Captulo 8:Amplificadores de microondasObjetivo: Diseo de amplificadores de microondas. Se partir de los parmetros medidos o proporcionados por el fabricante para llegar a construir un amplificador con las caractersticas pedidas de: estabilidad, ganancia, ruido, ancho de banda y desadaptacin a la entrada y salida pedida (ROEin y ROEout).Ser indispensable, desde el punto de vista de diseo, el manejo de la carta de Smith.Tambin se vern caractersticas adicionales de diseo como estrategias de polarizcin

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NDICEndice.Dispositivos de estado slidoIntroduccin.Propiedades de la transformacin bilineal.Criterios de diseo de amplificadores de microondas en transmisin.Estabilidad de amplificadores de microondas: circunferencias de estabilidad.Ganancia en amplificadores de microondas: circunferencias de ganancia.Ruido en amplificadores de microondas: circunferencias de ruido.Desadaptacin de entrada y salida: circunferencias de desadaptacin.Amplificadores de banda ancha.Polarizacin de amplificadores.Amplificadores de potencia.Conclusiones.

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DISPOSITIVOS DE ESTADO SLIDOLa mayor parte de los dispositivos de microondas y de RF se disean en base a: diodos de barrera Schottky, transistores bipolares y transistores de efecto de campo FET.Nomenclatura:Dispositivos activos basados en transistores, FET o bipolares.Dispositivos pasivos basados en diodos.De modo general se pueden tomar los siguientes dispositivos y aplicaciones:Diodo Schottky: mezcladores, multiplicadores de frecuencia, moduladoresDiodos varctores: VCOs, multiplicadores de frecuenciaTransistores bipolares (BJT): amplificadores de pequea seal (no de bajo ruido)Transistores bipolares de heterounin (HBT): amplificadores de potencia, osciladores de bajo ruidoTransistores de efecto de campo (JFET): amplificadores de bajo ruido, mezcladores, osciladores y conmutadores.MESFET: amplificadores de bajo ruido, mezcladores, multiplicadores de frecuencia, osciladores y mezcladores.HEMT (high electron mobility transistor): lo mismo que el FET pero en un margen de frecuencias mayor.

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CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES (I)Las caractersticas van relacionadas con propiedades como: concentracin intrnseca de portadores, movilidad de portadores y propiedades trmicas.Concentracin intrnseca de portadores:Interesa que no sea muy elevada por dos razones:Tener mayor control sobre la concentracin de impurezas.Para tener un grado de aislamiento importante entre materiales distintos: =q(nn+pp)Resulta ventajoso el AsGa frente al SiMovilidad de portadores: capacidad para transportar corriente.En aplicaciones de alta frecuencia interesa alta movilidad (mejor AsGa que Si)Tambin es conveniente disear dispositivos con portadores mayoritarios electronesEfectos trmicos:A mayor ancho de banda prohibida menores efectos trmicos (mejor AsGa que Si)

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CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES (II):MATERIALES UTILIZADOSGermanio: Prcticamente abandonado.La anchura del gap es menor que en el SiConcentracin de portadores mayor que el SiEs complicada su utilizacin en alta frecuencia (aunque la sea mayor que el Si)Silicio (muy abundante, lo que ha desarrollado una tecnologa de Si):Ancho del gap importante Buena conductividad trmica y baja concentracin intrnsecaSoporta campos de ruptura mayores que el GeAsGaConcentracin intrnseca ms baja que el Si y mayor movilidad de electrones.Menor dependencia con la temperaturaTecnologa ms compleja y de mayor coste. Comportamiento deficiente en alta potencia.PICaractersticas importantes en alta frecuencia pero todava no estn explotadas.

