amplificadores alta frecuencia rf

8/18/2019 Amplificadores Alta Frecuencia RF

http://slidepdf.com/reader/full/amplificadores-alta-frecuencia-rf 1/8

Universidad de Carabobo Facultad de Ingenieria

Universidad de Carabobo

Facultad de Ingenierıa

Esc. Telecomunicaciones

Instrumentacion Electronica

Amplificadores de Alta Frecuencia

Autor:

Ayham Al Chouhuf Profesor

Fabian Robledo

Jueves 30 de Abril de 2016

Senales y Sistemas 1 Practica 1




Normalmente se estudian los componentes como si fuesen elementos ideales que soportan potencias, corrien-tes y voltajes infinitos. En textos basicos de fısica es comun ver capacidades de varios Faradios, resistencias de 1Ohm, corrientes de 10 A, inductancias de varios Henrios.... valores que de por sı son muy lejanos al mundo real,pero que son necesarios para no complicar con calculos inutiles y cientos de ceros la adquisicion de conocimientos

y estrategias.

Una primera aproximacion al mundo real es la inclusion de la potencia, trabajar con potencias reales (ahoralas resistencias soportan maximo 1W en vez de 100) supone la desaparici on de los Faradios y los ohmios, yempezamos con los kOhm y los uF, ya mas cercanos a lo que se puede adquirir en la tienda.

A medida que se especializa el diseno, y se pretende sacar el maximo rendimiento a un circuito, dbemostener en cuenta que los componentes reales no se comportan como componentes ideales, tienen trabas en sufuncionamiento que los alejan del comportamiento esperado.

La respuesta en frecuencia en los amplificadores establece el rango en el cual trabajara el sistema sin dis-torsionar la senal. Este se conoce como ancho de banda (BW , Band Width) y determina las frecuencias paralas cuales se produce el proceso de amplificacion. El valor de este parametro depende de los dispositivos y dela configuracion amplificadora. En los siguientes apartados, se describen las zonas de trabajo de un amplifica-dor, se analiza la respuesta en frecuencia de configuraciones basicas y se plantea una metodologıa que permitedeterminar el ancho de banda para un amplificador multietapa.

La respuesta en frecuencia de un amplificador tiene tres areas:

La region de baja frecuencia, descrita por la respuesta de un filtro pasaalto.

Una region independiente de la frecuencia (area central de la curva de transferencia.

La region de alta frecuencia, descrita por la respuesta de un filtro pasabajos.

La region de baja frecuencia se caracteriza por una frecuencia de corte inferior f L (o ωL), la region de altafrecuencia se describe a traves de la frecuencia de corte superior, f H (o ωH ). Se define ancho de banda como

BW = f H − f L (1)

El analisis de la respuesta en frecuencia de un amplificador puede ser considerado en tres rangos de fre-cuencia: la banda de baja, media y alta frecuencia. En la banda de baja frecuencia los capacitores usados paraaislar la componente continua CC (Acoplamiento en CA) y el capacitor de paso afectan la frecuencia de corte in-ferior (−3 dB). En la banda media, solo las resistencias afectan la ganancia, dicha ganancia permanece constante.

En la banda de alta frecuencia las capacitancias parasitas de los cables y las capacitancias internas de losdispositivos determinaran la frecuencia de corte superior del circuito.

1. Resistencia

Existen cuatro tipos basicos de resistencias: composicion de carbon, hilo bobinado, film metalico o film decarbon y resistencias metal-oxido. Los demas (thick film, bulk metal foil, metal cistalizado...) son variantes.

Para empezar, el primer efecto parasito esta causado por las patas. El hilo crea alrededor de sı mismo uncampo magnetico (experimento de Oersted), y a muy alta frecuencia se manifiesta como una inductancia. Tantoes ası que para un hilo de cobre de 10cm, tenemos 10nH. Afortunadamente estos valores no son importantes enlas frecuencias a las que nos movemos, aunque sı lo sean en el diseno de la electronica previa.

Otro efecto parasito que no es para nada obvio, aunque bastante mas leve, es la modulacion termica de laresistencia. Habitualmente, la resistencia aumenta con la temperatura, y la disipacion de potencia puede no sersuficiente. Por eso, a medida que nos aproximamos al lımite de disipacion termica, la temperatura aumenta y

la resistencia tambien. Si superamos ese valor, es muy posible que se puedan producir variaciones permanentes.Estas variaciones dependen del material y el carbon es siempre el que mas variacion termica tiene.





1.1. Composicion de carbon

Las resistencias de composicion de carbon consisten en una pasta hecha a base de carbon y algun metalconductor, que se solidifica en forma de barritas y luego se corta, dando ası la resistencai deseada. Existe unavariante, el Cermet , usado principalmente en potenciometros de potencia (10 W ), que en vez de carbon usanceramica y metal.

