Los circuitos amplificadores han recibido la máxima atención en el desarrollo de circuitos de estado sólido. Los transistores (dispositivos del estado sólido de tres terminales) requieren redes de acoplamiento de impedancias tanto para la entra como para la salida. La configuración básica del dispositivo transistor de tres terminales se muestra en la figura.
Algunas de las características más notables de los amplificadores para altas frecuencias que utilizan transistores bipolares son:
• Baja sensibilidad al ruido
• Alta linealidad
• Ganancias en potencia altas y variables
• Ancho de banda óptimo
• Alto desempeño arriba de 4GHz
• Bajo costo
Los circuitos amplificadores de potencia contienen transistores capaces de manejar alta potencia. Estos operan normalmente a tensiones mayores que los transistores de baja potencia, y por lo tanto requieren a menudo de una fuente de alimentación separada.
Algunos transistores de potencia pueden exceder tensiones de 450V y 10A. Como estos transistores necesitan disipar potencias elevadas, se diseñan en forma diferente de los transistores de baja potencia, y pueden incluir circuitos de protección para limitar la corriente. Las opciones más comunes en el diseño de amplificador en alta frecuencia pueden ser:
1. Reducir la ganancia por etapa para reducir el efecto Miller.
2. Reducir la impedancia de la fuente de la señal de entrada.
3. Seleccionar un transistor de más alta frecuencia.
4. Utilizar una configuración que no sea sensible a la frecuencia, como la Base - Colector o la cascode.
Cuando la potencia de salida requerida excede la capacidad de un amplificador se utilizan múltiples etapas o módulos que se combinan para poder producir el resultado requerido. Estas configuraciones se denominan separadores y combinadores. El separador divide la señal de entrada en múltiples salidas de igual amplitud y luego son aplicadas a cada módulo. El combinador luego recombina las salidas de los módulos y la señal queda lista para alimentar la carga. Los combinadores están relacionados muy de cerca con los transformadores de banda ancha en diseñyo c onstrucción. Este método se utiliza entonces para mejorlaar salida de potencia del os amplificadores de potencia.
Clases de operación de los amplificadores de potencia
El propósito de un amplificador de potencia es proporcionar una tensión de salida con una máxima excursión simétrica sin distorsión a una baja resistencia de carga. En la práctica, un sistema suele consistir de varias etapas de amplificación, tanto para pequeña señal como para RF, la última de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz, un excitador, un solenoide o algún otro dispositivo analógico.
La clasificación de los amplificadores de potencia se lleva a cabo considerando distintas técnicas de polarización lo que conduce a distintos modos de operación. Los modos de operación principales para el diseño de amplificadores de potencia son los siguientes:
• Operación en Clase A
• Operación en Clase B
• Operación en Case AB
• Operación en Clase C
Cabe mencionar que estos amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo con el porcentaje del tiempo que la corriente de colector es distinta de cero. Estos modos de operación surgen para brindar funcionalidad a amplificadores que están diseñados para operar a pequeña señal y a bajas frecuencias por lo que toda la teoría relacionada a ellos asume invariablemente el uso de dispositivos activos y pasivos que manejen esta clase de señales. Por otro lado se tienen las tecnologías de microondas con las que aún se requiere de los principios de operación mencionados anteriormente pero los dispositivos asociados al amplificador mismo son distintos ya que están calculados y construidos para operar en un espectro de frecuencias donde se presentan fenómenos electromagnéticos totalmente distintos delo s que se presentan a bajas frecuencias.
Diferencias entre los amplificadores para HF y los amplificadores para RF
Por lo que se ha visto hasta aquí, cuando se habla de la operación de un amplificador en altas frecuencias no se ha especificado exactamente su rango de operación (o ancho de banda). En referencia al espectro de frecuencias ocupadas en comunicaciones, estas van desde los 30MHz hasta 30GHz. Esto lleva a suponer que en un rango de frecuencias tan vasto existen distintas técnicas de funcionamiento y construcción de los transistores que se empleen en equipos específicos; por ejemplo un amplificador para 30Mz no tendrá la misma configuración que uno que se requiera para comunicaciones vía satélite en el orden de los 30GHz o más. Se ha decidido entonces incluir lo relacionado con los transistores de altas frecuencias a lo largo de este trabajo para destacar tanto su importancia, su funcionamiento, aplicaciones, ejemplos y principalmente sus diferencias con los amplificadores para RF.
