Microondas. Tema 4: Amplificadores de microondas con transistores. Pablo Luis López Espí

Transcripción

1 Microondas Tema 4: Amplificadores de microondas con transistores Pablo Luis López Espí

2 1 Amplificadores de microondas con transistores Estudio de los parámetros de un transistor. Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa. Estudio de la estabilidad. Circunferencias de estabilidad. Factor de Rollet. Amplificador incondicionalmente estable. Amplificador condicionalmente estable. Diseños óptimos en ganancia. Adaptación conjugada simultanea. Máxima ganancia disponible, MA. Amplificadores con una puerta desadaptada. Máxima ganancia estable, M. anancia en potencia. Circunferencias de ganancia en potencia. anancia disponible. Circunferencias de ganancia disponible. Diseños óptimos en ruido. Figura de ruido mínima. Circunferencias de figura de ruido. Aproximación unilateral.

3 Estudio de los parámetros de un transistor Un transistor con un terminal común puede caracterizarse mediante una matriz de dimensión x

4 3 Estudio de los parámetros de un transistor (II) Cuál es el significado físico de estos parámetros? 11 y son los coeficientes de reflexión a la entrada y la salida si se carga con la impedancia de referencia. Pueden representarse sobre la carta de mith! 1 y 1 son las ganancias de transferencia en sentido directo e inverso Pueden representarse sobre una carta polar o sus módulos sobre ejes cartesianos! TODO ELLO DEPENDIENTE DEL PUNTO DE POLARIZACIÓN Y LA FRECUENCIA!

5 Estudio de los parámetros de un transistor (III) Representación de los parámetros del BFR93, Vce 5 V, Ic 30 ma, f 0, 1 hz 4 11 y

6 Estudio de los parámetros de un transistor (IV) Representación de los parámetros del BFR93, Vce 5 V, Ic 30 ma, f 0, 1 hz 5 1 y 1

7 Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa Diseñar un amplificador consiste en encontrar los valores de las impedancias óptimas a colocar a su entrada y salida para maximizar su ganancia de transferencia o minimizar su figura de ruido 6

8 7 Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa (II) Circuito equivalente: T 1 Γ 1 Γ L L 1 D 1 Γ11 1 ΓOUTΓL P P Γ Γ 1 1 L IN Γ L Γ Γ OUT 1 Γ 11

9 8 Estudio de la estabilidad e pretenden detectar las situaciones en las que el amplificador se convierte en un oscilador, es decir, EXITE EÑAL EN AUENCIA DE EXCITACIÓN ΣV 0 i 0 ΣZ 0 Z + Z 0 IN i R X R IN X UNA DE LA DO PREENTA IMPEDANCIA CON PARTE REAL NEATIVA! i IN

10 9 Estudio de la estabilidad (II) Para que no exista oscilación la impedancia de entrada debe tener parte real siempre positiva. 1 1 L Γ IN 11 + < 1 ΓL 1 1 Γ OUT + < 1 11Γ Una vez elegido el transistor y su punto de polarización, la estabilidad de una puerta solo depende de la carga de la otra. Hay que detectar los valores de coeficiente de reflexión en la carga que hacen el coeficiente de reflexión a la entrada mayor o igual que uno! Γ Γ 1 1

11 Estudio de la estabilidad (III) i para cualesquiera valores de ГL y Г correspondientes a cargas pasivas, los valores de los módulos Гin y Гout son menores que la unidad, entonces se dice que el transistor es INCONDICIONALMENTE ETABLE. En caso contrario, se dice que el transistor es CONDICIONALMENTE ETABLE. 10

12 11 Circunferencias de estabilidad Para la puerta de entrada, se trata de resolver: Γ 1 1 L ΓL La ecuación anterior representa una circunferencia de centro y radio dados por: C L ( * ) * 11 ; r L Las soluciones son los valores de ГL que hacen Zin 0 + jx

13 1 Circunferencias de estabilidad (II) Análogamente, considerando la salida del transistor Γ Γ La ecuación anterior representa una circunferencia de centro y radio dados por: C ( * ) * 11 ; r Las soluciones son los valores de Гg que hacen Zout 0 + jx

14 13 Circunferencias de estabilidad (III) Consideremos un transistor caracterizado por la siguiente matriz : Z º 35º º º Los valores de los centros y radios de los círculos de estabilidad son: C r º C r L L º 1.713

15 14 Circunferencias de estabilidad (IV) Estabilidad a la entrada Amplificadores de microondas con transistores

16 15 Circunferencias de estabilidad (V) Estabilidad a la salida Amplificadores de microondas con transistores

