Pro 18:15 El corazón del prudente adquiere conocimiento, Y el oído del sabio busca el conocimiento.

CUESTIONARIO Nr 3.

1. Descripción de la dependencia de la frecuencia que muestran los parámetros los parámetros S, en los amplificadores de altas frecuencias.

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.

|S12S21|=> ocasiona estabilidad en el sistema.

S11 y S22 Genera un error de acoplamiento

Para solucionar este problema existen básicamente 4 procesos: 1. Sistemas de acoplamiento compensados

2. Retroalimentación.3. Amplificadores balanceados.4. Amplificadores distribuidos.

S11 es el coeficiente de reflexión de la tensión del puerto de entradaS12 es la ganancia de la tensión en reversaS21 es la ganancia de la tensión en directaS22 es el coeficiente de reflexión de la tensión del puerto de salida

2. Técnica de los sistemas de acoplamiento compensados(1er proceso para eliminar o reducir la dependencia de los parámetros de dispersión a la frecuencia)

Consiste 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.

Las causas de la generación del grado de desacoplamiento son:

Un buen dimensionamiento del sistema, que significa una disminución del parámetro |S21|, en el incremento de la frecuencia.

Mejora del acoplamiento, apreciándose en:*) Que una gran parte de la potencia se entrega al transistor, y*) Una gran parte de potencia también es entregada del transistor a la carga.*) El desacoplamiento se incrementa al disminuir la frecuencia.

A pesar de que es posible todavía con mucho trabajo realizar diseños hasta cierto punto aceptable de problemas sencillos, con ayuda de la carta de Smith y con el uso generalmente de métodos CAD de diseño, se puede llevar a cabo dicha labor.

Con mucha frecuencia se diseñan los sistemas de entrada y de salida 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.

Los componentes de acoplamiento utilizados en la entrada se diferencian de los componentes utilizados a la salida, en las diferentes características que presentan las impedancias que deben acoplarse.

La impedancia de entrada del transistor tiene comportamiento inductivo a partir de una determinada frecuencia, se compensa con una combinación de líneas Microstrip en cadena y paralelas.

La impedancia de salida del transistor tiene un comportamiento capacitivo, se compensa con una cadena de línea Microstrip.

Pero también se encuentran aplicaciones con componentes reactivos de acoplamiento, con características LC, la figura a continuación muestra:

(*) Amplificador 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.

Los siguientes amplificadores son híbridos, sobre la base de un MESFET de 900μm en la técnica de:

Componentes convencionales discretos entre 100MHz y 6GHz, Y con líneas Microstrip para anchos de banda entre 350MHz y 14GHz.

(*)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.

1. Funcionamiento de los amplificadores banda ancha de altas frecuencias con acoplamiento negativo (2do proceso para eliminar o reducir la dependencia de los parámetros de dispersión a la frecuencia)

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 un amplificador banda ancha de dos etapas.

PRIMER PASO:Analizando un circuito amplificador con la característica de:

Que la retroalimentación negativa sea resistiva pura. Considerando el caso más frecuente de la combinación de retroalimentación

negativa: serie y paralela¿Cómo es la retroalimentación negativa serie y paralela?

Usando un transistor bipolar de Si en la configuración de emisor común. Con las siguientes expresiones se pueden estimar los datos característicos del

circuito. Teniendo en cuenta para la ganancia de amplificación, frecuencias menores a los 400Mhz y sin tener información del transistor.

Las expresiones serían:

Ganancia de amplificación de tensión:

Impedancia de entrada:

Impedancia de salida:

Con ayuda de resistencias puras de retroalimentación, se disminuye para operación de bajas frecuencias:(*) La ganancia de amplificación.(*) La impedancia de in y out.(*) El ancho de banda es posible incrementarlo disminuyendo la ganancia de amplificación.

(**)Donde permanecen aproximadamente constantes:a) El factor de calidad.

b) El producto entre Ganancia de amplificación y ancho de banda.

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 (se debe al desacoplamiento leve interno)

Circuito monolítico Si-IC Darlington con retroalimentación óhmica. Par un ancho de banda: 0,1 hasta 2,0GHz

SEGUNDO PASO:

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.

