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A UT N MA M T OP L `ANA

PROFESOR: DONACIANO JIMENEZ ALUMNO: JAVIER GARCIA PEREZ MATRICULA: 93220307 MATERIA: PROYECTO TERMINAL II TITULO DEL PROYECTO:

"Amalificadores de potencia para RF"

Fecha: 26/03/99

Indice de Contenido 1. Objetivos..................................................................................................................................4 2. Introduccion.............................................................................................................................5 3. Comunicaciones en altas frecuencias....................................................................................8 4. Dispositivos activos de estado solido para RF................................................................... 10 4.1. Dispositivos activos de tres terminales para RF......................................................... 11 5. Transistores para HF y RF.................................................................................................... 12 5.1. Teoria y operacion de los transistores bipolares en RF.............................................. 13 5.2. Tecnicas de fabricacion de transistores de potencia para RF.................................... 15 6. Amplificadores de potencia para HF y RF......................................................................... 17 6.1. Clases de operacion de los amplificadores de potencia............................................ 18 6.2. Diferencias entre los amplificadores para HF y los amplificadores para RF 6.3. Amplificadores modulares............................................................................................20 6.4. Otros dispositivos de amplificacion en RF..................................................................21 7. Elementos empleados en circuitos de radio frecuencia.....................................................22 7.1. Lineas de transmision................................................................................................... 22 7.2. Lineas de transmision desacopladas............................................................................23 7.3. Lineas de transmision en el dominio de la frecuencia................................................23 7.4. Impedancia caracteristica y acoplamiento..................................................................24 7.5. Amplificadores entonados............................................................................................ 25 7.6. Osciladores..................................................................................................................... 25 7.7. Mezcladores y moduladores..........................................................................................27

7.8. Multiplicadores de frecuencia...................................................................................... 28 7.9. F i ltros............................................................................................................................ 28 7.10.

Detectores.............................................................................................................28

8. Tecnicas de deteccion y medicion de potencia en HF y RF............................................29 8.1. Rectificacion de la senal................................................................................................29 8.2. Deteccion sincrona.........................................................................................................29 8.3. Control por fuente de corriente.....................................................................................29 8.4. Deteccion por seguimiento de amplitud.....................................................................30 8.5. Deteccion de potencia................................................................................................... 30 8.6. Generacion y deteccion por AM..................................................................................31 8.7. Receptor superheterodi no............................................................................................31 9. Ejemplos de aplicaciones con amplificadores de potencia para RF ...................................................................................................................................33 9.1. Modo de operacion E-A para un amplificador de potencia en RF de alta eficiencia.........................................................................................................................33 9.2. Amplificador de potencia para RF de 25kW...............................................................34 9.3. Amplificador de potencia para RF con transistores bipolares de quinta generacibn para telefonos celulares e inalambricos...................................................35 9.3.1. Generalidades del amplificador..........................................................................35 9.3.2. Funcionamiento....................................................................................................37 9.3.3. Acoplamiento de las impedancias...................................................................... 38 9.3.4. Polarizacion del amplificador.............................................................................38 10. Bibliografia...........................................................................................................................39

1. Objetivos El objetivo del presente trabajo consiste en comentar, a traves de los distintos temas, la teoria basica que se requiere para poder entender, de manera general, los principios de funcionamiento de los sistemas electronicos de comunicaciones que hacen use de elementos activos, principalmente transistores, para la amplificacion de potencia de las senates a la salida del transmisor, pertenecientes a la porcion altas frecuencias y superiores del espectro electromagnetico. Estos conceptos son importantes pues determinan como poder transmitir estas senates a grandes distancias, y como son utilizados en muchos sistemas de comunicaci6n modernos, como en los telefonos celulares e inalambricos, los radares y en las comunicaciones via satelite, principalmente.

2. Introduccibn Si de comunicaciones se trata se puede pensar inmediatamente en dos posibilidades: comunicaciones humanas, estudiadas en sociologia y psicologia principalmente, 0 comunicaciones electr6nicas, que la gente en general las comprende mas como comunicaciones que hacen use de alguna tecnologia. Detras de este segundo contexto se encuentra una enorme cantidad de teorias y principios provenientes de las ciencias exactas y desarrollados durante muchas decadas. El ingenio humano ha sido el responsable de esta situaci6n y consecuentemente lo sigue siendo al observar la sorprendente cantidad de tecnologia que nos rodea actualmente. Los cuestionamientos respecto a estas tecnologias sobran, sin embargo no se puede negar sus beneficios. Los campos de la electr6nica y de las ingenierias que hacen use de esta ciencia son extremadamente amplios y al parecer surgen continuamente especialidades muy especificas en este ramo. Una de esas ramas, tal vez la de surgimiento mas reciente, es la de las telecomunicaciones. De hecho ha existido, o mas bien surgi6, hace ya varias decadas por necesidades militares principalmente como en muchos otros casos. Pero el verdadero auge de las telecomunicaciones es el que existe actualmente ya que se tienen muchos de los mejores avances tecnol6gicos practicamente a nuestro alcance. Ejemplos de esto se encuentran en los sistemas de comunicaci6n digital (o anal6gica) via satelite, sistemas de radar de muchos tipos, principalmente los que se utilizan en sistemas de navegaci6n, sistemas de comunicaci6n personal como telefonos celulares e inalambricos, etc. Las senales' transmitidas por estos equipos tiene un alcance tal que practicamente no existe un lugar de la tierra que no transmita o reciba senales electricas de distintas clases y con distintos prop6sitos, pero el principal y mas importante, al igual que en los procesos de comunicaci6n humana, es el de intercambiar y compartir informaci6n. Para transmitir senales electricas por cualquier medio, como cables o el aire principalmente, se deben cumplir requisitos que le permitan Ilegar a su destino de forma adecuada. Algunos requisitos para que Ilegue de una manera adecuada al receptor

son:

✓ Sin distorsiones. El canal o medio por el que se propaga siempre contaminara o distorsionara las senales que viajan por el. ✓ Potencia adecuada. De este factor dependera, entre otras cosas, que tan lejos Ilegue la sepal, aunque esta relacionado con mas factores. Para que se cumplan estos requisitos existe una amplia teoria que describe la manera de lograrlo. Para la inmunidad al ruido del canal, por ejemplo, han surgido tecnicas de ' For malmente una sepal electrica es una onda electromagnetica que se propaga por algun medio.

transmision digitales que regeneran la sepal a lo largo de su recorrido permitiendo, a diferencia de las tecnicas analogicas, una recepcion casi fibre de errores. La potencia de un transmisor de cualquier equipo de telecomunicaciones, radar, satelites, telefonos celulares, etc. es proporcionada por etapas de amplificacion, y estas etapas estan constituidas generalmente por transistores. El transistor es uno de los inventos mas revolucionarios de la historia pues el desarrollo tecnologico actual esta basado en un sin fin de equipos, instrumentos y procesos que hacen use de transistores, ya sea que esten integrados a gran escala como en los microprocesadores de equipos de computo, microcontroladores o procesadores digitales de senales (DSP), o que se empleen individualmente; el principio fundamental de funcionamiento es el mismo con diferencias particulares para cada uno de los cientos o tal vez miles de modelos de transistores que existen actualmente. Los procesos de amplificacion que emplean muchos equipo electronicos actuales son necesarios por muchas razones: ✓ para que estos puedan transmitir mas lejos ✓ para que las senales sean mas inmunes al ruido y a las interferencias de otras senales ✓ para que las senales puedan ser entregadas a varios receptores simultaneamente Existen mas razones, pero lo importante es entender que en los procesos de comunicaciones electronicos, es decir, aquellas comunicaciones que emplean equipos electronicos para transmitir la informacion en forma de ondas electromagneticas, se conjuntan muchas especialidades y se hace necesario el cumplimiento de muchos requisitos para ello. Finalmente cabe mencionar, en este mismo ambito, que las senales electricas de informacion son un caso especial de onda electromagnetica que puede ubicarse siempre dentro de un rango de frecuencias en el espectro electromagnetico. Las senales de radio, television, de radar, satelitales, etc. se les puede ubicar siempre en algun rango de frecuencias denominado comunmente banda de frecuencias o en otros casos simplemente ancho de banda, al igual que otros tipos de senales que no se encuentran disponibles o no son utiles para fines de comunicaciones. Para ilustrar los principales rangos de frecuencias que se manejan en comunicaciones asi como sus siglas convencionales que las distinguen se muestra una porcion del espectro electromagnetico destinado a las frecuencias de radiodifusion con la finalidad de ubicar el rango o espacio de frecuencias que se discutiran con mayor detalle a lo largo de este trabajo.