17 Circunferencias de estabilidad (VI) El círculo delimita las regiones que hacen el coeficiente de reflexión mayor o menor que uno. Para determinar cual región corresponde a cada caso es necesario probar valores: Z 0,1 j Γ 0,98 + j0,198 Γ 1,1 Z OUT 1 Γ 0 Γ 0,365 OUT 34 Z j Γ 0,6+ j0,8 Γ 1,03 Z L L IN 1 Γ 0 Γ 0,770 L L IN ,67 50,87 16 Regla práctica: i los módulos de los parámetros 11 y son menores que la unidad los centros de las cartas de mith de salida y entrada respectivamente pertenecen a la región estable

18 17 Factor de Rollet El factor de ROLLET Permite valorar numéricamente si un transistor es incondicionalmente o condicionalmente estable. El transistor es incondicionalmente estable si se cumple que: K > 1 < 1 K Otra posibilidad es emplear el factor de Edwards-insky para medir la estabilidad. La estabilidad del transistor es mayor cuanto mayor sea el valor de µ. µ 1 11 > *

19 Amplificador incondicionalmente estable. i el transistor es incondicionalmente estable, es posible la adaptación conjugada simultánea: Γ Γ Γ * L OUT ML Γ Γ Γ * IN M e obtiene en este caso la máxima ganancia disponible, MA. 18 adaptacion conjugada simul tan ea ( ) 1 1 T MA K K 1

20 Amplificador condicionalmente estable En los diseños en los que no es posible conseguir la MA (K<1) se fija una cota de seguridad en el cálculo de la ganancia llamada Máxima anancia Estable, M. Es el límite de la MA cuando el factor de Rollet es igual a 1. M

21 0 Amplificadores de microondas con transistores Estudio de los parámetros de un transistor. Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa. Estudio de la estabilidad. Circunferencias de estabilidad. Factor de Rollet. Amplificador incondicionalmente estable. Amplificador condicionalmente estable. Diseños óptimos en ganancia. Adaptación conjugada simultanea. Máxima ganancia disponible, MA. Amplificadores con una puerta desadaptada. Máxima ganancia estable, M. anancia en potencia. Circunferencias de ganancia en potencia. anancia disponible. Circunferencias de ganancia disponible. Diseños óptimos en ruido. Figura de ruido mínima. Circunferencias de figura de ruido. Aproximación unilateral.

22 Adaptación conjugada simultánea Para lograr la adaptación conjugada simultánea es condición suficiente: K >1 Γ Γ Γ Γ T M IN ML L OUT Γ Γ MA 1

23 Adaptación conjugada simultánea (II) Coeficientes de reflexión que adaptan conjugadamente de manera simultánea A ( 11 ) 1 B ± B 4 A Γ ' Γ M A Γ '' L L L L B ± B 4 A Γ ' Γ ML AL Γ L '' ( 11 ) B + + L L ( 11 ) A ( 1 11 ) B + +

24 3 Amplificadores con una puerta desadaptada Por razones de estabilidad, o por objetivos de diseño, puede ser necesario o deseable desadaptar alguna de las puertas del transistor. En estos casos, las impedancias hacia el generador o la carga son diferentes de las impedancias que adaptan conjugadamente la entrada y la salida. En temas anteriores estudiamos la ganancia en potencia y la ganancia disponible. 1 Γ DL 1 1 D 1 11Γ 1 ΓOUT P D f Γ P P 1 1 Γ L L P 1 f Γ P 1 Γ 1 Γ IN IN L ( ) ( ) L

25 4 Circunferencias de ganancia disponible i se deja desadaptada la puerta de salida y se adapta la puerta de entrada, la ganancia de transferencia coincide con la ganancia en potencia. Los valores de coeficiente de reflexión que consiguen una misma cantidad de ganancia disponible se encuentran situados en una circunferencia sobre la carta de mith. C r D D * gc d gd d 1 ( ) 1 g 1 d CD 1+ gd d 1 g d D 1 C D *

26 5 Circunferencias de ganancia disponible (II) Consideremos el transistor condicionalmente estable visto con anterioridad: Z La M del transistor es: º 35º º º M Algunos valores de los centros y radios de los círculos de estabilidad son: C r D D M M 0, ,03º 0,18 C r D 1 D 1 M db M db 10,69 3,4dB 0, ,03º 0,187

27 6 Circunferencias de ganancia disponible (III) Estabilidad M M db M 5 db M 10 db M 15 db

28 7 Circunferencias de ganancia en potencia i se deja desadaptada la puerta de entrada y se adapta la puerta de salida, la ganancia de transferencia coincide con la ganancia en potencia. Los valores de coeficiente de reflexión que consiguen una misma cantidad de ganancia en potencia se encuentran situados en una circunferencia sobre la carta de mith. C r P P * gc p 1 + g D p ( ) 11 1 g 1 p CP 1+ g D p g p P 1 C D * 11