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DIODOS DE BARRERA SCHOTTKY (I)Un diodo de barrera Schottky es una unin metal-semiconductor con propiedades rectificantes.Se usa en: mezcladores, detectores y multiplicadores de frecuencia.La combinacin metal-semiconductor presenta dos configuraciones:Configuracin tipo contacto hmico: el metal acta como interfaseFuncin de trabajo del metal es menor que la del semiconductor.Configuracin tipo contacto rectificante: propiedades similares a una unin p-nFuncin de trabajo del metal es mayor que la del semiconductor.Esto crea una barrera energtica en el sentido semiconductor- metal. Parmetros que caracterizan al metal y al semiconductor:Metal:Nivel de Fermi: por debajo de ese nivel los estados estn ocupados por e-Funcin de trabajo: cantidad de energa que hay que aportar a un e- para pasar al nivel de vaco.Semiconductor:Nivel de Fermi: en la banda prohibida del semiconductor (su posicin depende del tipo de semiconductor.Afinidad electrnica: energa para ir de la banda de conduccin al nivel de vaco

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DIODOS DE BARRERA SCHOTTKY (II)Por qu se usan, en microondas, diodos Schottky en vez de diodos p-n?La corriente viene determinada, fundamentalmente, por los portadores mayoritarios, normalmente, electrones.En los diodos p-n, el mecanismo de conduccin de corriente viene dado por los minoritarios. Cuando un diodo p-n se alimenta en directa, se almacenan portadores minoritarios en la regin de unin; si se polariza repentinamente en inversa, antes de que el diodo entre en corte hay que retirar la carga. Este proceso es lento como para que puedan funcionar como rectificadores en alta frecuencia.Suelen tener buen comportamiento como varactores.Configuracin bsica de un diodo Schottky:Se construye sobre un substrato n (de Si, ms comn, o de AsGa), nunca p en AF.Por debajo de esa capa hay un contacto hmico que hace de ctodo (Au Ni)Por encima hay una capa gruesa fuertemente dopada n+ que separa la capa epitaxial del substrato.Capa epitaxial levemente dopada sobre la que se deposita el metal que hace de nodo.Se pueden ajustar los siguientes parmetros en el diodo: la seleccin del metal, forma y rea del nodo, densidad del dopaje.

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DIODOS DE BARRERA SCHOTTKY (III): CARACTERSTICAS ELCTRICASEn ausencia de polarizacin:El contacto entre nodo y semiconductor hace que fluyan e- del sc al metal creando una regin vaca de carga entre metal y sc (zona de deplexin).Esto ha creado una carga neta positiva en el metal y una neta negativa en el sc lo que origina un campo elctrico que se opone al paso de ms e- de sc a metal.En presencia de polarizacin:La carga se mueve entre dos polos (nodo y ctodo) creando una capacidad no lineal.Si se aplica un voltaje positivo al nodo, disminuye la barrera y pueden pasar ms e- del sc al metal. Esta corriente es altamente no lineal.Ecuacin que define la relacin (I/V):

Is corriente de saturacin, de valor muy pequeo de 10-20 a 10-8 A; n es el factor de idealidad (cuanto ms ideal sea el diodo, ms prximo a 1); e es la carga del electrn (1.6*10-19 C); k es la constante de Boltzmann (1.38*10-23 J/K); T: temperatura absoluta en K

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DIODOS DE BARRERA SCHOTTKY (IV)Diferencias entre diodos p-n y Schottky:Corriente de saturacin tiene origen fsico diferenteDiodo p-n: ligada a la constante de difusin; valores muy pequeos.Portadores mayoritarios: valores de corriente elevados con bajas VEn la barrera Schottky la conduccin es debida a un nico movimiento de portadores (dispositivo unipolar).No es importante la contribucin de portadores minoritarios, por lo que la capacidad de difusin no es importante (importante en alta frecuencia)Circuito equivalente del diodo Schottky: LS depende del hilo de conexinCp depende del encapsuladog(vj) conductancia no linealCj(v) capacidad de deplexin

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DIODOS DE BARRERA SCHOTTKY (V)Seleccin del diodo: consideraciones (Rs, Cj, Is)A bajas frecuencias Cj no afecta a la rectificacin proporcionada por g(V). No obstante en altas frecuencias tiende a ser un cortocircuito por lo que conviene reducir su valor si se quiere mantener la eficiencia de la mezcla. Su valor es proporcional al rea del nodo.Rs es inversamente proporcional al rea del nodo. Su valor est en torno a 10El producto RsCj es ms o menos constante con el rea del nodo. Se puede definir una figura de mrito, llamada frecuencia de corte, fc como:

Una forma incorrecta de seleccionar un diodo es mediante la figura de ruido, prdidas de conversin que proporciona el fabricante ya que el diodo est claramente limitado por las caractersticas del circuito en el que est insertado. De esta forma las medidas proporcionadas sern muy prximas a las del test fixture.Medidas en el diodo:Determinacin de la pendiente de la curva I/V en milivoltios por dcada de corriente.Para determinar Rs (como se sabe que es del orden de 10) se ve cuando I es del orden de 1 mA cuntas mV se separa de la recta (mV/dcada)

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DIODOS VARACTORES (I)Es un diodo con reactancia variable que se deriva de la variacin de la capacidad de deplexin al polarizar en inversa el diodo.Aplicaciones:Sintonizador fino en frecuencias de microondas para un OLOsciladores controlados por tensin.Amplificadores paramtricos.Conversores y multiplicadores de frecuencia.Dispositivos:Diodos de unin p-n por su capacidad no lineal.Diodos Schottky: slo cuando las capacidades de difusin son muy altas.SRD (step recovery diodes): son dispositivos de unin p-n pero que funcionan con polarizacin directa.

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DIODOS VARACTORES (II)Circuito equivalente:LS depende del hilo de conexinCp depende del encapsuladoRj resistencia no lineal: en inversa tiende a un abiertoCf es la capacidad de fugasCj(v) capacidad de deplexin

Parmetros:Voltaje de ruptura: mximo voltaje inverso antes de que se produzca disrupcin.Frecuencia de corte en esttica: para una tensin de ruptura fija

Frecuencia de corte en dinmica: se mide en funcin de la variacin de la capacidad cuando se aplica una tensin inversa al diodo

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TRANSISTORES BIPOLARES BJT (I)Los BJTs se fabrican, fundamentalmente, en Si y cubre una banda desde DC hasta valores bajos de microondas. Las prestaciones de un BJT de AsGa o InP son peores debido a que el control de dopantes, mediante difusin, de la base es ms difcil.Hay dos opciones:De homounin(BJT): el dopaje se controla por difusin, creando regiones relativamente uniformes. Slo se puede aplicar, con resultados apreciables, en Si. De heterounin (HBT): el dopaje se realiza mediante epitaxia de haces moleculares, creando perfiles de dopaje muy abruptos y estrechos. Se puede realizar en materiales como AsGa y permite alcanzar unas frecuencias bastante mayores (10GHz).Operacin:Como una unin p-n con un terminal adicional.La corriente en la unin p-n est controlada por VBE, pero esta corriente se recoge por un tercer terminal: colector, con una amplificacin de dicha corriente:

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TRANSISTORES BIPOLARES BJT (II)Estructura y funcionamiento:La regin de base es muy estrecha para reducir la resistencia y en microondas, tipo P. La base est levemente dopada.Las regiones de colector y emisor son largas y en microondas con dopaje tipo N. El emisor est fuertemente dopado.Esta estructura hace que (bajo polarizacin directa de la unin base-emisor, VBE>0.7) se inyecten e- en la base, reduciendo la inyeccin de huecos en emisor.Como la base es estrecha estos e- la atraviesan sin casi recombinarse.Una polarizacin inversa de la unin base colector (VBC< varios voltios) hace que el colector recoja dichos electrones.VBC0.7

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TRANSISTORES BIPOLARES BJT (III)Dificultades al funcionamiento anterior:La corriente de base (debida a inyeccin de huecos o recombinacin) es baja pero no es 0 (se limita la ganancia de corriente)El tiempo de paso por la base es finito por lo que se almacena carga en la base empeorando las prestaciones debido a la capacidad base-emisor.El BJT puede funcionar en inversa creando una unin p-n semejante a la base-colector.Existen elementos parsitos como capacidades de deplexin y resistencias en los terminales.