106 ELF VF 300 Hz

01 VLF 3 kHz

10 LF 30 kHz

01 10 10 10 102 10 k, m MF HF VHF UHF SHF EHF 300 30 300 3 30 3 f kHz MHz MHz MHz GHz I GHz microondas

Designaciones de frecuencias AbreviaturaDescri cion ELF Frecuencia extremadamente baja VF Frecuencia de voz VLF Frecuencia muy baja LF Frecuencia baja MF Frecuencia media HF Frecuencia alta VHF Frecuencia muy alta Frecuencia ultra alta UHF SHF Frecuencia super alta EHF Frecuencia extremadamente alts

Ran go 30-300 Hz 300-3000 Hz 30-300 kHz 30-300 kHz 300-3000 kHz 3-30 MHz 30-300 MHz 300-3000 MHz 3-30 GHz 30-300 GHz

Tabla 1. Especificaciones de frecuencias y designaciones

3. Comunicaciones en altas frecuencias Las transmisiones de radio frecuencia entre los 3 y los 30MHz son por convenci6n de Ia ITU denominadas altas frecuencias (HF) o ondas cortas. Las comunicaciones en altas frecuencias son el unico metodo de Ia radio transmision o radio difusion debido a sus peculiares caracteristicas de propagacion. Este fenomeno de propagacion to Ilegan a aprovechar inclusive simples aficionados pudiendo realizar transmisiones satisfactorias con una potencia radiada de 1 a 2W. Las frecuencias de RF o radio frecuencias, de manera muy general, son aquellas frecuencias que se encuentran entre las frecuencias de audio y las frecuencias de rayos o emisiones infrarrojo. En algunas referencias2 se definen los limites para la practica de radio frecuencias en el limite de 10kHz a 100GHz. En este rango de frecuencias la radiacion electromagnetica puede detectarse y ser amplificada como corrientes electricas en una frecuencia de onda. La transmision de senales por medio de ondas electromagneticas radiadas que no son luz ni calor se denomina radio transmision y la propagacion de una onda de radio es la transferencia de energia o radiacion electromagnetica en radio frecuencias. El termino microondas se emplea para hace referencia a las ondas de radio cercanas a 1 GHz o posteriores; esta no es estrictamente una definici6n y pueden encontrarse discrepancias con otros textos especializados. En la teoria de las comunicaciones se habla de un canal de comunicaciones como un medio por el cual se transporta informaci6n de un punto a otro. Por ejemplo, el canal podria consistir de un cable o de un enlace de fibra 6ptica. En comunicaciones de radio frecuencia el canal es el espectro electromagnetico de frecuencias el cual se extiende de las frecuencias extremadamente bajas (VLF) del orden de uno cuantos kilohertz atravesando las `ondas cortas' de unos cuantos megahertz hasta decenas de megahertz, las frecuencias muy altar (VHF) y las frecuencias ultra altas (UHF) extendiendose hasta varios cientos de megahertz, y la region de microondas que comienza cerca de 1 GHz. Debido a que las tecnicas de radio frecuencia (RF) encuentran su mayor aplicaci6n de comunicaciones, es importante entender como pueden ser moduladas y demoduladas las senales y en consecuencia como se usan las radio frecuencias para Ilevar Ia informaci6n de un lugar a otro. El metodo de modulacion mas empleado es el de banda lateral unica con portadora suprimida (single-sideband suppressed carrier SSBSC). En este esquema de modulacion el amplificador de potencia en el transmisor eleva la potencia de una sepal de bajo nivel con el minimo posible de distorsi6n. De esta

manera se requiere que la envolvente de la sepal de salida este tan cerca como sea

posible de ser una replica de la sepal de entrada. Una sepal de voz, por ejemplo, se envia sobre un canal de radio frecuencia al ser modulada por una portadora de radio frecuencia. Como en muchos otros casos de 7

IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms

transmision, Ia voz no se transmite directamente. Las razones son las siguientes (en RF o en cualquier otro rango de frecuencias): • Si la informacion fuera transmitida en su banda natural de frecuencias con ondas de radio (en este caso 3kHz, o sea en la porcion VLF del espectro), cualesquiera dos senales podrian interferirse o sobreponerse, por to que al codificar la informacion en portadoras pertenecientes a distintas porciones del espectro es posible multiplexar en frecuencia la sepal manteniendo de esta forma muchos canales simultaneamente. • Algunas longitudes de onda se generan y propagan de una manera mas conveniente que otra. Por ejemplo, en la region de los 5MHz a 30MHz, las senales pueden viajar por todo el mundo mediante multiples reflexiones en la ionosfera, y con antenas para frecuencias de microondas de tamar o adecuado se pueden formar haces estrechos. En consecuencia, la region de altas frecuencias (HF) o de ondas cortas se usa para comunicaciones horizontales mientras que las microondas se usan para repetidores visibles y radares. Los amplificadores de potencia usados para comunicaciones de alta frecuencia producen potencias de salida en el rango de 1 OW a 100kW o mas. La tendencia de los amplificadores actuales de potencia para altas frecuencias, aun los de alta potencia, es usar modulos de amplificacion con dispositivos de estado solido. La ventaja del use de estos dispositivos es que eliminan el alto voltaje3 requerido en la operacion con tubos de

vacio.

3 La palabra voltaje se utiliza tan frecuentemente en la literatura tecnica y cientifica en el espafiol que haria pensar que

es correcta en cualquier contexto. Sin embargo la palabra correcta y adecuada que deberia emplearse invariablemente es tension. En este trabajo se seguira utilizando la palabra `voltaje' con el fin de seguir solo los esquemas comunes recalcando de antemano su use arraigado a inadecuado.

4. Dispositivos activos4 de estado solido para RF Durante las dos decadas pasadas, los circuitos activos han evolucionado de los transistores individuales de estado solido y elementos pasivos alojados en guias de ondas convencionales y/o Iineas coaxiales hasta circuitos integrados compactos incluyendo componentes activos y pasivos e interconexiones referidas genericamente como circuitos integrados para microondas (MIC en ingles). Otras derivaciones son: Circuitos integrados hibridos pars microondas (HMIC). Consisten de un patron de interconexiones y un circuito de componentes impresos distribuidos sobre un substrato apropiado. Circuitos integrados monoliticos Para microondas (MMIC). En estos todas las interconexiones y componentes, tanto activos como pasivos, se fabrican simultaneamente sobre un substrato semiconductor semiaislado (usualmente arseniuro de galio GaAs). El termino MMIC se usa pars los circuitos que operan en la region del espectro electromagnetico con longitudes de ondas milimetricas (30-300GHz) asf Como microondas (1-30GHz). Los dispositivos activos que pueden suministrar ganancias en altas frecuencias y microondas se fabrican de distintos materiales semiconductores. Los circuitos de microondas que usan estos dispositivos se encuentran en filtros, amplificadores, osciladores, atenuadores, moduladores, mezcladores, registros de corrimiento, interruptores y muchos otros que se utilizan en aplicaciones de transmision y recepcion cubriendo las regiones mencionadas arriba. La clasificacion de estos tipos de los dispositivos de estado solido siguiente: 1) Dispositivos activos de dos terminales a) Diodos i) Diodos de tunel ii) Diodos sccottky iii) Diodos de tiempo de transito (IMPATT) b) Otros dispositivos de dos terminales i) Dispositivos de electron transferido ii) Varactores 2) Dispositivos activos depara microondas de tres terminates a) Transistores de efecto de campo i) Transistores de efecto de campo de metal semiconductor (MESFET) ii) Transistores de alta movilidad de etectrones (HEMET) b) Transistores bipolares (BJT) * i) Transistores bipolares de hetero union (HBT)

4 Un dispositivo activo es aquel que convierte energia proveniente de una fuente de voltaic polarizada de corriente

directa a una serial de radio frecuencia. Los dispositivos activos se requieren en osciladores y amplificadores.

Los dispositivos marcados con un asterisco (*) son los mas empleados para aplicaciones de microondas tales como el radar, comunicaciones de muy diversos tipos incluyendo comunicaciones navales y militares, asi como armamento inteligente, electr6nica de consumo, instrumentos de microondas, etc., y pueden operar desde ultra altas frecuencias hasta las denominadas ondas milimetricas. Los que se describiran con mas detalle son los transistores bipolares utilizados en amplificadores de potencia de telefonos celulares e inalambricos.