En resumen se puede decir entonces que trabajar en megahertz puede diferir en muchos aspectos de trabajar en gigahertz. De hecho en los ejemplos ilustrados más adelante se mencionan tipos de transistores que no son muy conocidos debidos a que no se requieren para propósitos muy concretos en frecuencias extremadamente altas. La parte más importante hasta aquí es entonces diferenciar un transistor de HFy un de RF. Los transistores que operan en HF son afectados en su desempeño por el efecto de miller. Para reducir la impedancia de conducción o la capacitancia de retroalimentación se emplean distintos tipos de configuraciones, estas se ilustran en la siguiente figura.
En el primer circuito en emisor seguidor reduce la impedancia de conducción vista desde la entrada del amplificador emisor común. Esto reduce considerablemente la degradación del desempeño en alta frecuencia causado por la frecuencia de transición fT y CcbGv. El segundo circuito es la clásica configuración cascode en la cual la etapa emisor común controla la etapa de base común eliminando de esta manera el efecto Miller representado por CcbGv. En la tercera configuración el seguidor conduce la etapa de base común eliminando el efecto Miller y reduciendo la conducción de la impedancia al mismo tiempo. Este es el amplificador diferencial común con resistores de colector no balanceados y una entrada a tierra. Otra característica que debe mencionarse respecto a los amplificadores de HF es que no son usados, como los de RF, para equipos de telecomunicaciones como los que se han venido mencionando pues la potencia requerida sobrepasa la capacidad de cualquier transistor convencional (de propósito general), esto es, el hecho de que se cuente con amplificadores para altas frecuencias no implica que puedan utilizarse para amplificación de potencia y menos para frecuencias extremadamente altas (del orden de 30 o más GHz). Esto se realiza con transistores especializados en los que se emplean técnicas de fabricación y materiales distintos, así como configuraciones de circuito que incluyen elementos que no se encuentran nunca en circuitos de HF, como lo son líneas de transmisión, guías de onda y transformadores. Por estas razones no se profundizará más en el análisis de los amplificadores de HF pues el objetivo es analizar los amplificadores de potencia para RF.
Amplificadores modulares
Cuando se necesita de un amplificador para RF se pensaría que es requerido realizar siempre un diseño del amplificador, un análisis detallado y múltiples pruebas con múltiples configuraciones o componentes individuales, principalmente transistores. Esto tendría muchas desventajas por cuestiones de estabilidad, tamaño y costos principalmente. Afortunadamente existen módulos de amplificadores 'empaquetados' que están disponibles con distintos proveedores en configuraciones que satisfacen una gran cantidad de necesidades. De hecho casi todos los componentes de RF se adquieren como módulos. Algunos ejemplos son los osciladores, los mezcladores, los moduladores, los atenuadores controlados por voltaje, los combinadores y divisores de potencia, los circuladores, los acopladores direccionales y los amplificadores en sus distintas modalidades. En su forma más básica el amplificador aún no empaquetado es un circuito híbrido de película delgada con ganancia en un amplio rango de frecuencias. Una presentación común es el paquete (circuito integrado) de 4 patas (pines).
Existen docenas de amplificadores de RF disponibles en la actualidad que cumplen con distintas finalidades y propósitos, algunos por optimizados para bajo ruido y otros para alta ganancia en potencia o grandes rangos dinámicos. Los amplificadores individuales pueden diseñarse para operar sobre rangos de frecuencias o sobre bandas de frecuencias muy angostas como los que se usan en comunicaciones que son los más discutidos en este trabajo. Bajo este tipo de presentación compacta o modular se encuentra por ejemplo el UTO-514 de Avantek que presenta una ganancia de 15dB sobre un rango de frecuencias de 30MHz a 200MHz (amplificador de HF), aunque también cuenta con amplificadores con anchos de banda de hasta 2GHz. Como se ha comentado en otras secciones, los amplificadores de banda ancha de hasta 18GHz están fabricados usando tecnología GaAsFET y HEMT.
Los amplificadores que se usan sobre bandas muy angostas de frecuencias se pueden optimizar para un desempeño de bajo ruido. Los excelentes amplificadores comerciales que se emplean en bandas de comunicaciones, corno por ejemplo el amplificador AM- 4285 de Avantek, con una ganancia de 50dB (316.22watts), una banda de 3.7-4.2GyH z una figura de ruido de 1.5dB( 1.1W atts), puede ser empleado como receptor satelital y puede estar al alcance de casi de cualquiera persona. Con el modelo AM-7724 se pueden obtener ganancias de 35dB (56.23watts) en la banda de 7.25-7.75GHz.
