C ít l 10: Capítulo 10 Amplificadores de microondas Objetivo: Diseño de amplificadores de microondas. Se partirá de los parámetros medidos o proporcionados por el fabricante para llegar a construir un amplificador con las características pedidas de: estabilidad, ganancia, ruido, ancho de banda y desadaptación a la entrada y salida pedida (ROEin y ROEout). ) Será indispensable, desde el punto de vista de diseño, el manejo de la carta de Smith. T bié se verán También á características í i adicionales di i l de d diseño di ñ como estrategias de polarización. Por último se contemplarán los tipos de amplificadores de potencia. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 1

ÍNDICE • • • • • • • • • • • •

Índice. I Introducción. d ió Propiedades de la transformación bilineal. Criterios de diseño de amplificadores de microondas en transmisión transmisión. Estabilidad de amplificadores de microondas: circunferencias de estabilidad. Ganancia en amplificadores de microondas: circunferencias de ganancia. Ruido en amplificadores de microondas: circunferencias de ruido. Desadaptación de entrada y salida: circunferencias de desadaptación. A lifi d Amplificadores de d banda b d ancha. h Polarización de amplificadores. Amplificadores de potencia. potencia Conclusiones.

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 2

INTRODUCCIÓN A AMPLIFICADORES EN MICROONDAS (I) () •

Origen: amplificadores paramétricos a reflexión construidos básicamente con varactores y circuladores (desde 1958 hasta década de 1970) – Utilizan el concepto de resistencia negativa del diodo varáctor, diodo Gunn o Impatt.

Transformador

IS ZS

• • •

ZD

ZL

Las mejoras realizadas en el transistor bipolar durante la década de los 70 le permitieron que pudiera trabajar como oscilador hasta 10 GHz. GHz Al mismo tiempo se empezaron a utilizar BJTs y MESFETs en circuitos amplificadores en transmisión. Clave: miniaturización y reducción de efectos parásitos de L y C. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 3

INTRODUCCIÓN (II): DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE MICROONDAS EN TRANSMISIÓN • • • •

Se abordará el diseño de amplificadores basados en dispositivos semiconductores. El funcionamiento de los dispositivos será en transmisión transmisión. Se utilizará tecnología híbrida, se integran líneas de transmisión impresas con circuitos integrados (tecnología MIC, microwave integrated circuits). No se presentará la tecnología monolítica (MMIC, monolithic microwave integrated circuits) donde todas las redes aparecen integradas en un circuito único. El diseño de cualquier amplificador en tecnología híbrida requiere distintas tareas. tareas En rojo se marcan las tareas de diseño, propiamente dicho. – – – – – –

Elección del dispositivo transistor. C Caracterización i ió del d l mismo. i Elección del substrato. Diseño de la red de polarización. Diseño de la red de microondas o radiofrecuencia. Medida y ajuste del amplificador.

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 4

INTRODUCCIÓN (III): DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE MICROONDAS • Tipo: bipolar, FET • Configuración: EC, BC • Clase: A, AB, B, C Selección substrato • Fabricante

Elección El ió del d l dispositivo

Caracterización C i ió del dispositivo

Datos del fabricante o caracterización propia

Tecnología

Redd de R d polarización

• Cálculo de impedancias • Síntesis de las redes

Diseño Di ñ dde redes d de adaptación

Medida M did y ajuste

Elementos ajustables

• Selección S l ió ddell punto de d trabajo b j • Circuito DC para obtenerlo • Red de desacoplo • Red R d de d polarización l i ió independiente i d di t del d l circuito i it

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 5

INTRODUCCIÓN (IV): elección del dispositivo •

•

La tecnología bipolar se utiliza para aplicaciones de hasta 8 GHz, en amplificadores lifi d dde ganancia i ((no son recomendables d bl en bbajo j ruido) id ) y para osciladores por su bajo ruido de fase. Desarrollo de la tecnología de los FET: – En aplicaciones donde el ruido sea importante es la primera opción. – Mayor movilidad de los dispositivos: se pueden alcanzar frecuencias mayores. • Hasta 40 GHz basados en homoestructuras homoestructuras. • Hasta 120 GHz basados en heteroestructuras.