Dispositivos activos de tres terminates para RF El desempeno en altas frecuencias ha mejorado dramaticamente en las ultimas dos decadas. Hace 20 anos aproximadamente los transistores que podian proporcionar ganancias utiles a frecuencias superiores a los 10GHz eran solo una curiosidad de laboratorio. Actualmente tales dispositivos ya estan totalmente disponibles ademas de que operan inclusive a frecuencias superiores a los 100GHz. Este mejoramiento dramatico se ha logrado por los avances en el crecimiento de la tecnologia de los materiales semiconductores aunado con mejoras en el diser o y tecnicas de fabricaci6n Los dispositivos activos para microondas pueden fabricarse Como dispositivos de dos terminales (diodos) o de tres terminales (transistores). Generalmente, se prefieren los transistores para la mayoria de las aplicaciones debido a que proporcionan medios convenientes para el control del su desempeno en RF. Los elementos activos de tres terminales permiten un aislamiento inherente entre los circuitos de entrada y salida de RF. Los amplificadores y los osciladores se disenan facilmente proporcionando circuitos con caracteristicas de estabilizaci6n y retroalimentaci6n propias. La tecnologia de los materiales semiconductores continua mejorando para brindar cada vez un mejor desempeno en altas frecuencias. Tantos los transistores de efecto de campo como los bipolares se emplean comunmente en sistemas practicos de microondas como amplificadores, osciladores y bloques de ganancia. Los transistores han reemplazado muchos dispositivos de dos terminales debido a las mejoras de desempeno y facil uso. Los transistores se han integrado facilmente tanto en circuitos integrados tanto hibridos como monoliticos trayendo como en consecuencia una reducci6n de tamano, peso y consumo de potencia de corriente directa, asi como un incremento en la fiabilidad de su uso. Estos transistores tambien se polarizan facilmente y la configuraci6n de red de dos puertos conduce naturalmente a una separacion inherente entre las redes de entrada y salida.

5. Transistores para HF y RF Los amplificadores, para pequena sepal, que estan configurados en emisor comun con resistor de carga de colector, muestran un decaimiento de ganancia conforme se incrementa la frecuencia de la sepal debiendo esto principalmente a los efectos de las capacitancias de la carga y la juntura o union. La capacitancia no es el unico factor que afecta la reduccion de la ganancia del amplificador en altas frecuencias. La capacitancia de retroalimentacion (C cb) desde la entrada hasta la salida puede dominar la caida de alta frecuencia especialmente si la impedancia de la fuente de la sepal de entrada no es baja. Para determinar donde decaera un amplificador, y que se puede hacer al respecto, se necesita introducir un modelo de AC relativamente sencillo tanto para transistores bipolares como para FETs. Los modelos de emisor comun que se ilustran en la figura 1 son los mas sencillos posibles para altas frecuencias y se pueden utilizar aun para estimar el desemperio de circuitos de alta velocidad. (a) r

-

-

---------,

-

Cab , Gcb

(b)

II

I I

V9 Cie,Cib

i

----- ---------------crss,Cd9

I

f I

I

Cds,Cossj

Fig. 1. Circuitos equivalentes a altas frecuencias para un (a) transistor bipolar y para un (b) FET

Donde

1 Cie=

29tre .

En estos casos, la capacitancia efectiva aumenta drasticamente en la medida que aumenta la corriente de la base, y debido a que V es cercano a Vd, tiene sentido que incluyan el valor de Cie en las hojas de especificaciones del transistor. Sin embargo, resulta que la capacitancia efectiva Cie se incrementa con el aumento de IE, y disminuyendo re, de tal manera que el producto RC (rbCie) permanece casi constante. Como resultado la ganancia del transistor en una frecuencia particular depende principalmente de la razon entre la perdida de corriente en Cie Y la corriente que en ese momento conduce la base y no es fuertemente dependiente de la corriente de colector. Por lo tanto, en vez de intentar especificar Cie, el fabricante de transistores especifica usualmente fT, que es la frecuencia a la cual la ganancia en corriente (hfe) ha caido a la unidad. La ecuacion para esta frecuencia es la siguiente:

f =

1 ,para valores particulares de Cie y re con alguna corriente de colector.

La principal diferencia entre los transistores que se emplean en RF y los de proposito general que se emplean en altas frecuencias (no tan altas como las de RF) es el rango de frecuencias en el que pueden operar. Los transistores de RF que se ocupan para aplicaciones de radio frecuencia tienen una fT (frecuencias de transicion) en el un rango de aproximadamente 500MHz a 10GHz, mientras que los transistores de "proposito general" tienen una fT en el rango de 50MHz a 250MHz. Teoria y operacion de los transistores bipolares en RF Los transistores bipolares difieren de los de efecto de campo en que en los bipolares tanto los electrones como los huecos participan en el proceso de transporte de corriente. En los transistores bipolares existen dos estructuras basicas: pnp o npn, dependiendo de conductividad coma n en ambas uniones pn. Un corte transversal de un transistor bipolar para microondas se muestra en la figura 2. Base

d

Emisor

n+

Base

P

Emisor

Base

n+

11

[l n-

colector

Fig. 2. Corte transversal de un transistor bipolar para microondas.

Las secciones con rayas indican electrodos metalicos Las designaciones n+, p, n- y n,,+, indican el tipo de impureza aplicada y el nivel de concentracion relativa. Para aplicaciones de microondas la estructura npn se usa debido a que la operacion se controla por el flujo de electrones. En general, el transporte de electrones es mas rapido que el de huecos, y los transistores npn superan el desempeno en altas frecuencias comparandolos con los de union pnp. En operacion, la union pn base- emisor esta polarizada en directa y la union np base- colector en inversa. Cuando una sepal de RF se aplica a Ia union base- emisor la union permite que se inyecte una corriente en la region de la base que consiste en portadores de carga minoritarios los cuales se difunden entonces a traves de la region

de la base hacia la union base- colector donde son Ilevado a traves de la union por el fuerte campo electrico debido a la polarizacion. El tiempo de transmision de los portadores de carga a traves de esta region es pequeno excepto para transistores de ondas milimetricas donde el tiempo de transito en la region base- colector puede ser una pequena fraccion del tiempo requerido por los portadores de carga que atraviesan el emisor a traves del colector. La operacion del transistor es primordialmente controlada por los portadores de carga minoritarios para difundirse a traves de esta region. Por esta razon los transistores de microondas se disenan con regiones de base angostas con el fin de minimizar el tiempo requerido por los portadores para atravesar esta region. El transito de la region de la base es generalmente un factor limitante que determine la capacidad del transistor en altas frecuencias. La ganancia del transistor es afectada significativamente por el comportamiento de los portadores minoritarios en la region de la base. La densidad de los portadores minoritarios es significativamente menor que la densidad de los portadores mayoritarios. Las regiones de banda angosta reducen el volumen del semiconductor donde la recombinacion de los dos tipos de portadores puede ocurrir con lo que se obtiene un incremento en la ganancia. La respuesta en frecuencia de un transistor bipolar se puede determinar por un analisis del tiempo total que le toma a un portador de carga viajar del emisor al colector. Debido a que los transistores bipolares tienen tres terminales, estos pueden operar bajo tres configuraciones distintas. Las mas empleadas son las configuraciones de emisor comun y base comun aunque la de colector comun tambien se usa. Los amplificadores a pequena sepal generalmente utilizan la configuracion de emisor comun y los amplificadores de potencia a menudo usan la configuracion de base comun. La ganancia de corriente de un transistor que opera en colector comun se denota por a y en base comun por a, donde 0 »a, la cual esta limitada a valores menores que la unidad. Para los modernos transistores de microondas ao -0.98-0.99 y Ro 50-60. Una medida de la ganancia en potencia de RF para el transistor es indicada por la ganancia en potencia unilateral la cual se expresar en la ecuacion 1 como sigue:

U= g2 16

ao fz zee +

reCe

ao

(1) ganancia en potencia de RF para un transistor bipolar

donde U es la ganancia en potencia, ao la ganancia de corriente dc en base comun, rb es la resistencia de la base, Cc es la capacitancia, Tec es tiempo de transito total emisor a colector, y re es la resistencia del emisor.