Consideremos para el coeficiente de ruido F:(*) Una resistencia de acoplamiento de retroalimentación paralela RF:

(**) La cual es una condición del acoplamiento de entrada.(**)Y para el ancho de banda B(gF=1/RF, gds=1/rds)(**)Son válidas las relaciones siguientes:

Se obtiene aproximaciones para:(*) La Ganancia y para la resistencia de retroalimentación gds=0(*) Bajo la condición de un acoplamiento ideal: S11=S22=0

Con estas aproximaciones: Se obtiene para un amplificador con G=10dB entre terminales de 50Ω:

(*) Una pendiente mínima de 83mS(*) Una resistencia de acoplamiento de 208Ω(*) Se logra de esta manera una relación de onda estacionaria ≤2:1Banda ancha.(*) No se desmejora demasiado el coeficiente de ruido.(*) Si se usan transistores suficientemente grandes con anchura de la fuente de 1mm.(*) Esto trae como consecuencia que para los MESFETs de GaAs, con sóloretroalimentación negativa paralela resistiva pura, en el caso ideal,

Sin sistema de acoplamiento presenta un ancho de banda de 3dB para la frecuencia de 6GHz, en la práctica se ubica entre 3 y 4,5GHz.

De acuerdo a la figura siguiente, se agregan elementos reactivos en el circuito,

Incrementándose el ancho de banda, disminuyendo 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 entrada con LG1 en la salida con LD1. Así como con un inductor LF en la rama de retroalimentación. En configuraciones de múltiples etapas se prescinde de la retroalimentación que

tenga Efecto sobre varias etapas, debido a problemas de estabilidad, especialmente

cuando el rango de frecuencia de operación es grande En estos casos es usual la configuración de etapas amplificadoras individuales con

retroalimentaciones conectadas en cascada.

2. Explique el funcionamiento del amplificador balanceado con línea acopladora Branch de 3dB (3er proceso para eliminar o reducir la dependencia de los parámetros de dispersión a la frecuencia)

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 90° 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 acopla la potencia reflejada a la impedancia de carga de 50Ω en la entrada y en

la salida, debido al corrimiento del acoplamiento del amplificador. Para el caso de utilizar un acoplador híbrido de 180° en vez de un acoplador

Branch híbrido de 90°, se obtiene un Amplificador en contrafase.¿Qué es un acoplador hibrido?

Ventajas del amplificador balanceado: Cada amplificador individual puede ser diseñado para:

(*) Un máximo ancho de banda, lo que significa que muestre una respuesta plana de ganancia de amplificación y bajo coeficiente de ruido, donde no se 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.

La potencia máxima de salida libre de distorsión es el doble de la presente en un amplificador individual.

Si una etapa está fuera de servicio, opera el amplificador con parámetros de potencia reducidos. Ejem: ¼ de la potencia, aprox. 6dB equiv. Al doble del coeficiente de ruido.

Se simplifica la configuración en cascada con otras unidades circuitales, debido a que cada etapa

Desventajas del amplificador balanceado: Alto consumo de corriente. Elevado costo de los componentes. Se incrementa las dimensiones del equipo final.

3. Explique el funcionamiento del amplificador banda ancha distribuido de onda de paso (4to proceso para eliminar o reducir la dependencia de los parámetros de dispersión a la frecuencia)

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

Varios FETs se conectan paralelos, a través de tramos de líneas de transmisión, La conexión que se efectúa tanto de la compuerta como al drenaje. 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 delpunto, 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. Por medio de estos diseños se excitan ondas de potencia, a la salida de cada

drenaje individual, con un nivel de amplificación adecuado.(*) En la dirección positiva w se superponen constructivamente las componentes de onda resultantes en los puntos 6 hasta el 8.(*) En la dirección negativa w la parte real de la impedancia de drenaje las destruye.(*)O pueden ser eliminadas a través de la Interferencia destructiva en los puntos 7 hasta 5.

Para determinar la Ganancia:(*) Se hace uso del circuito equivalente representado abajo, el cual se obtiene del circuito anterior de onda viajera de cuatro etapas(*) Independiente del número de etapas n así como de los parámetros del circuito.

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.

Por lo tanto en el amplificador de onda viajera se puede obtener un mayor ancho de banda manteniendo constante la Ganancia de amplificación.