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TRANSISTORES BIPOLARES: CARACTERSTICAS ELCTRICAS (I)Caractersticas I/V en esttica establecida por la caracterstica I/V de la unin p-n base emisor:

En operacin inversa tendramos una expresin equivalente:La corriente total de colector ser:

El primer trmino establece el pico de la corriente de colector (VCE grande)El segundo modela la corriente en funcin de la VCE La transconductancia ser:Aumento de

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TRANSISTORES BIPOLARES: CARACTERSTICAS ELCTRICAS (II)Capacidades:De deplexin, dada por las capacidades del diodo

De difusin originada por el almacenamiento de carga en la base

Capacidad total: Figuras de mrito en un transistor bipolar:Frecuencia de corte para ganancia de corriente unidad:Frecuencia mxima (fmax) a la que el producto ganancia ancho de banda es 1.Otros parsitos:Resistencias en todos los terminalesCapacidades asociadas a la unin colector-substrato

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (I)Los JFETs son el punto de partida para el estudio de todos los dispositivos FET aunque las prestaciones que tienen en microondas, los hacen inservibles.Tipos de FET:JFET: control en puerta por medio de una unin p-nMOSFET: contacto metal-xido-semiconductor en puertaMESFET: control en puerta por medio de una barrera SchottkyMODFET: barrera Schottky en puerta actuando sobre un gas de electrones.Estructura:Sustrato de baja conductividad de tipo pSe difunde un canal tipo n sobre dicho sustrato con regiones n+ en los extremos para realizar los contactos hmicos.Finalmente, se difunde una regin p+ en el canal n que constituir la puerta.

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (II)Funcionamiento:La unin puerta-canal (p+-n) crea una regin de vaciamiento en el canal que depende del voltaje entre puerta y fuente siempre que est por encima de un voltaje de estrangulamiento (de pinch-off)Un voltaje entre drenador y fuente (VDS) crea una corriente en el canal:Si VDS es pequeo, el canal funciona como una resistencia operando el FET linealConforme crece VDS:Inicialmente aumenta la corriente.VGD llega a ser mayor que VGS haciendo que se estrangule el canal por el terminal de drenador. Esto hace que se inyecte una corriente fija en el drenador dicindose que est saturado en corriente. Proceso de funcionamiento de un FET:Primero se crea el canalSegundo se modela la corriente en funcin de VDS

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (III):CARACTERSTICAS ELCTRICASLa corriente de drenador, en zona lineal, viene dada por el modelo de Shockley:El JFET normalmente opera en saturacin, dicha corriente es independiente de Vds:Transconductancia: una alta transcon-ductancia es necesaria para conseguiralta ganancia en dispositivos de pequeaseal

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (IV):PRESTACIONESCircuito equivalente de pequea sealVentajas: trabaja bien para muchas aplicaciones pero en bajas frecuencias.Inconvenientes:El tiempo de trnsito es elevado lo que reduce el valor de la transconductancia y la mxima frecuencia de utilizacin.La capacidad de puerta a canal es elevada lo que reduce la mxima frecuencia de utilizacin. Esta capacidad est compuesta de Cgd y Cgs y su aportacin depende de la regin de funcionamiento.El proceso de fabricacin es la difusin de dopantes lo que implica trabajar con Si que tiene caractersticas de movilidad menores que el AsGa o el InP.El proceso de difusin crea perfiles mucho menos abruptos.Se crea otra unin p-n entre canal y substrato

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (V): MESFETCaractersticas. De los inconvenientes anteriores se derivan las exigencias: Utilizacin de un material semiconductor con mayor movilidad que el Si. Esto conlleva a la utilizacin de uniones Schottky que evitan los procesos de difusin y reducen el tiempo de trnsito.Empleo de tcnicas con capacidad de crear perfiles ms abruptos. Esto lleva a controlar las dimensiones de forma mucho ms precisa (epitaxia haces moleculares)Evitar el uso de una puerta tipo p (lo hace la unin metal semiconductor)Cambio del substrato p por uno de alta resistividad. El conjunto de estas caractersticas ha hecho acudir a otros materiales: AsGa o InPPrestaciones:Sobre las caractersticas del circuito en que se utiliza:Mnima figura de ruido para valores de Ids del 10 al 25% de IdssMnima distorsin para valores de Ids en torno al 50% de IdssMxima ganancia para valores de Ids en torno a IdssLa impedancia de fuente que proporciona mnimo ruido es completamente diferente de la que proporciona la mejor ganancia. La ganancia y la distorsin son bastante insensibles a la impedancia de fuente.