Los efectos parasitos de este tipo de resistencias son una gran capacidad parasita y un alto nivel de ruidode baja frecuencia, debido a la inhomogeneidad de la materia.

Son sumamente antiguas y aunque es posible encontrar alguna en alguna tienda, estan casi en deshuso.

1.2. Pelıcula de metal o de carbon

Las resistencias de pelıcula de metal o de carbon solventan ese problema con una mayor homogeneidad. Elproblema del metal es que es muy buen conductor, y no se pueden hacer resistencias de valores altos. Por ejem-po, un megaohmio no es nada facil de encontrar en metal, y 330 kΩ el lımite tecnologico para una resistenciaaxial de 300”/1000 y 0, 25 W .

Sus efectos parasitos son principalmente capacitivos, aunque mucho menores que las de composicion decarbon, pero aun ası siguen siendo notables a muy alta frecuencia. Su modelo equivalente es el mismo que lasde composicion, pero cambian los valores de capacidad parasita.

1.3. Hilo bobinado

Las resistencias de hilo bobinado son la opcion por excelencia para potencia. Ha llegado a imponer un con-sumo de 100 W a una resistencia de potencia nominal 5 W sin que se produjese un fallo, durante unos pocossegundos. Principalmente, la limitacion de potencia en este tipo de resistencia viene marcado por la temperaturay en todo caso por la precision que deseemos.

El aumento de la temperatura producira otro aumento de la resistencia. El otro problema derivado es que ladisipacion de potencia se hace en forma de calor, en primer lugar puede fundir el estano que suelda la resistencia,y en segundo lugar puede quemar los componentes que hay alrededor. Se construyen a base de un hilo resistivomuy largo. Ese hilo, logicamente, no esta en posicion recta, esta en forma de espiral ya que es una forma maseficiente de utilizar mas longitud en un mismo espacio, sin tener que utilizar resistencas de un palmo de longitud.

Este es principalmente el problema, el hilo en forma de espiral se comporta como una bobina. Por otrolado, existe una capacidad parasita entre lo que se podrıa llamar .espiras”, y tambien son capacitivas a muyalta frecuencia. Desde luego el valor de esa capacidad es muy bajo y el de la inductancia pueden ser hastamicrohenrios. Al igual que en las de pelıcula metalica, no se pueden obtener resistencias de gran valor porqueel metal es muy buen conductor. Habitualmente, 33 kΩ es lo maximo.

1.4. Metal-oxido

Aparentemente su unica ventaja es que soportan grandes potencias en un reducido espacio y sin ser in-ductivas. Su deriva termica es muy alta, 330ppm/oC, y lo bueno que tienen es que a semejanza de las de hilobobinado soportan muy bien las sobrecargas sin quemarse ni sacar humo ni explotar. No es posible obtenervalores de resistencia altos y las tolerancias estan alrededor del 10 %.

2. Bobinas

Una bobina es un hilo de cobre enrollado. De ahı podemos deducir que tendra una resistencia parasita.Tambien si las espiras de un extremo estan proximas a las del otro extremo tendremos una capacidad parasita,si por ejemplo la bobina esta construida por capas. Esta tambien el efecto Kelvin, que empuja a los electronesal exterior y disminuye el area de conducion.





2.0.1. Clasificacion

Segun el nucleo o soporte:

1. Nucleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnetico (fibra, plasti-

co, etc.). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada s olo debido a la rigidezmecanica del conductor.

2. Nucleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valor de lainductancia. Sin embargo, solo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las perdidas sonelevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentacion y amplificadores de audio.

3. Nucleo de ferrita: las ferritas son oxidos de metales magneticos, de alta permeabilidad (10 a 10000)que ademas son dielectricos. Existe una gran variedad en el mercado en funcion de la frecuencia de trabajo.

Segun la forma constructiva:

1. Senoidal –Ver Fig.1(a) –2. Toroidal –Ver Fig.1(b) –

(a) Solenoide (b) Toroide

(c) Solenoides y toroides reales

3. Condensadores

Los fenomenos parasitos de los condensadores son basicamente:

1. ESR (equivalent series resistance): Limita el valor mınimo de impedancia obtenido. Es bastante importante

para filtrado, ya que una ESR alta impedira que la atenuacion fuera de banda sea la adecuada. Se modelacomo una resistencia en serie con el conensador y limita la mınima impedancai que es posible obtener.





2. ESL (equivalent series inductance): Es al inductancia parasita en serie e implica que a partir de unafrecuencia el condensador ya no se comporta como un condensador sino como una bobina. Se comportacomo una bobina en serie con el condensador.