29 8 Circunferencias de ganancia en potencia (II) Consideremos el transistor condicionalmente estable visto con anterioridad: Z La M del transistor es: º 35º º º M Algunos valores de los centros y radios de los círculos de estabilidad son: C r D P M M 0,966 51,0º 0,338 1 C r P P 1 M db M db 10,69 3,4dB 0,706 51,0º 0,411

30 9 Circunferencias de ganancia en potencia (III) M M db M 5 db M 10 db M 15 db Estabilidad

31 30 Amplificadores de microondas con transistores Estudio de los parámetros de un transistor. Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa. Estudio de la estabilidad. Circunferencias de estabilidad. Factor de Rollet. Amplificador incondicionalmente estable. Amplificador condicionalmente estable. Diseños óptimos en ganancia. Adaptación conjugada simultanea. Máxima ganancia disponible, MA. Amplificadores con una puerta desadaptada. Máxima ganancia estable, M. anancia en potencia. Circunferencias de ganancia en potencia. anancia disponible. Circunferencias de ganancia disponible. Diseños óptimos en ruido. Figura de ruido mínima. Circunferencias de figura de ruido. Aproximación unilateral.

32 31 Amplificadores de figura de ruido mínima La figura de ruido que presenta un amplificador solo depende de las condiciones de adaptación a la entrada del transistor. F F + ( ) min Los parámetros de ruido del transistor son Fmin, Гopt y Rn. us valores varían con la frecuencia y el punto de polarización. Puesto que, en general, Гopt y Гmg no coinciden, no es posible conseguir simultáneamente máxima ganancia y mínima figura de ruido. 4rn Γ Γopt Rn rn 1 Γ 1+Γ Z0 opt

33 Circunferencias de figura de ruido constante Los valores de coeficiente de reflexión hacia el generador que dan lugar a igual figura de ruido están situados sobre una circunferencia en la carta de mith del plano de entrada. e define N como: N El centro y radio de los círculos es: Γ Γopt F Fmin 1+Γ 1 Γ 4r n opt 3 1 ( 1 ) Γopt + + Γopt C 1+ N N 1 + N rn N N

34 33 Circunferencias de figura de ruido constante (II) F min Γ R opt n 1dB 0, 10Ω 150º Fmin Fmin + 0,5 db Fmin + 1,0 db Fmin + 1,5 db Fmin +,0 db

35 34 Amplificadores de microondas con transistores Estudio de los parámetros de un transistor. Diagrama de bloques de un amplificador de una etapa. Estudio de la estabilidad. Circunferencias de estabilidad. Factor de Rollet. Amplificador incondicionalmente estable. Amplificador condicionalmente estable. Diseños óptimos en ganancia. Adaptación conjugada simultanea. Máxima ganancia disponible, MA. Amplificadores con una puerta desadaptada. Máxima ganancia estable, M. anancia en potencia. Circunferencias de ganancia en potencia. anancia disponible. Circunferencias de ganancia disponible. Diseños óptimos en ruido. Figura de ruido mínima. Circunferencias de figura de ruido. Aproximación unilateral.

36 35 Aproximación unilateral Un cuadripolo se dice unilateral cuando su parámetro 1 0 En este caso: Tu ( Γ ) ( ) Γ IN OUT Γ 11 ( Γ ) L Γ 1 Γ ( ) 1 11 L Tu 1 0

37 36 Aproximación unilateral (II) Diseño incondicionalmente estable: < 1; < 1 11 El valor máximo de ganancia tumáx se obtiene mediante adaptación conjugada simultánea de entrada y salida Tu Γ L * 11 * 1 1 max 1 Γ

38 37 Aproximación unilateral (III) Los valores de Γ o ΓL que provocan un mismo valor de ganancia 1 o están situados en sendas circunferencias sobre la carta de mith C r 1 + * ( ) C r 1 + * 1 1 ( ) 1+

39 38 Aproximación unilateral (IV) Diseño condicionalmente estable: > 1 o > 1 11 La oscilación es posible cuando se cumple alguna de las siguientes condiciones: 1 1 Γ o Γ L 11 e debe elegir el coeficiente de reflexión de manera que su parte real sea mayor que la del punto 1/ii* Propiedad de la carta de mith: La resistencia negativa asociada a un coeficiente de reflexión se puede calcular obteniendo el punto conjugado inverso, interpretando las circunferencias de resistencia como negativas y las de reactancia tal cual

40 39 Aproximación unilateral (V) Error cometido en la aproximación unilateral T Tu X 1 1 X 1 1 Γ Γ ( 1 Γ )( 1 Γ ) 11 Para el caso de la ganancia máxima unilateral, se define el factor de mérito unilateral, U: U ( )( 1 ) 11 1 L 1 1 < < 1+ X 1 L T Tu X T 1 < < 1+ U Tu 1 U max