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (VI): MESFET, prestacionesPrestaciones en la polarizacin de un MESFET

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TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (VII): MESFET, prestacionesPrestaciones (continuacin):Impedancia de entrada:En continua, es muy alta, igual que en los JFETEn frecuencias de microondas, el MESFET, tiene una impedancia baja. Como los parsitos resistivos son pequeos la Q de entrada es alta lo que hace difcil su adaptacin, directa, en banda ancha.Resistencia drenador-surtidor del MESFET es alta en bajas frecuencias (igual que JFET y MOSFET) pero es baja para frecuencias por encima de unos pocos de MHz lo que le hace inservible para circuitos de baja frecuencia.Forma de polarizacin (importante):Tiene un voltaje de ruptura relativamente bajo con lo que hay que aislarlo fuertemente de las posibles descargas electrostticas que puedan existir.Es FUNDAMENTAL formar primero el canal (polarizar primero la puerta) y despus modelar la corriente Ids (polarizar el drenador). Por lo tanto a la hora de polarizar un MESFET:Comenzar a subir suavemente a partir del pinch-off la tensin de puerta hasta que se forme el canal.Conectar la tensin de drenador y subir suavemente hasta alcanzar el valor de VDSReducir la tensin de puerta hasta alcanzar el valor de IDS deseado

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INTRODUCCIN A AMPLIFICADORES EN MICROONDAS (I)Origen: amplificadores paramtricos a reflexin construidos bsicamente con varactores y circuladores (desde 1958 hasta dcada de 1970)Utilizan el concepto de resistencia negativa del diodo varctor, diodo Gunn o Impatt.Mejoras en el transistor bipolar de forma que pueda trabajar hasta 10 GHz.Utilizacin de los transistores en transmisin con caractersticas amplificadoras.Clave: miniaturizacin y reduccin de efectos parsitos de inductancia y capacidad. ZLZD

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INTRODUCCIN (II)Desarrollo de la tecnologa de los FET:Mayor movilidad de los dispositivos: se pueden alcanzar frecuencias mayores.Hasta 40 GHz basados en homoestructuras.Hasta 120 GHz basados en heteroestructuras.Problema: efectos parsitos provocan realimentacin del dispositivo que pueden hacerlo oscilar:Inductancia de la fuente a masaCapacidad entre drenador (colector) y puerta (base)

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INTRODUCCIN (III)Objetivo:Determinacin de las impedancias de carga ZS y ZL con que es necesario cargar el transistor, definido a partir de los parmetros S, para conseguir las caractersticas de diseo pedidas al amplificador: estabilidad, ganancia, ruido, desadaptacin a la entrada y a la salida (desajuste entre ZS y Zin ZL y Zout)Medios: Carta de SmithTransformacin bilineal: Zin= f([S], ZL); Zout=f([S], ZS)

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TRANSFORMACIN BILINEALPunto de partida: circunferencia de centro (xo, yo) y radio R

Notacin con nmeros complejos: z=x+jy, zo=xo+jyo

Transformacin bilineal del plano complejo Z en el plano complejo W

Algebraicamente: circunferencias del plano Z se transforman en circunferencias del plano W y viceversa. Comparando (1) y (2), la circunferencia |W|2=2 resulta en una circunferencia en el plano Z con centro y radio: (1)(2)

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DISEO DE AMPLIFICADORES DE MICROONDASUTILIZANDO LOS PARMETROS S DEL TRANSISTORUn transistor viene definido por los parmetros S que da el fabricante o por las medidas que puedan hacerse del mismo conectado a lneas de 50 ohm.Los parmetros S varan con cualquier cambio en la polarizacin, con cualquier variacin en las condiciones de medida (temperatura, humedad, )Hay que dejar algn margen de variacin de los parmetros SObjetivos de diseo:Mxima ganancia de potencia.Mnima figura de ruido.Ganancia estable lo que supone que no haya oscilacionesROE de entrada y salida lo ms cercanas a la unidad.Ganancia uniforme en un ancho de banda (ROE por debajo de un valor en esa banda)Respuesta de fase lineal.Insensibilidad a pequeos cambios en los parmetros SLas topologas en baja frecuencia son vlidas (amplificadores balanceados, cascodo, push-pull, ) pero asegurando la estabilidad del dispositivoEstabilizacin mediante cargas resistivas en entrada, salida o ambas (PADDING)Estabilizacin mediante realimentacin negativa