La frecuencia a la cual U se reduce a la unidad (fmax) es la maxima frecuencia a la cual el dispositivo tendra caracteristicas activas. Esta frecuencia es 112 Lax

fT g,nrbCC

Para poder maximizar el desempeno del transistor en altas frecuencias se necesita disenar el dispositivo de tal forma que tenga alta ganancia en corriente (fT), baja resistencia de base (rb) y baja capacitancia de colector (C.).

Tccnicas de fabricacibn de transistores de potencia para RF Los transistores bipolares que operan cerca de los 20GHz se fabrican generalmente de silicio (Si). Estos dispositivos se fabrican facilmente y a bajos costos y son utiles en aplicaciones donde se requieren ganancias moderadas asi como en aplicaciones de baja a alta potencia para RF. Ademas presentan niveles de ruido del orden de 1 dB a 1 GHz y 4-5dB a 10GHz. Un transistor bipolar de alta frecuencia se puede construir usando heteroestructuras de semiconductores compuestos tales como AIGaAs/GaAs. La operacibn de los transistores bipolares de silicio esta limitada a frecuencias menores de 40GHz mientras que en los transistores bipolares de heterounion pueden operar inclusive por arriba de los 100GHz. Ambos se utilizan tanto en aplicaciones de ruido bajo as[ como en aplicaciones de alta potencia en RF. Existen, sin embargo, otras tecnicas de fabricacion de este tipo de transistores; una de estas es la tecnica denominada de doble capa de polisilicon, y es aplicada en la construccion de transistores bipolares de banda ancha de la quinta generacion como el que se incluye en los telefonos celulares digitales actuales asi como en los telefonos inalambricos digitales. La caracteristica de los transistores fabricados bajo esta tecnica radica en que su frecuencia de transicion se encuentra por arriba de los 20GHz con voltajes colector-emisor muy bajos. Las ganancias tipicas de potencia son del orden de 11 dB a 2GHz. Esta tecnica mejora la de los transistores construidos de GaAs como se comento anteriormente. Para producir estos transistores con frecuencias de corte superiores a los 20GHz que operen con voltajes colector-emisor (tensiones) inferiores a los 3V, es necesario que el ancho de la base sea del orden de los 100nm (1x10-9m).

La tecnica descrita se ilustra en la figura 3.

Fig. 3. Corte transversal de un transistor bipolar para RF

Los nuevos transistores bipolares de banda ancha estan basados en un proceso de

capa oculta de doble polisilicon proporcionando frecuencias superiores a los 20GHz

combinada con bajos voltajes VCE. El polisilicon depositado se usa tanto en las conexiones de la base como en las del emisor. Se requieren varios pasos de dopaje en las regiones de la base y el emisor para crear una region de base sumamente angosta requerida pars una alta frecuencia de corte. Disenos recientes que emplean FETs de alta movilidad electronica (HFETs) han logrado un ruido termico de 8°K a 8.5GHz. Para medir [as caracteristicas de ruido termico (noise temperature) en amplificadores de microondas se utiliza un metodo Ilamado carga-caliente/carga-fria (hot-load/cold-load).

16

6. Amplificadores de potencia para HF y RF Los circuitos amplificadores han recibido la maxima atenci6n en el desarrollo de circuitos de estado s6lido. Los transistores (dispositivos del estado s6lido de tres terminales) requieren redes de acoplamiento de impedancias tanto para la entra Como para la salida. La configuraci6n basica del dispositivo transistor de tres terminales se muestra en la figura 4. zi Red de acoplamiento

1

Transistor

Kea ae acoplamiento de salida

Fig. 4. Configuraci6n de un amplificador con transistor para altas frecuencias.

Algunas de las caracteristicas mas notables de los amplificadores para altar frecuencias que utilizan transistores bipolares son: ✓ Baja sensibilidad al ruido ✓ Alta linealidad ✓ Ganancias en potencia altas y variables ✓ Ancho de banda 6ptimo ✓ Alto desempeno 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 alimentaci6n separada. Algunos transistores de potencia pueden exceder tensiones de 450V y 10A. Como estos transistores necesitan disipar potencias elevadas, se diser an en forma diferente de los transistores de baja potencia, y pueden incluir circuitos de protecci6n para limitar la corriente. Las opciones mas comunes en el diseno 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 serial de entrada. 3. Seleccionar un transistor de mas alta frecuencia. 4. Utilizar una configuraci6n que no sea sensible a la frecuencia, como la BaseColector o la cascode. Cuando la potencia de salida requerida excede la capacidad de un amplificador se utilizan multiples etapas o m6dulos que se combinan para poder producir el resultado requerido. Estas configuraciones se denominan separadores y combinadores. El separador divide la serial de entrada en multiples salidas de igual amplitud y luego son aplicadas a cada m6dulo. El combinador luego recombina las salidas de los m6dulos y 17

la sepal queda lista para alimentar la carga. Los combinadores estan relacionados muy de cerca con los transformadores de banda ancha en diseno y construccion. Este metodo se utiliza entonces para mejorar la salida de potencia de los amplificadores de potencia. Clases de operacion de los amplificadores de potencia El proposito de un amplificador de potencia es proporcionar una tension de salida con una maxima excursion simetrica sin distorsion a una baja resistencia de carga. En la practica, un sistema suele consistir de varias etapas de amplificacion, tanto para pequena sepal como para RF, la ultima 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 algun otro dispositivo analogico. La clasificacion de los amplificadores de potencia se Ileva a cabo considerando distintas tecnicas de polarizacion lo que conduce a distintos modos de operacion. Los modos de operacion principales para el diseno de amplificadores de potencia son los siguientes: ♦ Operacion en Clase A ♦ Operacion en Clase B ♦ Operacion en Case AB ♦

Operacion 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 operacion surgen para brindar funcionalidad a amplificadores que estan disenados para operar a pequena sepal y a bajas frecuencias por lo que toda la teoria relacionada a ellos asume invariablemente el use de dispositivos activos y pasivos que manejen esta clase de senates. Por otro lado se tienen las tecnologias de microondas con las que aun se requiere de los principios de operacion mencionados anteriormente pero los dispositivos asociados al amplificador mismo son distintos ya que estan calculados y construidos para operar en un espectro de frecuencias donde se presentan fenomenos electromagneticos totalmente distintos de los que se presentan a bajas frecuencias. Diferencias entre los amplificadores para HF y los amplificadores para RF Por to que se ha visto hasta aqui, cuando se habla de la operacion de un amplificador en altas frecuencias no se ha especificado exactamente su rango de operacion (o ancho de banda). En referencia al espectro de frecuencias ocupadas en comunicaciones, estas van desde los 30MHz hasta 30GHz. Esto Ileva a suponer que en un rango de frecuencias tan vasto existen distintas tecnicas de funcionamiento y construccion de los transistores que se empleen en equipos especificos; por ejemplo un amplificador para 30Mz no tendra la misma configuracion que uno que se requiera para comunicaciones via satelite en el orden de los 30GHz o mas. Se ha decidido entonces incluir lo relacionado con los transistores de altas frecuencias a to largo de este trabajo para destacar tanto su importancia, su funcionamiento, aplicaciones, ejemplos y principalmente sus diferencias con los amplificadores para RF.

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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 mas adelante se mencionan tipos de transistores que no son muy conocidos debido a que se requieren para prop6sitos muy concretos en frecuencias extremadamente altas. La parte mas importante hasta aqui es entonces diferenciar un transistor de HF y un de RF. Los transistores que operan en HF son afectados en su desempeno por el efecto miller. Para reducir la impedancia de conducci6n o la capacitancia de retroalimentaci6n se emplean distintos tipos de configuraciones, estas se ilustran en la figura 5.

04

A. seguidor mas amplificador en emisor comun

B. amplificador en emisor comun mas amplificador en base comun (Cascode)

C. seguidor mas amplificador en base comun (amplificador diferencial)

Fig. 5. Configuraciones basicas de amplificadores para altas frecuencias con transistores de prop6sito general.