•

Problema: efectos parásitos provocan realimentación del dispositivo que pueden hacerlo oscilar: – Inductancia de la fuente a masa – Capacidad entre drenador (colector) y puerta (base)

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 6

INTRODUCCIÓN (V): diseño de la red de radiofrecuencia ZS IS

• • •

Red de adaptación de entrada

ZL Red de adaptación de salida

A partir de este instante se prestará atención al diseño de la red de radiofrecuencia y se dejará para el final del tema la red de polarización. La red de radiofrecuencia tendrá por objeto sintetizar las impedancias de fuente (ZS) y de carga (ZL) para conseguir las propiedades que se buscan. Dichas impedancias se consiguen por las llamadas redes de adaptación de entrada y salida. Estas redes, más que redes de adaptación, son redes de transformación de impedancias que transforman las impedancias terminales en las requeridas (ZS) y (ZL). ) Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 7

INTRODUCCIÓN (VI): objetivo ZL

ZS IS Zf •

•

Red de adaptación d entrada de t d

[S] Zin

Zout

Red de adaptación d salida de lid

Zc

Objetivo: – Determinación de las impedancias de carga ZS y ZL con que es necesario cargar el transistor definido a partir de los parámetros S, transistor, S para conseguir las características de diseño pedidas al amplificador: estabilidad, ganancia, ruido, desadaptación a la entrada y a la salida (desajuste entre ZS y Zin ó ZL y Zout) Medios: – Carta de Smith – Transformación bilineal: Zin= f([S], ZL); Zout=f([S], ZS)

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 8

TRANSFORMACIÓN BILINEAL (I) •

Punto de partida: – El lugar geométrico de las cargas objeto de diseño suele ser una circunferencia. – La relación entre cargas en dos planos diferentes viene dada por una transformación bilineal. – Una circunferencia en un plano A, mediante una transformación bilineal, se transforma en otra circunferencia en un plano B

•

Repaso, ecuación de una circunferencia: circunferencia, centro (xo, yo) y radio R

•

La carta de Smith trabaja en el plano complejo, luego es conveniente trabajar en dicho p plano. Notación con números complejos: z=x+jy, zo=xo+jyo

•

(x − xo )2 + ( y − yo )2 = R 2 ⇒ x 2 + y 2 − 2 xxo − 2 yyo + (xo2 + yo2 − R 2 ) = 0

Z − Z o − R 2 = 0 ⇒ (Z − Z o ) ⋅ (Z − Z o ) − R 2 = 0 2

*

(

)

Z ⋅ Z * − Z ⋅ Z o* − Z * ⋅ Z o + Z o ⋅ Z o* − R 2 = 0

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

(1) Microondas-10- 9

TRANSFORMACIÓN BILINEAL (II) • •

El siguiente g paso p es la transformación de un lugar g geométrico g en un plano p en otro lugar geométrico en otro plano. Transformación bilineal del plano complejo Z en el plano complejo W A⋅ Z + B A ⋅ Z + B A* ⋅ Z * + B * 2 2 2 W= ⇒W =ρ ⇒ ⋅ * * − ρ =0 * C⋅Z + D C ⋅Z + D C⋅Z + D

•

Algebraicamente: circunferencias del plano Z se transforman en circunferencias del plano W y viceversa.

(

)

(

)

(

) (

)

Z ⋅ Z * ⋅ A ⋅ A* − ρ 2C ⋅ C * − Z ⋅ ρ 2C ⋅ D * − A ⋅ B * − Z * ⋅ ρ 2 D ⋅ C * − B ⋅ A* + B ⋅ B * − ρ 2 D ⋅ D * = 0

•

Comparando (1) y (2), la circunferencia |W|2=ρ2 resulta en una circunferencia en el pplano Z con centro y radio: Zo

(ρ =

2

D ⋅ C * − B ⋅ A* 2

A − ρ2 ⋅ C

2

); R = ρ ⋅

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

A⋅ D − B ⋅C 2

A − ρ2 ⋅ C

2

Microondas-10- 10

((2))

DISEÑO DE AMPLIFICADORES DE MICROONDAS UTILIZANDO LOS PARÁMETROS S DEL TRANSISTOR • •

Un transistor viene definido por los parámetros S que da el fabricante o por las medidas que puedan hacerse del mismo conectado a líneas de 50 ohm. Los parámetros S varían con cualquier cambio en la polarización, con cualquier variación en las condiciones de medida (temperatura, humedad, …) – Hay que dejar algún margen de variación de los parámetros S

•

Objetivos de diseño: – – – – – – –

•

Máxima ganancia de potencia. Mínima figura de ruido. ruido Ganancia estable lo que supone que no haya oscilaciones ROE de entrada y salida lo más 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 pequeños cambios en los parámetros S