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GANANCIA DE POTENCIA EN UN AMPLIFICADOR (I)Definiciones: Ganancia de potencia: Gp=(Potencia entregada a la carga)/(Potencia de entrada al amplificador)Ganancia transduccin: G= (Potencia entregada a la carga)/(Potencia disponible del generador)Ganancia disponible: Ga= (Potencia disponible en la carga)/(Potencia disponible del generador)Ganancia en condiciones de estabilidad incondicional:Se puede conseguir adaptacin conjugada SIMULTNEA a la entrada y a la salidaGp= G= Ga= GmaxSi el dispositivo slo es condicionalmente estable, no se puede conseguir adaptacin conjugada simultnea en la entrada y la salida manteniendo la estabilidad del amplificador.

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GANANCIA DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR (II):OBTENCIN DE EXPRESIONES DE GANANCIAMSMLM1=MSM1=ML

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GANANCIA DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR (III):OBTENCIN DE EXPRESIONES DE GANANCIA

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GANANCIA DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR (IV):OBTENCIN DE EXPRESIONES DE GANANCIAGanancia de potencia:

Ganancia de transduccin:

Condiciones de estabilidad incondicional: Factor de Rollet

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GANANCIA DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR (V):CONDICIONES DE UNILATERALIDADEn el caso unilateral se puede aproximar el parmetro s12=0.Las expresiones de la ganancia se simplifican al precio de aparecer un error que hay que analizar si es tolerable o no.Ganancia de transduccin

Ganancia de potencia

Figura de mrito unilateral

Error cometido

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ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (I):CIRCUNFERENCIAS DE ESTABILIDADDefinicin: un amplificador es estable cuando la potencia reflejada en la puerta del amplificador es menor que la potencia incidente.Condicin: el mdulo del coeficiente de reflexin es menor que 1.

Los valores de los coeficientes de reflexin que definen la condicin de estabilidad dependen de las condiciones de carga a la entrada y a la salida que, a su vez, son los objetivos de diseo del amplificador para unas determinadas caractersticas.Objetivo: determinar las cargas L (ZL) (circunferencia de estabilidad de carga) y S (ZS) (circunferencia de estabilidad de fuente) que hacen que IN y OUT son menores que 1.Transformacin bilineal entre L y IN: circunferencia en el plano IN se transforma en circunferencia en el plano L

Transformacin de regiones (para el crculo de estabilidad de carga): el valor L =0 resulta en el plano IN en IN=s11. Si |s11|

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (II):ESTABILIDAD INCONDICIONAL (I)Hay dos situaciones: circunferencia de estabilidad exterior a la carta de Smith carta de Smith interior a la circunferencia de estabilidad|LC|RLC|LC|>1+RLC|LC|RLC|LC|+1

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (III):ESTABILIDAD INCONDICIONAL (II)Condiciones necesarias y suficientes para estabilidad incondicionalFactor de Rollet(1)(2)Sumando (1) y (2) se puede poner

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ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (IV): PROPIEDADES DEL FACTOR DE ROLLETSi se conectan en serie con la entrada y la salida sendas resistencias el factor K queda aumentado ya que no se ve modificado el parmetro z12 (K>K)K no cambia si se aaden al cuadripolo elementos reactivos purosK es invariante con cualquier cambio de referencia de los parmetros S

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ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (V):ESTABILIDAD CONDICIONALPara un dispositivo inestable existen cuatro posibles configuraciones de las circunferencias, de las cuales ser ms importante la ltima configuracin.Crculo de estabilidad cae totalmente fuera de la carta de Smith y |s11|>1: corresponde a K

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (VI):ESTABILIDAD CONDICIONALEl crculo de estabilidad cae totalmente dentro de la carta de Smith: puede haber valores estables dentro o fuera de la carta de Smith dependiendo de s11

El crculo de estabilidad es secante a la carta de Smith (-1

GANANCIA DE AMPLIFICADORES (I)Ganancia de potencia normalizada:Desarrollando esta expresin:

Vemos que es una circunferencia en el plano de impedancias de carga L

Comentarios:Cuando gp tiende a infinito la circunferencia degenera en la de estabilidad de carga.Cuando gp=0, LG=0, RLG=1, que es la carta de SmithSuele ser normal dibujar las circunferencias a saltos de 1 dB desde el mximo:A partir de la MAG para incondicionalmente establesA partir de la figura de mrito para transistores condicionalmente estables.La ecuacin de los centros de las circunferencias de ganancia constante estn sobre la misma recta que los de estabilidad.