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:

De la relación anterior de la Ganancia se observa claramente: Que la Ganancia no necesariamente se incrementa, si se aumenta el número de

etapas n. La Ganancia podría tender a cero, si se incrementa el valor de n. En la relación de la Ganancia anterior, se puede despreciar el segundo término

en el numerador y denominador, por lo que la función exponencial se puede desarrollar en una serie.

Mientras sea válida la relación: αglgn<1 Esta aproximación se establece, bajo la condición:(*) Que las pérdidas de la línea de transmisión en cadena del drenaje αd, en

relación a las pérdidas en la conexión de compuerta, se puedan despreciar.(*)Para la Ganancia se obtiene la siguiente expresión:

Ganancia de Amplificación en función de la frecuencia para diferentes números de etapas:

En esta figura se trata un ejemplo de un amplificador para 2-12GHz con un MESFET de GaAs con una longitud de compuerta de 1μm.

Respuesta de frecuencia de la Ganancia de Amplificación para diferentes Resistencias Internas de Compuerta rg y para n=4.

Respuesta de frecuencia de la ganancia de amplificación para diferentes Resistencias de drenaje internas rd y para n=4.

La dependencia de la respuesta de frecuencia de la ganancia de amplificación, en función de:(*) De la resistencia interna de drenaje rd y de compuerta rg del FET.(*) Se observa en estos resultados, que existe una resistencia óptima, manteniendo el número de etapas n fijo, invariable.

Configuración práctica de un amplificador de onda viajera de cuatro etapas sobre un sustrato de GaAs en la técnica MMIC.

En la última figura se presenta un circuito práctico, sobre un sustrato GaAs en la técnica MMIC.

4. Describa el principio de funcionamiento del amplificador de altas frecuencias de un puerto.

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 de acuerdo a la figura de la lámina siguiente, la relación:

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.

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.

En la figura a continuación se representa, el circuito de un amplificador de reflexión con circulador:(*) 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.

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.

No es posible alcanzar cualquier alto nivel de Ganancia de amplificación de potencia de operación, debido a las condiciones de estabilidad, se selecciona en una etapa de amplificación:(*) Gmax≈30 hasta 100, que corresponde a:

(**) 15 hasta 20dB.(**) El límite de estabilidad se alcanza para Zo=Rn

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

5. Explique el funcionamiento del amplificador 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.

Curva característica de un diodo túnel con su punto de operación A.

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. Se tiene que las regiones son:1: Efecto túnel directo2: Efecto túnel indirecto. A través de niveles de Trap.3: Curva característica de flujo de Shockley.(*) 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 de un diodo normal.

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.

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

Debido a que es válido:

(*) RB«Rn para las bajas frecuencias Re(Z)<0.(*) Para Re(Z)=0, 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.

Si es válido:

Por debajo de la frecuencia de corte se pueden diseñar amplificadores sencillos con diodos túnel.

El área de aplicación principal de los diodos túnel en las microondas se encuentra en esta región de frecuencias de operación.

El circuito equivalente básico de un amplificador de diodo túnel se representa en la figura a) de la lámina siguiente.

El diodo túnel TD está conectada en serie con el generador de señales con la tensión de circuito abierto Us0 y a la resistencia interna Rs y a la resistencia de carga RL.

El punto de operación del diodo túnel se ajusta con la tensión de polarización UB. El capacitor Ck se cortocircuita para la frecuencia de operación, en este capacitor

está aplicado una tensión continua pura. 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:

Con las ecuaciones anteriores se puede determinar el ancho de banda del amplificador básicamente con las magnitudes de las constantes de tiempo:(*) τ=RnCj(*) Es necesario considerar, junto a las exigencias de Ganancia de amplificación y de Ancho de Banda, las condiciones de estabilidad, condiciones de estabilidad que se expresan para un amplificador según la figura anterior:

Se obtiene la Ganancia máxima disponible para el amplificador con circulador de acuerdo a la figura y ecuación anterior:

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.(**) 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:

La constante de ruido del diodo túnel que corresponde al mínimo valor del producto: IoRn, alcanza valores, dependiendo del tipo de semiconductor de: IoRn≈45 hasta 75mV.