3. Absorcion dielectrica: Es un fenomeno parasito de los aislantes, que produce el llamado .ef ecto memoria”.Si se prueba cargar un condensador electrolıtico a una tension, y luego descargarlo cortocircuitando susterminales, se puede ver que su tension es cero con los terminales cortocircuitados. Pero luego al abrir elcircuito se ve rapidamente que su tension sube hasta alrededor de +1V . Toda la carga deberıa abandonar elcondensador inmediatamente. Es una distorsion sobre la que hay poca documentacion, pero es de bastanteimportancia en circuitos de filtros activos, circuitos de sample and hold y conversores analogico-digital.No se puede medir con los metodos tradicionales, una onda senoidal no indica nada, la distorsion seproduce en el dominio del tiempo y no en un dominio frecuencial, que es donde se hacen de las pruebas.Su estudio vino dado a partir de los circuitos de sample and hold , donde se ven en forma de dato digitallos resultados de esta distorsion. La absorcion dielectrica se muestra como si el voltaje fuera funcion de unvoltaje anterior. En los condensadores ceramicos ocurre con voltajes tanto positivos como negativos. Engeneral todo condensador y todo cable con capacidad sufre de este fenomeno parasito excepto la botellade Leyden que es un condensador que utiliza el vacıo como dielectrico. Lo que es cierto es que en algunos

dielectricos como el poliestireno estos efectos son muy inferiores a los de los oxidos de los condensadoreselectrolıticos.

4. Leackage (Goteo de corriente): Es importante por las perdidas que puede producir en circuitos de bajoconsumo, ya que supone la autodescarga del condensador, y en circuitos que requieran precision en DCno deben usarse. Se modela como una resistencia en paralelo con el condensador, Rp.

3.1. Condensadores electrolıticos

Los electrolıticos utilizan una capa de oxido de metal como dielectrico, Consisten en una dos capas de metalenrolladas entre sı, con un papel impregnado en lıquido en medio. Este lıquido es el electrolito, es lo que seencarga de oxidar el metal. Ese material enrollado se introduce en una c apsula de aluminio.

Normalmente la reaccion de oxidacion es reversible, y solo se produce cuando se aplica tension en un sentido,mientras que en el otro se produce la reaccion opuesta, se desoxida. En ese caso, el aislante va desapareciendo yel electrolito conduce la carga. El resultado es que el electrolıto hace de resistencia, cada vez pasa mas corriente,sa calientea, hierve y es habitual que explote.

3.2. Condensadores ceramicos

Se utilizan exclusivamente en microelectronica, ya que sus valores y tamanos no son suficientes como paradar 40uF a 400V que requerirıa un motor, o los 1000uF que requiere el filtrado de una fuente de alimentacion.Son sumamente baratos y suponen una opcion de la que no se puede prescindir en muchos casos dadas suscaracterısticas. De los condensadores ceramicos urge decir que como la ceramica no es maleable, es rıgida, laconfiguracion no es axial, enrollada, sino multicapa. Esto disminuye al mınimo la inductancia parasita, aparteque los propios materiales empleados tengan buen comportamiento hasta unos 100MHz.

3.3. NP0,CG0.

Son ceramicas muy estables, de ba ja constante dielectrica (alrededor de 5) por lo que no es posible obtenergrandes valores de capacidad, maximo 10nF , El dielectrico utiliza entre otros Neodimio y Samario. Son muyestables con la temperatura ya que suelen estar formados por dos materiales, uno de ellos con coeficiente termiconegativo y otro con coeficiente termico positivo. Asi se compensan y el resultado es muy cercano a cero, en todocaso mejor que en los polımeros.

Se pueden obtener tolerancias muy bajas, de un 5 % o menos para capacidades del orden de picofaradios, ypueden soportar voltajes de hasta 3000V . Son adecuados para circuitos temporizadores y filtros, su absorcion

dielectrica esta alrededor del 0,01 %, un valor semejante a la mica. Su estabilidad temporal tambien es envidiable,la variacion no supera el 0,1 %





3.4. X7R

Es un material intermedio entre las ceramicas de baja K y las de alta K . La capacidad no es constante frentea la frecuencia ni tampoco frente al voltaje. Aun ası las variaciones etran dentro de un 15 % en todo el rangode temperaturas. Su uso es bloqueo de DC y en general aplicaciones que no requieran una gran constancia enla capcidad, pero si baja ESR y ESL, y tamano.

3.5. Z5U,Y5V

Este material es el de mayor constante dielectrica que existe. llega a sobrepasar 4000 como es el casodel titanato de bario. La venaja, se obtiene capacidades de incluso varios uF en un encapsulado SMD 1206(2x1mm). Solo sirven para almacenar energıa ya que su coeficiente termico es muy elevado y caotico, tambienla variacion de capacidad frente al voltaje es muy abrupta. La tolerancia total es de −20 +80%. Su ESL yESR son muy bajas. Su absorcion dielectrica es muy alta, supera el 1 %.