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GANANCIA DE AMPLIFICADORES (II): PROPIEDADES DE LOS CRCULOS DE GANANCIADISPOSITIVOS ESTABLESCuando el dispositivo es estable un conjunto de crculos cae dentro de la carta de Smith:

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GANANCIA DE AMPLIFICADORES (III): PROPIEDADES DE LOS CRCULOS DE GANANCIADISPOSITIVOS INESTABLESPropiedades:K

GANANCIA DE AMPLIFICADORES (IV): CRCULOS DE GANANCIA EN CONDICIONES DE UNILATERALIDADS12=0Pueden aparecer nuevas circunferencias de transformacinExpresin de la ganancia:

Nuevos crculos:

Los centros de cada familia caen sobre rectas con ngulo s*11 s*22La mxima ganancia se da cuando gS gL=1 corresponde al punto s*11 s*22

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RUIDO EN AMPLIFICADORES (I)INTRODUCCINDefiniciones:Ruido trmico es el resultante del movimiento de los electrones en una resistencia debido a la agitacin trmica. Se refleja en un voltaje aleatorio en dicha resistencia.No hay forma analtica de definirlo por lo que estadsticamente se considera como un proceso ergdico cuya densidad espectral de potencia (a frecuencias inferiores a 1000 GHz) es constante (funcin de correlacin delta en el origen)Dicha funcin es par por lo que podemos modelarla para f>0:Para un margen de frecuencias: PN=4kTRf

Ruido shot: debido a la naturaleza discreta de los portadores que constituyen la corriente en las uniones p-n. Su valor es proporcional a la tensin de polarizacin y tiene densidad espectral plana.Ruido flicker: proporcional a 1/fEn alta frecuencia, en amplificadores, influyen el shot y el trmico: habr que buscar un punto de polarizacin que con buena ganancia (valor importante de la trasconductancia) tenga el menor ruido shot posible

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RUIDO EN AMPLIFICADORES (II)Caracterizacin del ruido:Figura de ruido a una frecuencia dada es la relacin entre la potencia de ruido existente a la salida del cuadripolo en los casos en que el cuadripolo fuera real e idea.

Interesa amplificadores con un factor de ruido lo ms bajo posible lo que supone que la primera etapa tenga el menor ruido posible.

Modelado del ruido

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RUIDO EN AMPLIFICADORES (III)La red libre (de ruido) no modifica el ruido luego su figura de ruido ser la de la parte ruidosaDescomponemos I en una parte incorrelada con E y otra totalmente correlada

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RUIDO EN AMPLIFICADORES (IV)Si se busca el mnimo de la anterior funcin, resulta para GS=GoExpresando las admitancias en funcin de los coeficientes de reflexinPara una figura de ruido constante resulta un conjunto de circunferenciasLos centros estn sobre la recta cuyo vector de direccin es oRuido mnimo fi =fo se reduce al punto o

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DESADAPTACIN EN AMPLIFICADORES (I):TRANSFORMACIN DE CRCULO DE GANANCIAObjetivo anterior de diseo: elegir cargas de salida y entrada que cumplan unas determinadas especificaciones de ganancia o de ruido y de estabilidad.Adems: mxima transferencia de energa (en la medida de lo posible) lo que supondra adaptacin entrada y/o salida.Herramienta: transformacin del crculo de ganancia del plano L al plano de entrada Nuevo crculo por la transformacin bilineal

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DESADAPTACIN EN AMPLIFICADORES (II):CRCULOS DE DESADAPTACINObjetivo: disear un amplificador con una ROE(in o out) determinada a partir de una carga L S ya seleccionada.Parmetros conocidos y expresiones de partida:

En el caso de un criterio de desadaptacin a la entrada, se conoce una carga de salida determinada L1 que se corresponde con un IN1. La expresin de desadaptacin resulta una circunferencia en el plano S.