Para este mínimo valor del producto, se obtiene para la temperatura de ruido efectiva del amplificador, con Rn o bien Rns, e.IoRn/2k=250K hasta 450K, lo que se corresponde con un coeficiente de ruido, FdB=2,7dB hasta 4dB

Para diodos túnel de microondas, se aproxima: Rn≈(5 hasta 25).RB, bajo esta condición se puede determinar la temperatura de ruido del amplificador:(*) Por medio del ruido granular del diodo túnel para frecuencias alrededor de 1GHz, se obtiene una temperatura de ruido de 300K, FdB=3dB.(*) Para frecuencias en los 18GHz, la temperatura de ruido alcanza los 1000K, FdB=6,4dB

El ancho de banda del amplificador de diodo túnel con circulador queda fundamentalmente determinado por:(*) El ancho de banda de los sistemas de:

(**) Estabilización y de desacoplamiento.(**) Para frecuencia de algunos GHz se alcanza:

(***)Un ancho de banda de 1GHz, para una potencia de salida de 10mW, y una Ganancia de amplificación de 10dB.

6. Explique el funcionamiento de los amplificadores de reflexión con elemento Gunn y Diodo de Avalancha:

La potencia de salida generada por los diodos túnel es relativamente baja, <1 hasta 10mW.

Potencias de salidas altas se alcanzan usando como sistemas de dos polos activos:(*) Elementos Gunn, o(*) Diodos IMPATT.

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 más baja para la cual esto ocurre, coincide con el valor del inverso del tiempo de tránsito de dominios t.

Para valores de concentraciones de dopado mayores que el valor crítico, sólo para determinadas regiones de la tensión de operación del elemento Gunn, aparece esta conductancia diferencial negativa.

Con el diodo IMPATT: Impact Avalanche Transit Time, y 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 que corresponden a 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:

Amplificador de reflexión con Diodo TRAPATT.

El sistema de transformación agregado en la figura del amplificador de reflexión visto arriba, comparado con la figura de abajo, permite una operación de amplificación estable, al acoplar el diodo a la impedancia interna Zo. Tanto para:(*) La frecuencia de la señal.

(*) Como para armónicos de la frecuencia de la señal. La tensión de operación UB se modula con la correspondiente relación de impulso

de la señal de salida.

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 al 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.

7. Explique las características de operación del amplificador paramétrico de reactancia.

En un amplificador paramétrico, se hace uso de una Reactancia no lineal o de, una reactancia lineal, el valor de esta reactancia se puede variar en función del tiempo, por medio de una señal de apoyo adecuada.

La variación temporal de los parámetros reactivos, se puede aprovechar en la generación de una Ganancia de amplificación. En este fenómeno subyace el

origen para el concepto de: Amplificador paramétrico. Una abreviación para este tipo de Amplificador se usa:

(*) MAVAR: Microwave Amplification by Variable Reactance. Podemos describir el funcionamiento básico de una Reactancia como

amplificador de una idea de un proceso mecánico:

Consideremos un circuito oscilante constituido por una bobina y capacitor, sintonizado en una frecuencia determinada. En este circuito sintonizado se encuentra una pequeña señal a esta frecuencia. Asegurando que los platos del capacitor, se separen un poco uno del otro, cuando la pequeña señal armónica alcanza un máximo y se acerquen uno al otro, cuando la pequeña señal alcanza cero.

Entonces la señal en forma continua, en pequeñas cantidades. Si la pequeña señal tiene la frecuencia fs, La excitación que genera el movimiento de los platos debe tener la frecuencia 2fs, para esta frecuencia fs con la excitación 2fs se entrega la energía que la señal amplifica.

Se necesita cierta energía, para separar uno del otro los platos del capacitor cargados al máximo, no se gana energía, cuando los platos se acerquen uno a otro y pasa por los ceros. En vez de variar periódicamente la capacidad con el movimiento de los platos, se logra un comportamiento similar, si se varía periódicamente la inductividad de la bobina.

En el proceso anterior, se describe el bombeo de la energía desde una frecuencia a otra frecuencia:

(*) 2fs es la frecuencia de bombeo.(*) Con 2fs=fp o frecuencia de bombeo para la potencia de bombeo.