Como en muchas otras áreas de comercialización de dispositivos electrónicos, existe una gran competencia comercial por estos módulos amplificadores así como por otros componentes de RF modulares.
En la práctica, cuando se diseña un sistema de RF y se cuenta con estos módulos comúnmente basta con haber elegido a través de catálogos o manuales el módulo apropiado y conectarlo con cable coaxial para poder armar el sistema.
Otros dispositivos de amplificación en RF
Amplificadores paramétricos
Estos dispositivos amplifican variando un parámetro del circuito entonado. Los amplificadores paramétricos tienen una analogía con un péndulo que oscila al ser tirado verticalmente y con su punto de flexión inferior fijo. En el amplificador paramétrico se puede variar por ejemplo la capacitancia del circuito entonado con un varactor (capacitor de voltaje variable) conduciéndola con una señal de ‘bombeo’. Los amplificadores paramétricos se emplean principalmente en amplificaciones de bajo ruido.
Masers
Maser es el acrónimo para amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. Estos dispositivos son básicamente amplificadores atómicos o moleculares de difícil construcción y uso pero son los amplificadores que producen la menor cantidad de ruido que ningún otro amplificador.
GaAs FETs
El último tipo de amplificadores de microondas y el más sencillo a nivel mundial. Su desempeño es comparable con el de los amplificadores paramétricos. Los amplificadores comerciales disponibles actualmente de este tipo proporcionan 28dB de ganancia a 10GHz con una potencia de ruido de tan solo 2dB. El más reciente amplificador del tipo GaAs FETs es el llamado HEMTs, que fue comentado y descrito antes, y significa transistor de alta movilidad de electrones, el cual produce niveles de ruido extremadamente bajo a frecuencias extremadamente altas como por ejemplo 0.12dB a 8.5GHz.
Klystrons y tubos de ondas viajeras
Estos amplificadores de tubos de vacío usados en frecuencias de microondas toman ventaja de los efectos de tiempo de transito del tubo. Una variación conocida como klystron de reflejo trabaja como un oscilador al lanzar su flujo de electrones hacia adentro de él. Existen Klystrons disponibles que pueden proporcionar continuamente una salida de 0.5W de RF a 2GHz.
Magnetrones
Este dispositivo es el corazón de los radares y los hornos de microondas. Su funcionamiento consiste en un tubo de oscilación de alta potencia lleno de pequeñas cavidades resonantes y operando en un fuerte campo magnético que hace que los electrones viajen en espiral a través de su interior.
Diodos Gunn, IMPATT y PIN
Estos dispositivos se usan ampliamente en UHF y microondas. Los diodos Gunn se usan como osciladores de baja potencia en el rango de 5 -100GHz produciendo salidas de potencia de 100mW. Evidentemente no son amplificadores de potencia pero junto con esto desempeñan trabajos conjuntos. Los diodos IMPATT son análogos a los kylstrons con capacidades de unos cuantos watts a pocos gigahertz. Los diodos PIN se comportan como resistencias de voltaje variable y se utilizan como interruptores de señales de microondas convirtiendo un corto circuito a través de las guías de onda.
Amplificadores modulares
Cuando se necesita de un amplificador para RF se pensaría que es requerido realizar siempre un diseño del amplificador, un análisis detallado y múltiples pruebas con múltiples configuraciones o componentes individuales, principalmente transistores. Esto tendría muchas desventajas por cuestiones de estabilidad, tamaño y costos principalmente. Afortunadamente existen módulos de amplificadores 'empaquetados' que están disponibles con distintos proveedores en configuraciones que satisfacen una gran cantidad de necesidades. De hecho casi todos los componentes de RF se adquieren como módulos. Algunos ejemplos son los osciladores, los mezcladores, los moduladores, los atenuadores controlados por voltaje, los combinadores y divisores de potencia, los circuladores, los acopladores direccionales y los amplificadores en sus distintas modalidades. En su forma más básica el amplificador aún no empaquetado es un circuito híbrido de película delgada con ganancia en un amplio rango de frecuencias. Una presentación común es el paquete (circuito integrado) de 4 patas (pines).