En el primer circuito en emisor seguidor reduce la impedancia de conduccion vista desde la entrada del amplificador emisor comun. Esto reduce considerablemente la degradaci6n del desempeno en alta frecuencia causado por la frecuencia de transici6n fT y CcbGv. El segundo circuito es la clasica configuraci6n cascode en la cual la etapa emisor comun controla la etapa de base comun eliminando de esta manera el efecto Miller representado por CcbGv. En la tercera configuraci6n el seguidor conduce la etapa de base comun eliminando el efecto Miller y reduciendo is conduccion de la impedancia al mismo tiempo. Este es el amplificador diferencial comun con resistores de colector no balanceados y una entrada a tierra. Otra caracteristica 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 prop6sito general), esto es, el hecho de que se cuente con amplificadores para altas frecuencias no implica que puedan utilizarse para amplificaci6n de potencia y menos para frecuencias extremadamente altas (del orden de 30 o mas GHz). Esto se realiza con transistores especializados en los que se emplean tecnicas de fabricaci6n y materiales distintos, asi Como configuraciones de

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circuito que incluyen elementos que no se encuentran nunca en circuitos de HF, como lo son Iineas de transmision, guias de onda y transformadores. Por estas razones no se profundizara mas en el analisis 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 pensaria que es requerido realizar siempre un diseno del amplificador, un analisis detallado y multiples pruebas con multiples configuraciones o componentes individuales, principalmente transistores. Esto tendria muchas desventajas por cuestiones de estabilidad, tamano y costos principalmente. Afortunadamente existen modulos de amplificadores `empaquetados' que estan disponibles con distintos proveedores en configuraciones que satisfacen un gran cantidad de necesidades. De hecho casi todos los componentes de RF se adquieren como modulos. 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 mas basica el amplificador aun no empaquetado es un circuito hibrido de pelicula delgada con ganancia en un amplio rango de frecuencias. Una presentacion comun 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 propositos, agunos por optimizados para bajo ruido y otros para alta ganancia en potencia o grandes rangos dinamicos. Los amplificadores individuales pueden disenarse para operar sobre rangos de frecuencias o sobre bandas de frecuencias muy angostas como los que se usan en comunicaciones que son los mas discutidos en este trabajo. Bajo este tipo de presentacion compacta o modular se encuentra por ejemplo el UTO-514 de Avantek que presents una ganancia de 15dB sobre un rango de frecuencias de 30MHz a 200MHz (amplificador de HF), aunque tambien 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 estan fabricados usando tecnologia GaAsFET y HEMT. Los amplificadores que se usan sobre bandas muy angostas de frecuencias se pueden optimizar para un desempeno de bajo ruido. Los excelentes amplificadores comerciales que se emplean en bandas de comunicaciones, como por ejemplo el amplificador AM4285 de Avantek, con una ganancia de 50dB (316.22watts), una bands de 3.7-4.2GHz y una figura de ruido de 1.5dB (1.19watts), 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 otra areas de comercializacion de dispositivos electr6nicos, existe una gran competencia comercial por estos modulos amplificadores asi como por otros componentes de RF modulares.

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En la practica, cuando se disena un sistema de RF y se cuenta con estos modulos comunmente basta con haber elegido a traves de catalogos o manuales el modulo apropiado y conectarlo con cable coaxial para poder armar el sistema.

Otros dispositivos de amplificaci6n en RF Amplificadores parametricos Estos dispositivos amplifican variando un parametro del circuito entonado. Los amplificadores parametricos tienen una analogia con un pendulo que oscila al ser tirado verticalmente y con su punto de flexion inferior fijo. En el amplificador parametrico se puede variar por ejemplo la capacitancia del circuito entonado con un varactor (capacitor de voltaje variable) conduciendola con una sepal de `bombeo'. Los amplificadores parametricos se emplean principalmente en amplificaciones de bajo ruido. Masers Maser es el acronimo para amplificacion de microondas por emision estimulada de radiacion. Estos dispositivos son basicamente amplificadores atomicos o moleculares de dificil construccion y use pero son los amplificadores que producen la menor cantidad de ruido que ningun otro amplificador. GaAs FETs El ultimo tipo de amplificadores de microondas y el mas sencillo a nivel mundial. Su desempeno es comparable con el de los amplificadores parametricos. Los amplificadores comerciales disponibles actualmente de este tipo proporcionan 28dB de ganancia a 10GHz con una potencia de ruido de tan solo 2dB. El mas reciente amplificador del tipo GaAs FETs es el Ilamado 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 vacio usados en frecuencias de microondas toman ventaja de los efectos de tiempo de transito del tubo. Una variacion conocida como k/ystron de reflejo trabaja como un oscilador al Ianzar su flujo de electrones hacia adentro de e1. Existen Klystrons disponibles que pueden proporcionar continuamente una salida de 0.5W de RF a 2GHz. Magnetrones Este dispositivo es el corazon de los radares y los hornos de microondas. Su funcionamiento consiste en un tubo de oscilacion de alta potencia Ileno de pequenas cavidades resonantes y operado en un fuerte campo magnetico que hace que los electrones viajen en espiral a traves de su interior.

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Diodos Gunn, ►MPATT 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 desempenan trabajos conjuntos. Los diodos IMPATT son analogos 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 senales de microondas convirtiendo un corto circuito a traves de las guias de onda.

7. Mementos empleados en circultos de radio frecuencia Aunque el tema central de este trabajo consiste en analizar la amplificacibn de la potencia de las senales de los transmisores de RF, se considera muy importante comentar aquellos elementos que no son transistores (o amplificadores) y que determinan en forma directa el comportamiento de los circuitos en altas frecuencias, radio frecuencias o microondas. En los circuitos de radio frecuencia o microondas se cuenta con distintos tipos de mOdulos de circuitos especializados que no tienen equivalentes en circuitos empleados en bajas frecuencias,. Estos elementos son muy importantes en comunicaciones de RF ya que se emplean para generar y detectar senales de RF.

Lineas de transmision Las lineas de transmision juegan un papel determinante en los circuitos de radio frecuencia donde se utilizan para Ilevar senales a travos de guias o tuberias de un lugar a otro dentro del circuito y a menudo al sistema de antena. Las lineas de transmision proporcionan una de las excepciones mas importantes a los principios generales de que una fuente generadora idealmente deberia tener una impedancia menor comparada con la impedancia de la carga que esta siendo conducida y que la carga deberia presentar una impedancia de entrada mayor comparada con la impedancia de la fuente que la conduce. La regla equivalente para lineas de transmision es que Ia carga (y posiblemente la fuente) deberia presentar una impedancia igual a la impedancia caracteristica de la linea. Asi, la linea estaria acoplada. Las lineas de transmision para senales de frecuencias medics a altas (arriba de 1 GHz por ejemplo) aparecen en dos formas distintos: conductores paralelos y Linea coaxial. En el dominio de ultra altas frecuencias (UHF) los circuitos utilizan tecnicas que involucran lineas de transmision de conductores paralelos como parte del circuito. Para frecuencias superiores del orden de frecuencias de `microondas' (arriba de 2GHz aproximadamente) los elementos del circuito y las lineas de transmision se reemplazan con tecnicas de cavidades y guias de ondas respectivamente. Con excepcion de estas

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frecuencias extremas, el cable coaxial comun es indudablemente la mejor eleccion para la mayoria de las aplicaciones de radio frecuencia. En comparacion con la Iinea de conductores paralelos, una Iinea coaxial propiamente acoplada tiene la ventaja de estar totalmente blindada por lo que no hay radiacion o captura de senales externas. Lineas de transmision desacopladas Una Iinea de transmision desacoplada tiene caracteristicas muy interesantes y al mismo tiempo muy utiles. Una Iinea terminada en corto circuito produce una onda reflejada de polaridad opuesta con un tiempo de retardo determinado por la longitud de la Iinea electrica. La velocidad de propagacion de onda en las Iineas coaxiales es cerca de dos terceras partes la velocidad de la luz debido al espaciamiento del material dielectrico. Esta propiedad de cable cortado es explotada en ocasiones para generar un pulso corto desde una onda de escalon. El escalon de entrada se aplica a la entrada de un cable a traves de una resistencia igual a Zo con el otro extremo del cable en corto. La onda a la entrada es un pulso de ancho igual al tiempo de propagacion debido a que el escalon reflejado cancela la entrada. Los cables terminados con una resistencia R distinta de Zo tambien producen reflexiones, aunque de menor amplitud. La onda reflejada es invertida si RZo. La razon de la amplitud de la onda reflejada a la amplitud de la onda incidente esta dada por: A, R Z0 A. R+Z0

Las Iineas de transmision en e/ dominio de /a frecuencia En el dominio de, una Iinea de transmision acoplada en su extremo lejano, se asemeja a una impedancia de carga Zo, por to que la resistencia es despreciable si no existen perdidas en la linea. Esto es como si la Iinea contuviera cualquier onda aplicada y dirigiendo toda la potencia al resistor de acoplamiento, independiente de la longitud del cable o la longitud de onda. Debido a que, para una longitud de Iinea dada, la onda reflejada Ilega de vuelta a la entrada con una fase (relativa a la sepal de aplicada) que depende de la frecuencia aplicada, la impedancia que se observa hacia la entrada depende del desacoplo y de la longitud electrica de la Iinea de transmision, en longitudes de onda. Por ejemplo, una Iinea que es un numero par de cuartos de longitud de onda terminada en una impedancia load (impedancia de carga) en el extremo lejano presenta una impedancia de entrada:

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Si la carga es resistiva, la entrada se vera resistiva. Por otro lado, una Linea que es un numero integral de la mitad de longitudes de onda presenta una impedancia de entrada igual a su impedancia terminal. Estos conceptos son muy importantes por lo que se ilustran en la figura 6 para mayor claridad. Z2 0 Zload

to

214 (electrica)

Zin

-

Zload 212

Zload

(electrica)

Fig. 6. Acoplamiento de impedancia caracteristica de una linea de transmision

La presencia de las ser ales reflejadas sobre la linea de transmision no necesariamente es mala. Para operacion en una frecuencia particular, una Iinea desacoplada puede ser manejada (a traves de un entonador de Iinea) de tal manera que pars acoplar su impedancia caracteristica resultante, a menudo con una Iinea sin perdidas despreciablemente mayor (debido a altos voltajes y corrientes para la misma potencia incidente) que con la carga acoplada. Pero una Iinea tiene diferentes propiedades a diferentes frecuencias, donde la `carta de Smith' puede ser usada para determinar las impedancias de las Iineas de transmision y de la razon la onda estacionaria (standing-wave ratio SWR), que es una medida de la amplitud de las ondas reflejadas, haciendola indeseable para usos de banda ancha o multi frecuencia. En general, se requiere de un gran esfuerzo para terminar una Iinea de transmision en su impedancia caracteristica, al menos en su extremo final de recepcion. Impedancia caracteristica y acoplamiento de impedancia Una linea de transmision, sea cual sea su forma, posee una `impedancia caracteristica' Zo que indica que una onda que se mueve a lo largo de una linea tiene una razon de voltaje a corriente igual a Zo. Para una Iinea de transmision sin perdidas, Zo es resistiva e igual a I(L/C) donde L y C son la inductancia y capacitancia por unidad de longitud. Las Iineas convencionales de cable coaxial poseen una impedancia en el rango de 50 a 10052 mientras que las Iineas de conductores paralelos tienen impedancias en el rango de 300 a 100052.

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+1 Oil

Fig. 7. Amplificador entonado MOSFET de compuerta dual

En este amplificador se emplea un transistor FET de compuerta doble en modo de vaciamiento o agotamiento (dual-gate depletion-mode FET) pars eliminar los problemas causados por el efecto Miller debido a que la entrada no esta entonada. Otro ejemplo de circuito de RF entonado se muestra en la figura 8. En este se emplea tambien un circuito entonado LC construido cuidadosamente para seleccionar frecuencias de un oscilador. Esto se conoce como un oscilador de frecuencias variable (VFO), y puede ser usado como un elemento entonado en algunos transmisores y receptores, asi Como fuentes de senales de RF de frecuencia variable. F

0.1uF

2.5rnH 0.1 uF

470pF

L1

T T 270pF 100pF1

1

r

I

u

V1

�12V

T Capacitor de alimentacion constante

1N5711

Fig. 8. Oscilador LC con transistor JFET

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En el circuito un transistor JFET proporciona la ganancia en potencia necesaria, con retroalimentacion positiva de la fuente acoplada en el lazo de L1. La oscilaci6n se produce ya que el lazo tiene menos vueltas que el inductor proporcionando ganancia de voltaje y en consecuencia oscilaci6n. Osciladores De igual forma que los modulos de amplificadores que se han mencionado (amplificadores modulares) tambien existen modulos de osciladores con excelentes desempenos. Los modulos de osciladores entonados usan varactores (capacitores de voltaje variable) para ajustar la frecuencia de operacion de un oscilador LC en respuesta a un voltaje aplicado externo. Una version mas elegante de oscilador entonado para frecuencias del orden de gigahertz, utiliza una esfera YIG (de yttriun/iron/garnet) como cavidad de resonancia magnetica entonada. Una tecnica reciente para construir osciladores economicos de buena estabilidad en el rango de los gigahertz utilizan a resonador dielectrico de pastilla como elemento de retroalimentacion para un oscilador GaAs FET (o bipolar). Los osciladores que usan esta tecnica `dielectricamente estabilizada' son simples y estables y presentan bajo ruido. Para una alta estabilidad, el mejor tipo d oscilador utiliza cristales de cuarzo para seleccionar la frecuencia de operacion. Los osciladores de cristales de cuarzo estan disponibles comercialmente en rangos de frecuencias de 10kHz a cerca de 100MHz en todas las variaciones mencionadas. Cuando to que se requiere es tanto ajustabilidad como alta estabilidad, un sintetizador de frecuencia es la mejor eleccion. Mezcladores y moduladores Un circuito que forma el producto de dos senates se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones de RF y es Ilamado mezclador, modulador, detector sincrono o detector de fase. La forma mas sencilla de modulaci6n es la de AM, en la cual una sepal portadora de alta frecuencia es variada en amplitud de acuerdo a las lentas variaciones de la sepal moduladora; un multiplicador es el que desempena esta tarea. Tal circuito puede ser usado tambien como control de ganancia variable, considerando que una de las entradas es un voltaje de dc. Entre los metodos empleados para realizar un mezclador estan los siguientes: a) Circuitos con elementos no lineales como transistores o diodos Schottky principalmente. b) FETs de compuerta dual con una sepal apticada a cada compuerta c) Cl's multiplicadores. d) Mezcladores balanceados construidos de transformadores y arreglos de diodos generalmente disponibles como mezcladores doblemente balanceados empaquetados. Un mezclador es un circuito que acepta dos senates de entrada y forma un sepal de salida con la suma y diferencia de frecuencias.

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Multiplicadores de frecuencia Un circuito no lineal a menudo es usado para generar una sepal coma multiplo de las senales de entrada. Esto es particularmente conveniente si una sepal de alts estabilidad se requiere a frecuencias muy altas por encima del rango de los buenos osciladores. Uno de los metodos mss comunes es polarizar una etapa de amplificacion para operacion altamente no lineal, entonces se usa un circuito LC entonado de salida para algunos de los multiplos de Ia serial de entrada; esto puede Ilevarse a cabo con transistores bipolares, FETs, a inclusive diodos de tunel. Un multiplicador como el 1496 puede ser usado como un eficiente duplicador a bajas radio frecuencias conectando la serial de entrada a ambas entradas, formando asi el cuadrado de la serial de entrada. El cuadrado de una onda senoidal contiene frecuencias solo hasta el segundo armonico. Existen mezcladores que aceptan frecuencias desde 5MHz hasta 2400MHz con una buena supresion tanto de la frecuencia de entrada (la frecuencia fundamental) como de armonicos no deseados. Un circuito multiplicador de frecuencia deberia incluir un circuito de salida entonado o deberia ser seguido por amplificadores entonados, ya que, en general, muchos armonicos de la sepal de entrada son generados en el proceso no lineal. Filtros La selectividad de frecuencias se necesita tambien en circuitos de RF. El amplificador LC entonado proporciona una buena medida de selectividad, con los picos o crestas de la respuesta ajustable via el factor Q del circuito LC. Lo ultimo depende de las perdidas en el inductor y el capacitor, as[ como la carga del circuito asociado. Se pueden obtener facilmente valores de Q del orden de centenas. En frecuencias extremadamente altas, los circuitos LC amontonados son reemplazados por tecnicas de Iinea (stripline), y en microondas se utilizan cavidades resonantes, pero la idea basica sigue siendo la misma. Los circuitos entonados tambien pueden ser utilizados para refleja una frecuencia particular si se desea. Para aplicaciones donde es necesario tener un filtro que pase una bands muy angosta de frecuencias relativamente no atenuadas, con una calda abrupta fuera de los limites de la banda, un filtro pasa banda superior puede hacerse de un conjunto de resonadores piezoelectricos o mecanicos. Los filtro en RF son muy importantes ya que permiten la selectividad hacia el receptor y la generacion de ciertos tipos de senales moduladas. En situaciones donde los filtros pasa banda de banda angosta no se necesitan, los filtros pueden disenarse con multiples secciones de circuitos LC resonantes. Detectores La etapa final para la extraccion de la informacion de una sepal de RF modulada involucra Ia deteccion, que es el proceso de quitar la sepal modulada de la portadora. Existen varios metodos para ello dependiendo de la forma de modulacion (AM, FM, SSB, etc.)

