOS

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 BANDA ANCHA. DISTRIBUIDOS DE ONDAS DE PASO.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEDE

UN PUERTOUN PUERTO

Dentro de los Dentro de los diseños de Amplificadores de diseños de Amplificadores de Microondas, así como se Microondas, así como se usan sistemas de tres y cuatro usan sistemas de tres y cuatro polos activos, sistemas polos activos, sistemas activos de un puerto o dos polos activos de un puerto o dos polos también encuentran también encuentran aplicación.aplicación.

Los Los sistemas activos de un puerto,sistemas activos de un puerto, muestran muestran una una componente real negativa en la Impedancia de sus bornes,componente real negativa en la Impedancia de sus bornes,

Bajo determinadas Bajo determinadas condiciones de operación.condiciones de operación.

Se conocen en este grupo de componentes:Se conocen en este grupo de componentes:

• • El diodo túnel,El diodo túnel,• • El diodo IMPATT,El diodo IMPATT,• • El elemento Gunn,El elemento Gunn,• • El diodo VARACTOR.El diodo VARACTOR.

AMPLIFICADORES DE ALTAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

UN PUERTOUN PUERTO

Las condiciones de estabilidad exigen, que se cumpla:

Rn<Rsi+RL, en la práctica se considera como válidas las siguientes relaciones:Rn≤0,9.(Rsi+RL) y GT≤100(20dB).Este tipo de amplificador puede operar acoplado, Ya sea en la entrada, para la condición:Rsi≈RL-Rn, O bien, en la salida, para la condición: RL≈Rsi-Rn.

AMPLIFICADORES DE ALTAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

UN PUERTOUN 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 AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

UN PUERTOUN PUERTO

Representación básica de un amplificador de reflexión.

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.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEDE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN 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.

1: Efecto túnel directo2: Efecto túnel indirecto. A través de niveles de Trap.3: Curva característica de flujo de Shockley.

UH: Tensión de protuberancia UT: Tensión de depresión

AMPLIFICADORES DE ALTAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN 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 AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN 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 AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEFRECUENCIAS DE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL

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

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEDE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS DEDE

REFLEXIÓN CON DIODO TÚNELREFLEXIÓN CON DIODO TÚNEL

AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CONAMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CONELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHAELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA

Amplificador de reflexión con Diodo TRAPATT.

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.

AMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CONAMPLIFICADORES DE REFLEXIÓN CONELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHAELEMENTO GUNN Y DIODO DE AVALANCHA

b) Configuración de un sistema de transformación con líneas de transformación enserie.c) Configuración de un sistema de transformación con acopladores con λ/4 en técnicaMicrostrip.

AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS AMPLIFICADORES DE ALTAS FRECUENCIAS PARAMÉTRICO DE REACTANCIAPARAMÉTRICO 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.