Lo mismo se puede hacer para la desadaptacin a la salida:

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AMPLIFICADORES DE VARIAS ETAPAS: CONSIDERACIONES DE GANANCIALa ganancia total del amplificador es el producto de las ganancias parciales slo en los casos de las ganancias de potencia y disponible, no en la ganancia de transduccin ya que slo dependen de una de las cargas.La afirmacin anterior se puede aplicar a la ganancia de transduccin en el caso de que exista adaptacin conjugada simultnea a la entrada y a la salida.Si no existe adaptacin conjugada simultnea la afirmacin sobre los productos de ganancias parciales no es cierta porque se consideraran los coeficientes de desadaptacin (Mi) dos veces.Puede ponerse que:

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AMPLIFICADORES DE VARIAS ETAPAS: CONSIDERACIONES DE RUIDOPotencia de ruido de la primera etapa:Potencia de ruido de la segunda etapa:Potencia de ruido total a la salida:

Potencia de ruido a la salida asociado a una nueva figura de ruido F:

Expresin de la figura de ruido para dos etapas. Figura de ruido para n etapas:

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AMPLIFICADORES DE BANDA ANCHAUn amplificador ideal debera tener una ganancia constante a lo largo de toda la banda. Esto no es as por el decrecimiento del parmetro s21 con la frecuencia.Estrategias para la construccin de un amplificador de banda ancha:Redes de adaptacin reactivas que compensen variaciones de s21. Se traduce en una prdida de adaptacin.Redes de adaptacin con prdidas: buena adaptacin pero disminuye la ganancia y aumenta la figura de ruido.Realimentacin negativa: aplana la respuesta y mejora la adaptacin y estabilidad del dispositivo.MAGff2f1fo

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AMPLIFICADORES BALANCEADOSSon considerados en ocasiones amplificadores de banda ancha.Requiere la utilizacin de hbridos de 90 y mediante una redundancia que da robustez en caso de ruptura de uno de los amplificadores se consigue una ganancia igual a la del amplificador del que proceden.Las etapas individuales se pueden optimizar despreocupndonos de la desadaptacin: las reflexiones se absorbern por los acopladores.Si una seccin falla se traduce en una prdida de 6 dBEl ancho de banda viene limitado por el del hbrido.Hbrido90Hbrido90GAGB5050ohm

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AMPLIFICADORES DE POTENCIA

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DISEO DE UN AMPLIFICADOR DE MICROONDAS Tipo: bipolar, FET Configuracin: EC, BC Clase: A, AB, B, C FabricanteDatos del fabricanteo caracterizacin propiaSeleccin substrato Seleccin del punto de trabajo Circuito DC para obtenerlo Red de desacoplo Red de polarizacin independiente del circuito Clculo de impedancias Sntesis de las redesElementos ajustables

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POLARIZACIN DE AMPLIFICADORESFunciones:Fija el punto de polarizacin del circuito: Circuito de polarizacin (fija Vg y Vd) (1)La seal RF no debe introducirse en el circuito DC (2)El circuito RF no debe verse afectado por el circuito DC: reduce el efecto de las descargas transitorias y garantiza un corto en RF (3)Los circuitos RF exteriores no deben verse afectados por la polarizacin del circuito en cuestin: asla etapas de RF (4)Se pueden utilizar dos fuentes de polarizacin o una (autopolarizado)Estructura:Elementos concentrados. Elementos distribuidos.(1)(2)(3)(4)

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EJEMPLO DE TRAZADO FSICO PARA UN RADIADOR ACTIVO EN RECEPCIN (AMPLIFICADOR SIN RED DE ADAPTACIN EN LA ENTRADA

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AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (Centro Astronmico Yebes)

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AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO (II) (Centro Astronmico Yebes)

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CONCLUSIONESSe ha abordado el diseo de amplificadores en microondasEl objetivo ha sido el diseo de cargas de entrada y salida que lleven al dispositivo transistor a cumplir unas caractersticas de estabilidad, ganancia, ruido, desadaptacin, anchura de banda y potencia determinadas.Herramientas matemticas a utilizar: carta de Smith y transformacin bilineal.Redes implicadas:De adaptacin para sintetizar las impedancias requeridas.De polarizacin para poner al dispositivo en unas condiciones de trabajo dadas.Ambas tienen que estar perfectamente aisladas entre s.Amplificadores de varias etapas

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