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8. Tecnicas de deteccion y medici6n de potencia en HF y RF La deteccion de una sepal de AM consiste simplemente en la generacion de un voltaje proporcional a la amplitud instantanea de la sepal de RF que transporta la modulacion. En muchas otras aplicaciones como Ia radioastronomia, medicion de RF en laboratorio, diseno de filtros, vigilancia, etc. es importante ser capaz de medir la amplitud o la potencia de las senales de RF. Rectificaci6n de /a sepal El diodo detector simple tiene la ventaja de trabajar sobre un enorme rango de frecuencias (por encima de los gigahertz, y con el numero adecuado de diodos), pero no es lineal a bajos niveles. El use de diodos Schottky ayuda en cierta manera debido a su caida frontal inferior. Se puede mejorar este esquema si se preamplifica la sepal antes de rectificarla. Esta tecnica se emplea por ejemplo en `detector de nivel' UTD 1000 amplificador/diodo de Avantek); pero eso limits el rango dinamico, conduciendo a la saturacion del amplificador. El rectificador activo, en contraste, es altamente lineal y trabaja bien solo a bajas frecuencias como la mayoria de los amplificadores operacionales convencionales. En conclusion esta tecnica no es muy empleada. Detecci6n sincrona Un metodo interesante que combina un rango dinamico, precision y velocidad es la deteccion sincrona. En este metodo la salida es rectificada al ser invertida durante los medios ciclos alternantes. Esto requiere por supuesto de una sepal `limpia' a la misma frecuencia que la sepal que esta siendo detectada, ya sea que se produzca externamente o internamente con un amarrador de fase. La deteccion sincrona trabaja bien hasta frecuencias del orden de megahertz; la gran desventaja es la necesidad de una sepal de referencia coherente.

Control por fuente de corriente Otra solucion a la no linealidad del diodo rectificador es controlar el circuito rectificador con una corriente en vez de un voltaje; la salida de esta manera se carga resistivamente produciendo una salida de voltaje proporcional. La figura 9 muestra una buena implementacion con una fuente de corriente controlada por voltaje. Sin una sepal de entrada la salida del amplificador es desacoplada de la red de rectificacion produciendo una alta ganancia de voltaje; de esta forma solo se necesita una sepal de entrada muy pequena para que los diodos rectifiquen.

Fig. 9. fuente de corriente controlada por voltaje 29

En ese punto la ganancia de voltaje decae a Gv=RL/(RE+re) previniendo la saturacion. Con amplificadores de banda ancha y diodos mas rapidos, este circuito opera hasta a 100MHz o mas. Deteccion por seguimiento de amplitud Las no linealidades del diodo y el offset se eliminan usando una sepal generada localmente y detectada en un circuito simetrico para cancelar Ia corriente desconocida. La retroalimentacion ajusta la amplitud de [as sepal local de baja frecuencia hasta que el balance de las salidas rectificadas. La frecuencia de la sepal nula es lo suficientemente baja para que su amplitud pueda ser medida adecuadamente con rectificador de amplificador operacional de precision. Una buena implementacion de este circuito operara linealmente debajo de unos milivolts y arriba de los gigahertz. Deteccion de potencia Los metodos descritos brevemente miden la amplitud de una sepal de alts frecuencia, no obstante, existen varias ocasiones en las cuales se requiere conocer la potencia. Para una sepal senoidal la potencia esta dada por:

V2s P=

Rload

De esta forma es sencillo convertir una medicion de amplitud a una de potencia. Sin embargo, para formas de onda no senoidales, una medida real de la potencia se puede hacer solo promediando el cuadrado de la forma de onda de voltaje actual. En terminos de mediciones de RF se requiere de un `detector de ley cuadrada'. Existen numerosos metodos disponibles para este tipo de mediciones. Para frecuencias por arriba de unos cuantos megahertz, estos metodos de rms de leyes cuadradas fallan debido a amplificadores operacionales de anchos de banda inadecuados. Sin embargo, existen otros metodos. En Ia figura 10 se ilustra un circuito detector de ley cuadrada que usa un diodo de retroceso (back diode), el cual es simplemente un diodo de tunel.

Fig. 10. Detector de diodo de retroceso de ley cuadrada.

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Es circuito se Ilega a encontrar en circuitos de radioastronomia y presenta una extraordinaria linealidad de potencia. Una tecnica muy interesante que utiliza el mismo principio de funcionamiento de ley cuadrada es el metodo balometrico, en el cual la sepal de entrada (tal ves amplificada) se usa pars impulsar un termostato cuya temperature se mide entonces. Debido a que este es exactamente proporcional a V2, este metodo es intrinsecamente de ley cuadrada y banda ancha. Con un especial cuidado en el diseno del bolometro es posible extender el ancho de banda a muy altas frecuencias y a un rango dinamico mas amplio. La serie 432-438 de medidores bolometricos de potencia de HP extienden el rango de frecuencias de 100kHz a 50GHz!, usando a conjunto de sensores bolometricos de potencia intercambiables. Esto abarca el rango de +44dBm (25W) a -70dBm (100pW), o sea un total de expansion de 114dB.

Generaci6n y deteccion por AM Cualquier tecnica que permita controlar la amplitud de la sepal con un voltaje de forma lineal permite generar una sepal de RF modulada en amplitud. Los metodos comunes hacen use de la variacion de una fuente de voltaje de amplificacion de RF (si la modulacion se Ileva a cabo en la etapa de salida) o usando un chip multiplicacion como el 1496. Cuando se realiza la modulacion en etapas de bajo voltaje todas las etapas siguientes de amplificacion deben ser lineales. Se debe notar que la forma de onda moduladora debe estar polarizada de tal forma que nunca sea negativa. El receptor de AM mas sencillo consiste de varias etapas de amplificadores de RF entonados seguidos por un diodo detector. Las etapas de amplificacion proporcionan selectividad contra las senates cercanas en frecuencia y luego se amplifican las senates de entrada (las cuales comunmente son del orden de microvolts!) para el detector. Este ultimo simplemente rectifica de la sepal de RF de esta forma recuperando la envolvente con un filtro pasa bajas. El filtro pasa bajas deberia rechazar la sepal de RF mientras que permite el paso de audio frecuencias sin atenuacion.

Receptor superheterodino Un receptor que consiste de un conjunto de amplificadores de RF entonados no es deseable por muchas razones. La primera y mas importante de todas se debe a que los amplificadores individuales deben ser entonados a la misma frecuencia requiriendo de una gran coordinacion para seguir el conjunto de circuitos LC entonados. En segundo Iugar debido a que la selectividad de la frecuencia global es determinada por las respuestas combinadas de los amptificadores individuales, la forma del filtro pasa banda dependera de la precision con la cual los amplificadores individuales sean entonados. Tambien debido a que la sepal de RF que se esta recibiendo puede estar en cualquier frecuencia dentro del rango de los amplificadores, no es posible sacar 31

ventaja de los filtros de celosia cristalina para generar una bands angosta con la caida abrupta sobre cualquier lado que es una caracteristica pasa banda muy deseable. Una solucion conveniente a este problema es el receptor superheterodino. La sepal de entrada es amplificada con una etapa simple de una amplificador entonado de RF que posteriormente se mezcla con un oscilador local ajustable (LO) para producir una sepal en una frecuencia intermedia (IF), en este caso 455kHz. La entrada del amplificador de RF debe estar entonada en conjunto con el oscilador local pero la alineacion no es critica. El circuito para recepcion de RF superheterodino se ilustra a continuacion: de la antena

amplificadores de RF entonados

detector de AM

amplificador de audio

I--------------L-------------

entonacion simultanea

Fig. 11. Receptor superheterodino para RF

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Amplificador de potencia para RF de 25kW Este amplificador emplea un triodo conectado a tierra sin polarizacion. Los tubos de vacio aun se emplean en los amplificadores alta potencia para RF debido a que ningun dispositivo del estado solido puede servir como acoplo para su desemper o. Un ejemplo es el triodo de potencia 8973 que entrega 1.5MW a 50MHz. La rejilla a tierra no requiere neutralizacion y el circuito de salida es la red pi convencional que es conducida por el capacitor de bloqueo C8. Cs, L4 Y C1o forman la red actual con sus valores determinados por la frecuencia de resonancia, la transformacion de impedancia y la Q (factor de calidad5) cargada deseadas.