Existen docenas de amplificadores de RF disponibles en la actualidad que cumplen con distintas finalidades y propósitos, algunos por optimizados para bajo ruido y otros para alta ganancia en potencia o grandes rangos dinámicos. Los amplificadores individuales pueden diseñarse para operar sobre rangos de frecuencias o sobre bandas de frecuencias muy angostas como los que se usan en comunicaciones que son los más discutidos en este trabajo. Bajo este tipo de presentación compacta o modular se encuentra por ejemplo el UTO-514 de Avantek que presenta una ganancia de 15dB sobre un rango de frecuencias de 30MHz a 200MHz (amplificador de HF), aunque también cuenta con amplificadores con anchos de banda de hasta 2GHz. Como se ha comentado en otras secciones, los amplificadores de banda ancha de hasta 18GHz están fabricados usando tecnología GaAsFET y HEMT.
Los amplificadores que se usan sobre bandas muy angostas de frecuencias se pueden optimizar para un desempeño de bajo ruido. Los excelentes amplificadores comerciales que se emplean en bandas de comunicaciones, corno por ejemplo el amplificador AM- 4285 de Avantek, con una ganancia de 50dB (316.22watts), una banda de 3.7-4.2GyH z una figura de ruido de 1.5dB( 1.1W atts), puede ser empleado como receptor satelital y puede estar al alcance de casi de cualquiera persona. Con el modelo AM-7724 se pueden obtener ganancias de 35dB (56.23watts) en la banda de 7.25-7.75GHz.
Como en muchas otras áreas de comercialización de dispositivos electrónicos, existe una gran competencia comercial por estos módulos amplificadores así como por otros componentes de RF modulares.
En la práctica, cuando se diseña un sistema de RF y se cuenta con estos módulos comúnmente basta con haber elegido a través de catálogos o manuales el módulo apropiado y conectarlo con cable coaxial para poder armar el sistema.
Otros dispositivos de amplificación en RF
Amplificadores paramétricos
Estos dispositivos amplifican variando un parámetro del circuito entonado. Los amplificadores paramétricos tienen una analogía con un péndulo que oscila al ser tirado verticalmente y con su punto de flexión inferior fijo. En el amplificador paramétrico se puede variar por ejemplo la capacitancia del circuito entonado con un varactor (capacitor de voltaje variable) conduciéndola con una señal de ‘bombeo’. Los amplificadores paramétricos se emplean principalmente en amplificaciones de bajo ruido.
Masers
Maser es el acrónimo para amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. Estos dispositivos son básicamente amplificadores atómicos o moleculares de difícil construcción y uso pero son los amplificadores que producen la menor cantidad de ruido que ningún otro amplificador.
GaAs FETs
El último tipo de amplificadores de microondas y el más sencillo a nivel mundial. Su desempeño es comparable con el de los amplificadores paramétricos. Los amplificadores comerciales disponibles actualmente de este tipo proporcionan 28dB de ganancia a 10GHz con una potencia de ruido de tan solo 2dB. El más reciente amplificador del tipo GaAs FETs es el llamado HEMTs, que fue comentado y descrito antes, y significa transistor de alta movilidad de electrones, el cual produce niveles de ruido extremadamente bajo a frecuencias extremadamente altas como por ejemplo 0.12dB a 8.5GHz.
Klystrons y tubos de ondas viajeras
Estos amplificadores de tubos de vacío usados en frecuencias de microondas toman ventaja de los efectos de tiempo de transito del tubo. Una variación conocida como klystron de reflejo trabaja como un oscilador al lanzar su flujo de electrones hacia adentro de él. Existen Klystrons disponibles que pueden proporcionar continuamente una salida de 0.5W de RF a 2GHz.
Magnetrones
Este dispositivo es el corazón de los radares y los hornos de microondas. Su funcionamiento consiste en un tubo de oscilación de alta potencia lleno de pequeñas cavidades resonantes y operando en un fuerte campo magnético que hace que los electrones viajen en espiral a través de su interior.
Diodos Gunn, IMPATT y PIN
Estos dispositivos se usan ampliamente en UHF y microondas. Los diodos Gunn se usan como osciladores de baja potencia en el rango de 5 -100GHz produciendo salidas de potencia de 100mW. Evidentemente no son amplificadores de potencia pero junto con esto desempeñan trabajos conjuntos. Los diodos IMPATT son análogos a los kylstrons con capacidades de unos cuantos watts a pocos gigahertz. Los diodos PIN se comportan como resistencias de voltaje variable y se utilizan como interruptores de señales de microondas convirtiendo un corto circuito a través de las guías de onda.
Hernández Caballero Indiana
Asignatura: CAF
Fuente:http://148.206.53.231/UAM1118.PDF
Asignatura: CAF
Fuente:http://148.206.53.231/UAM1118.PDF
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