Las topologías L t l í en baja b j frecuencia f i son válidas álid (amplificadores ( lifi d balanceados, b l d cascodo, push-pull, …) pero asegurando la estabilidad del dispositivo – Estabilización mediante cargas resistivas en entrada, salida o ambas (PADDING) – Estabilización mediante realimentación negativa Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 11

RESUMEN DE PROPIEDADES EN EL DISEÑO DE LA RED DE RADIOFRECUENCIA DE UN AMPLIFICADOR PROPIEDAD Estabilidad

CARACTERÍSTICA

PLANO ΓS

Entrada (se define en Γin que depende de ΓL) Salida (se define en Γout que depende de ΓS)

X X

Potencia Ganancia

X

Transducción

X

Disponible

X

Ruido

PLANO ΓL

X

X Entrada

Desadaptación

X

Salida

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

X

Microondas-10- 12

CONCEPTO DE GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (I) •

Definiciones: – Ganancia i de d potencia: i Gp=(Potencia ( i entregada d a la l carga)/(Potencia )/( i de d entrada d all amplificador) lifi d ) – Ganancia transducción: G= (Potencia entregada a la carga)/(Potencia disponible del generador) – Ganancia disponible: Ga= (Potencia disponible en la carga)/(Potencia disponible del generador)

•

•

Desde el punto de vista de diseño la ganancia importante es la de transducción ya que relaciona las potencias a las que se tienen acceso real: la potencia que recibe la carga y la potencia que entrega el generado. No obstante, por razones de simplificar el diseño y considerar sólo una carga (en el plano de salida o en el de entrada), se suele hacer un diseño en términos de ganancia de potencia (plano de salida) o disponible (plano de entrada). – Se suele utilizar la ganancia de potencia cuando queremos separar el plano de salida en donde diseñamos la ganancia de potencia del plano de entrada donde diseñaríamos para un ruido óptimo. – Las L circunferencias i f i de d ganancia i de d potencia i NO tienen i iintersección ió con las l de d ruido. id – Las circunferencias de ganancia disponible SÍ tienen intersección con las de ruido.

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 13

CONCEPTO DE GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (II) • •

•

Se anticipa el concepto de estabilidad en un amplificador para poder generalizar las definiciones de ganancia. g Un amplificador es estable cuando no oscila, es decir cuando la potencia reflejada en la puerta del amplificador es menor que la potencia incidente. Esto supone que el módulo del coeficiente de reflexión es menor qque 1. ΓIN < 1 y ΓOUT < 1 Ganancia en condiciones de estabilidad incondicional. Independientemente de la carga que se conecta conecta, siempre se verifica la condición anterior. anterior Entonces: – Se puede conseguir adaptación conjugada SIMULTÁNEA a la entrada y a la salida – Gp= G= Ga= Gmax

•

•

Condiciones C di i de d estabilidad t bilid d condicional: di i l dependiendo d di d de d las l cargas que se conecten, t ell amplificador será estable o inestable. El carácter de estabilidad del transistor es uno, pero las regiones de estabilidad de entrada o de salida son diferentes. Si ell di dispositivo i i sólo ól es condicionalmente di i l estable, bl no se puede d conseguir i adaptación d ió conjugada simultánea en la entrada y la salida manteniendo la estabilidad del amplificador. Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 14

CONCEPTO DE GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (III) • • •

La figura muestra el conjunto de cargas y de transformaciones entre ellas que ocurren en el diseño de un amplificador. p Se vuelve a insistir que el diseño consistirá en sintetizar ZS y ZL pero ZS influye en el valor de Zout mientras que ZL en Zin En esos planos de entrada y salida habrá que considerar la desadaptación que se produce mediante el coeficiente de desadaptación M.