El amplificador paramétrico se usa como amplificador de bajo ruido, bebido 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 VARACTOR capacitivos. La más importante aplicación se encuentra como: Amplificador de muy alta

sensibilidad en la región superior de las ondas ultra cortas y de microondas. Aplicaciones típicos son amplificadores de alta sensibilidad de altas frecuencias en

receptores:(*) 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 como en:(*) 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 más 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 exactamente 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.

En los años 60 se alcanzaron coeficientes de ruido de 0,85dB, usando amplificadores paramétricos con diodos, para la frecuencia de operación de 145MHz y para frecuencia de bombeo de 900MHz.

Los amplificadores FET de GaAs actuales para las mismas frecuencias, alcanzan coeficientes de ruido de 0,2dB a 0,4dB, con una simplificación de los circuitos.

8. Explique el funcionamiento del amplificador de reactancia lineal de un puerto y de dos puertos.

DE UN PUERTO: La potencia de bombeo aplicada a la reactancia a la frecuencia de bombeo, se

entrega al circuito externo:(*) Tanto como señal amplificada a la frecuencia de la señal, así como frecuencia intermedia fh=fp-fs resultante del proceso de mezclado.

La figura a continuación muestra un amplificador directo de reactancia y su circuito equivalente de pequeña.

Amplificador directo de reactancia: a) Circuito básico, b) Circuito equivalente de pequeña señal.

Un diodo capacitivo bombeado se representa por:(*) La capacidad superficial de bloqueo C(ωpt).(*) La resistencia de trayectoria RB.Cumple la función de elemento mezclador.

Los dos circuitos resonantes series están sintonizados a la frecuencia intermedia fh=fp-fs

Tomando en cuenta la capacidad del punto de trabajo del diodo CO para la frecuencia de la señal fs.

Además los circuitos resonantes tienen un alto factor de calidad, en resonancia sólo fluyen corrientes para la frecuencia de operación.

La resistencia Rs considera las pérdidas en el circuito de señal y la resistencia Rh toma en cuenta las pérdidas en el circuito generador de frecuencia intermedia.

En serie con el generador de señales y con la resistencia de carga RL, se encuentra la impedancia de entrada real negativa Re del circuito mezclador. Se obtiene en resonancia del cálculo de la resistencia de entrada para Re:

Donde Qs~=ωsRBC1 es el factor de calidad dinámico del diodo capacitivo para la frecuencia de la señal.

C1 es el componente de desarrollo lineal de C(ωpt). Sólo es posible una Amplificación, mientras sea negativa la resistencia de entrada de acuerdo con la ecuación siguiente:

Bajo esta condición se pueden determinar los rangos permitidos de frecuencia de la señal y de frecuencia intermedia, donde puede operarse el amplificador.

DE DOS PUERTOS:

En los amplificadores de un puerto de aplicación usual, se necesita un Circulador para que cumpla la función de sistema asimétrico, para separar la entrada y la salida.

Se crea un sistema de dos puertos, conectando dos reactancias del mismo tipo una con otra, debido a que los amplificadores paramétricos se controlan externamente con una fuente de bombeo.

En la creación del sistema de dos puertos:(*) Se aprovecha la asimetría de la conversión de frecuencia, para desacoplar los puertos en la misma frecuencia, de las señales de entrada y de salida.(*) Haciendo uso de determinadas relaciones de fase de las señales que intervienen en el proceso.

La figura siguiente muestra el circuito básico de un amplificador de reactancia de transferencia asimétrica:(*) C1 y C2 son dos varactores, los cuales se bombean con una diferencia de fase de -90°(*) La entrada y la salida del amplificador están conectados con un sistema que introduce un cambio de fase de 90°, por ejemplo: una línea de transmisión λ/4.(*) Una tensión en la entrada genera por medio de las dos capacidades dependientes del tiempo, corrientes de igual fase en el circuito de frecuencia intermedia.(*) Una tensión en la salida, por su parte, genera corrientes con fases opuestas, cuya superposición se anulan a cero.

Al contrario, al aplicar una tensión en el circuito de frecuencia intermedia se genera:(*) En la entrada corrientes de sentido opuesto y en la salida corrientes con la misma fase.(*) La cantidad de potencia disipada necesaria durante el proceso de amplificación a la frecuencia intermedia, sólo puede excitarse desde la entrada, la potencia de la señal amplificada está solo disponible a la salida.