Entrada

de 50Q

C2 *

11 5v ac

.-.-i

Fig. 13. Amplificador de potencia para RF de 25kW

5 Q es el factor de calidad y mide la agudeza de la resonancia. 34

Amplificador de potencia para RF con transistores bipolares de quinta generacion para telefonos celulares e inalambricos Generalidades del amplificador El empleo de los transistores bipolares requeridos para el diseno que se comentara a continuacion es una nueva tecnologia que rivaliza con la de semiconductores GaAr (o sea hechos de germanio y arsenico) en las areas de telefonia celular y telefonia inalambrica. Los tipos de transistores empleados en este diseno practico pertenecen a una nueva generacion de transistores bipolares de RF de alto desempeno hechos de silicon cuyas frecuencias de transicion exceden inclusive los 20GHz. Estos transistores como ya se mencionb se emplean en telefonia celular y telefonia inalambrica con bajos voltajes6. Ademas de los tipos que se emplean a pequena sepal en los receptores de RF de los telefonos, estos transistores de quinta generacion de banda ancha para RF incluyen tipos de media potencia. Esto hace que esta clase de transistores compita con los de GaAr cuando se emplean en la amplificacion de RF en el transmisor del telefono. Sin embargo a diferencia de los dispositivos de GaAr, los bipolares mencionados operan con una alts eficiencia a partir de una sola fuente de suministro lo que reduce considerablemente la complejidad del circuito permitiendo un diseno mas compacto, ligero y en consecuencia telefonos mas portables. La clave para la reduccion del tamano y peso es el use de una bateria mas pequena. Para maximizar la densidad de energia significa comunmente usar celdas mas pequenas y en consecuencia fuentes de voltaje mas pequenas en el orden de 3-3.6V. Debido a que la parte de potencia mas requerida en un telefono inalambrico o celular se encuentra en el amplificador de potencia de RF, es importante considerar que cualquier movimiento a las fuentes de voltaje inferiores no resulte en perdidas significativas de eficiencia en el amplificador de potencia. Este amplificador deberia operar con bajos voltajes con una alta eficiencia de potencia agregada o extra. Para poder mantener un bajo costo de implementaci6n es conveniente usar el menor numero posible de etapas de ganancia y el menor numero de perifericos posibles. En figura se muestra el diseno para un amplificador de potencia para telefonos DECT empleando transistores de RF de banda ancha de la quinta generacion.

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3.6V

Figura 14. Amplificador de potencia para un telefono celular usando transistores de RF de banda ancha de quinta generacion. (TL Transmition Line) Tabla 2. Medida de lasimpedancias de potencia. Transistor Impedancia de la fuente i) BFG425W 12+0.7j BFG21W 9.1-9.5j

la fuente y de la carga usadas en el amplificador de Impedancia de la Condiciones car a (0) 52+102j VCE=3.OV; lc=30mAa; F=1.9GHz 9.7-6.4j VCE=3.6V; Ic=26dBm ; F=1.9GHz

Lista de corn onentes del amplificador de potencia ComponenteValor Descri ci6n y/o caracteristicas R1 560 R2 10 --R3 18 R4 100k R5 10 R6 no se re uiere R7 10k R8 180 ' Los decibeles tambien se usan pars indicar niveles de potencia absolutos agregando una tercera letra a la notation. Si el nivel de referenda es de lmiliwatt la potencia se expresa en `decibeles por encima de 1 miliwatt' (dBm) 36

L,

1 nF

C2

1On 8 $

C, C3 C4

C5

C6 C7 C8 C9

C10 C11

no se requiere -

8p 8p

1 ��

2p 1 On 2p

-_J

-

C12 Transistores Q, Q2 Q3 Q4 Lineas de transmision TL1 TL2 TL3 TL4 TLS TL6

nosey guiere --

-

-� -�

BFG425W BFG21W PUMTI PUMT1 Lagro 6.5mm; ancho 0.5mm Largo 6.5mm; ancho 0 5mm Largo 6.5mm; ancho 0.5mm Lar o 6.5mm; ancho 0.5mm Largo 6.5mm; ancho 0.5mm Largo 6.5mm; ancho 0.5mm

Funcionamiento El diseno opera desde 3.6V e incluye un circuito de polarizacion para el ajuste de Ia carga de potencia y un interruptor de encendido/apagado. El amplificador proporciona 26dBm8 de potencia a la salida logrando una ganancia de potencia de 29dB eficiencia de potencia agregada global que excede el 50%. La amplificacion de potencia en RF se logra usando solo dos de los nuevos dispositivos de banda ancha. El transistor Qi opera en clase A con un VCE de 3V y una corriente de colector de 30mA. Bajo estas condiciones proporciona 18dB de ganancia y un nivel de potencia de salida de 15dBm para una entrada de RF de 3dBm. El transistor Q2 es un transistor de potencia media que opera en modo clase AB. Este maneja el circuito de la antena directamente. Q2 esta polarizado a un voltaje de base de 0.7V el cual resulta en una corriente fija de colector de 1 mA aproximadamente. Este transistor proporciona una ganancia de potencia de 11 dB y un nivel de salida de 26dBm. Bajo estas condiciones la eficiencia de su colector es tipicamente del 55%.

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Acoplamiento de las impedancias Puesto que se esta tratando de amptificacion en radio frecuencias se requiere tambien realizar acoplamiento de impedancias. Las redes de acoplo de impedancias deben proporcionar un acoplamiento uniforme de 505 en todo el amplificador. La parte de acoplamiento de impedancias consiste de tres secciones separadas: Las redes de entrada, etapa intermedia y de salida. Su proposito es permitir a los transistores de RF un desempeno optimo con respecto a la ganancia de potencia, potencia de salida y la eficiencia. Afortunadamente los niveles de impedancia inherentes de Q1 (BFG425W) Y Q2 (BFG21W) permiten un facil acoplamiento. A la salida de Q1 una red en serie formada por R2/C11 es usada para incrementar el factor K de la primera etapa para evitar la inestabilidad potencial debajo de 1 GHz. El acoplamiento de la salida se Ileva a cabo con la Ilnea de transmision TL3 y el capacitor de derivaci6n C12. Polarizacidn La parte de polarizacion del amplificador de potencia incorpora un par de transistores dobles pnp (Q3,4). Para definir la corriente de colector en Q,, Q3A compara el voltaje a traves de R3 con el voltaje directo de su union base- emisor. Si la corriente en R3, es decir la corriente de colector de Q1, se incrementa entonces Q3A comienza a conducir. Esto reduce la conduccion de la base para Q3 13 to cual a su vez reduce la conduccion de base hacia Qi consiguiendo de este modo establecer la corriente de colector de Q1. Para que este circuito trabaje el vottaje de control Vc se conecta a tierra. El voltaje en el colector de Q1 es siempre 0.6V inferior que el de suministro permitiendo un voltaje balanceado de 3V en el colector. La base de la etapa de salida clase AB esta polarizada por una fuente de voltaje de baja impedancia formada por Q4b. El coeficiente de temperatura del voltaje base- emisor de Q4b es aproximadamente el mismo que Para Q2 manteniendo una corriente fija de aproximadamente 1 mA en el colector de Q2 a pesar de los cambios de temperatura ambientales. El resistor R5 previene de fugas termicas de Q2. El transistor Q4a es conducido por la entrada de control Vc para cortar Ia conduccion de la base hacia Q2 durante el intervalo entre los pulsos de salida de RF. Cuando es usado en modo de pulsos con voltajes de suministro y niveles de salida nominales, la carga puede estar desacoplada para una razon voltaje/onda estable menor o igual de 6:1, en todas las fases y sin dano. El amplificador de potencia tambien puede operar en modo CW previendo que se puede garantizar un acoplamiento a la salida de 5052 bajo cualquier condicion. Es posible incrementar la eficiencia global del amplificador operando el BFG425W en modo clase- AB en vez de clase- A. Esto tambien simplifica el circuito de polarizacion. Sin embargo tiene el efecto negativo de reducir la ganancia de potencia global lo que resulta en la necesidad de un nivel de conduccion de RF mas alto con el proposito de lograr la salida de potencia de 26dBm. Con unas ligeras modificaciones este amplificador de potencia es apropiado para usarse en telefonos PHS, aunque estos requieren una salida de potencia de RF menor de unos 21 dBm en vez de 26dBm. No obstante estos telefonos requieren un mejor desempeno lineal.

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9. Bibliografia Articulos

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