ZS

ZL

ZS a1

VS

ΓS

b1

Γin Zin

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Γout

[S] Zout

a2 b2

ΓL

Microondas-10- 15

ZL

GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (IV): OBTENCIÓN DE EXPRESIONES DE GANANCIA Zo

VS

Red a1 adapta ΓS Γin entrada b1 Zin M1=MS

•

•

•

ZL

ZS

MS

[S]

Γout Zout

a2 b2

ΓL

Red adapta Z o salida M1=ML

ML

En el plano de entrada (S, source) y en el plano de salida (L, load) los coeficientes de d d t ió son MS y ML y representan desadaptación t la l discrepancia di i entre t ZS y ell conjugado j d de d Zin (MS) y entre ZL y el conjugado de Zout (ML). Por el teorema enunciado en el capítulo 3 sobre el coeficiente de desadaptación se puede afirmar fi que ell coeficiente fi i t de d desadaptación d d t ió a lo l largo l de d la l redd de d entrada t d y de d la l redd de d salida lid permanecen constantes. Es decir: MS =M1 y ML =M2 En el plano donde se encuentra M1 podemos identificar el coeficiente de reflexión conjugado con ell coeficiente fi i de d reflexión fl ió a la l línea lí y con los l parámetros á con él relacionados. l i d Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 16

GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (V): OBTENCIÓN DE EXPRESIONES DE GANANCIA Zo

ZL

ZS

Red a1 Adapta ΓS Γin entrada b1 Zin

VS

Γout

[S]

Zout

MS

M1=MS

a2 b2

Red Adapta Z o salida

ΓL

M =M

M

1 L L PL ⎧ 2 G = 1 ⎫ Pinc = ⋅ V + ⋅ Yc ⎪ ⎪⎪ p Pin 2 ⎬⇒ ⎨ P 2 2 Pin = 1 − ρ S ⋅ Pinc ⎪⎭ ⎪G = L = 1 − ρ S ⋅ G p ⎪⎩ Pinc Por el teorema de invarianza del coeficiente de desadaptación. Desarrollando a partir del plano 1

(

2

M S = 1 − ρS =

4 ⋅ RS ⋅ RIN Z S + Z IN

2

= M1

(

)

ROE1 =

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

1 + Γ1 1 − Γ1

)

=

1 + 1 − M1 1 − 1 − M1

teorema

=

1+ 1− M S 1− 1− M S

Microondas-10- 17

=

1+ ρS 1− ρS

CONCEPTO DE GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (VI): OBTENCIÓN DE EXPRESIONES DE GANANCIA ZS

ZL

ZS

a2

a1 Γin

ΓS

VS

b1

Parámetros S del transistor

⎧b1 = s11a1 + s12 a2 ⎨ ⎩b2 = s21a1 + s22 a2

ΓL

Zin

a2 = ΓL b2

Parámetro de entrada:

s12 ⋅ s21 ⋅ ΓL (s11 − Δ ⋅ ΓL ) = 1 − s22 ⋅ ΓL 1 − s22 ⋅ ΓL Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

ZL

b2

Zout

Condición de terminación

ΓIN = s11 +

Γout

[S]

2

VS Pin = Pdispp ⋅ MS = ⋅ MS 8RS MS = ML =

2

(= 1− Γ )⋅ (1− Γ )

2

(1− Γ )⋅ (1− Γ ) =

2

4RinRS ZS + ZIN

S

1− ΓIN ⋅ ΓS

2

2

4RoutRL ZL + ZOUT

2

IN

2

OUT

1− ΓOUT ⋅ ΓL

Microondas-10- 18

L

2

GANANCIA DE POTENCIA DE UN AMPLIFICADOR (VII): OBTENCIÓN DE EXPRESIONES DE GANANCIA •

•

Ganancia de potencia: 2 2 s21 ⋅ 1 − ΓL PL GP = = PIN 1 − s22 ⋅ ΓL 2 ⋅ 1 − ΓIN Ganancia de transducción:

(

2

GT = G = GP ⋅ M S =

•

)

(

(

s21 ⋅ 1 − ΓS 2

2

2

)

=

s21 s12

s12

)

1 − s22 ⋅ ΓL − s11 − Δ ⋅ ΓL

)⋅ (1 − Γ ) = 2

L

2

(

2

2

;Δ = s11 ⋅ s22 − s12 ⋅ s21

(

s21 ⋅ 1 − ΓS

2

)⋅ (1 − Γ ) 2

L

(1 − s11 ⋅ ΓS ) ⋅ (1 − s22 ⋅ ΓL ) − s21 ⋅ s12 ⋅ ΓS ⋅ ΓL 2

* Z S = Z IN

Condiciones de estabilidad incondicional:

s21

2

2

1 − s22 ⋅ ΓL 1 − ΓIN ⋅ ΓS

GP = G p , MAX = G = GMAX =

(

2

s21 ⋅ 1 − ΓL

ZL =

K >1

* Z OUT

)

⋅ K − K 2 − 1 = MAG

= figura de mérito

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Factor de Rollet

K =

1 − s11

2

− s 22

2

2 s12 ⋅ s 21 Microondas-10- 19

+ Δ

2

CONCEPTO DE GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR (VIII): CONDICIONES DE UNILATERALIDAD • • • •

•

En el caso unilateral se puede aproximar el parámetro s12=0. L expresiones Las i de d la l ganancia i se simplifican i lifi all precio i de d aparecer un error que hay que analizar si es tolerable o no. 2 2 2 s21 ⋅ 1 − ΓS ⋅ 1 − ΓL Ganancia de transducción GTU = G = (1 − s11 ⋅ ΓS ) ⋅ (1 − s22 ⋅ ΓL ) 2 Ganancia de potencia 2 2 s21 ⋅ 1 − ΓL GPU = ; 2 2 1 − s22 ⋅ ΓL ⋅ 1 − s11 Figura de mérito unilateral

U=

(

)(

(

)

(

Error cometido

1

(1 + U )2

<

)

s12 ⋅ s 21 ⋅ s11 ⋅ s 22

(1 − s )⋅ (1 − s ) 2

11

•

)

2

22

GT 1 < GTU (1 − U )2

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 20

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (I): CIRCUNFERENCIAS DE ESTABILIDAD • •

Definición: un amplificador es estable cuando la potencia reflejada en la puerta del amplificador es menor que la potencia incidente. Condición: di i ell módulo d l del d l coeficiente fi i de d reflexión fl i es menor que 1.

ΓIN =

•

• •

(s11 − Δ ⋅ ΓL ) < 1

ΓOUT =

(s22 − Δ ⋅ ΓS ) < 1

1 − s 22 ⋅ ΓL 1 − s11 ⋅ ΓL Los valores de los coeficientes de reflexión que definen la condición de estabilidad dependen de las condiciones de carga a la entrada y a la salida que, a su vez, son los j de diseño del amplificador p para p unas determinadas características. objetivos Objetivo: determinar las cargas ΓL (ZL) (circunferencia de estabilidad de carga) y ΓS (ZS) (circunferencia de estabilidad de fuente) que hacen que ΓIN y ΓOUT son menores que 1. Transformación bilineal entre ΓL y ΓIN: circunferencia en el plano ΓIN se transforma en circunferencia en el plano ΓL * * * s12 ⋅ s21 s12 ⋅ s21 ( s22 − Δ ⋅ s11* ) s − Δ ⋅ s 11 22 ΓLC = RSC = RLC = ΓSC = 2 2 2 2 2 2 2 2 s22 − Δ s22 − Δ s11 − Δ s11 − Δ Transformación de regiones (para el círculo de estabilidad de carga): el valor ΓL =0 resulta en el plano ΓIN en ΓIN=s11. Si |s11|1+RLC Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

-j0.5

-j2 -j1

|ΓLC|+11

s11 < 1; s 22 < 1 s12 ⋅ s 21 < 1 − s11

2

s12 ⋅ s 21 < 1 − s 22

2

(1) (2)

Sumando (1) y (2) se puede poner 2

K > 1+

Δ −1 2 s12 ⋅ s21

Δ = s11 ⋅ s22 − s12 ⋅ s21 Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 23

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (IV): PROPIEDADES DEL FACTOR DE ROLLET

K ]z = K ]y =

• • •

2r11r22 − Re(z12 ⋅ z 21 ) z12 ⋅ z 21

2 g11 g 22 − Re R ( y12 ⋅ y21 ) y12 ⋅ y21

Si se conectan en serie con la entrada y la salida sendas resistencias el factor K queda d aumentado t d ya que no se ve modificado difi d ell parámetro á t z12 (K’>K) K no cambia si se añaden al cuadripolo elementos reactivos puros K es invariante con cualquier cambio de referencia de los parámetros S

Grupo de Radiofrecuencia, UC3M, Septiembre 2009. Tema 10: Amplificadores de Microondas

Microondas-10- 24

ESTABILIDAD EN AMPLIFICADORES (V): ESTABILIDAD CONDICIONAL •

Para un dispositivo inestable existen cuatro posibles configuraciones de las circunferencias, de las cuales será más importante la última configuración. – Cí Círculo l de d estabilidad bilid d cae totalmente l fuera f de d la l carta de d Smith S i h y |s | 11|>1: | 1 corresponde d aK K