4. Clasificacion de Fuentes de Capacitancias e Inductancias Parasi-

tas

Capacitancias:

• Parasitas: Internas de las resistencias y cableado de acoplamiento

• Discretas: Capacitores de acoplamiento

• Internas: Producidas por los transistores BJT o F ET

Inductancias

• Parasitas: Ocurre debido a que una trayectoria cerrada se comporta como una bobina de una solaespira.

5. Amplificadores RF

Los amplificadores de RF son sencillamente dispositivos en los que se tienen en cuenta parametros queincrementan proporcionalmente con la frecuencia y que influyen en la respuesta del mismo con el tiempo, estosdispositivos son importantes para poder analizar fenomenos y utilizarlos a mas grande escala.

Estos amplificadores por lo general son proyectados con transistores FET como su componente activo, lostransistores BJT pueden ser usados, pero se prefieren los FET por su alta impedancia de entrada, lo que mejoramucho la sensibilidad del circuito.Los amplificadores de poder de RF son las ultimas etapas activas antes de laantena de transmision. Suministran toda la amplificacion de potencia necesaria para radiar la senal de RF alespacio.

5.1. Funciones de los amplificadores RF.

El amplificador de radiofrecuencia, cumple dos funciones:

1. Elevar el nivel de la portadora generada por el oscilador.

2. Servir como amplificador separador para asegurar que el oscilador no es afectado por variaciones de tensiono impedancia en las etapas de potencia.

Existen etapas amplificadoras de RF , estas etapas de un transistor amplifican la senal de RF a un nivel sufi-cientemente elevado para operar la antena.

Los amplificadores de voltaje y los amplificadores de poder. Los amplificadores de voltaje preceden a los

amplificadores de poder y generalmente sirven para un doble proposito: Aıslan o amortiguan la fuente de RF delamplificador de poder para impedir que el ultimo cargue al primero. Y suministran una amplificacion de voltaje





para operar el amplificador de poder. Generalmente los amplificadores de voltaje operan como amplificadoresde clase A debido a que la linearidad es un factor importante en el prop osito para el que sirven.

Tipos de amplificadores RF:

Amplificadores sintonizados contienen circuitos resonantes en el circuito de entrada o salida, o en ambos.Se usan para amplificar senales de banda estrecha (es decir senales cuyas componente pertenecen a unaestrecha banda de frecuencias), mientras que rechazan las senales de las bandas de frecuencia adyacentes.Por ejemplo los receptores de radio y televisi on utilizan amplificadores sintonizados para seleccionar unasenal de entre varias que llegan al receptor a traves de la antena.

Amplificadores de banda ancha, permiten obtener una ganancia constante en bandas grandes (una oc-tava). Permiten adaptacion de impedancias en banda ancha. La realimentacion puede ser disipativa. Secomportan como una lınea de transmision activa. Consiguen bandas de trabajo muy grandes (m´ as de una decada) y Tienen poca ganancia.

El amplificador de potencia (PA) es la ultima etapa del emisor. Tiene la mision de amplificar la potenciade la senal (no necesariamente la tension) y transmitirla a la antena con la maxima eficiencia. En eso se

parecen a los amplificadores de ba ja frecuencia, pero aquı la distorsion o falta de linealidad puede no serimportante.

6. Caracterısticas de la Realimentacion

La realimentacion en amplificadores se emplea para modificar sus caracterısticas de funcionamiento, unaparte de la senal de salida se aplica a la entrada y en la mayorıa de los casos se resta de la senal de entrada.Esto se denomina realimentacion negativa o degenerativa, sin embargo se puede sumar a la senal de entrada,en cuyo caso la realimentacion se denomina positiva o regenerativa.

La realimentacion negativa estabiliza la ganancia del amplificador, aumenta el ancho de banda y reduce elruido de distorsion, y la realimentacion positiva tiene justamente el efecto contrario. No obstante se emplea

raramente en amplificadores usandose principalmente en osciladores. La realimentacion tambien afecta a lasimpedancias de entrada y salida de los amplificadores, la forma en que cambian estos depende del tipo derealimentacion.

La realimentacion se puede aplicar en pequena o en gran escala y aparece tanto en sistemas anal ogicos comoen digitales. La retroalimentacion permite que ciertas caracterısticas de los circuitos como ganancia, impedanciade entrada, impedancia de salida y ancho de banda se controlen con precision y al mismo tiempo se consigue queestos parametros sean insensibles a variaciones en los parametros individuales de los transistores. Estos ultimospueden resultar extremadamente sensibles a procesos de fabricacion, cambios de temperatura y a otros factoresambientales.

6.1. Neutralizacion de parasitosLa neutralizacion se logra al retroalimentar deliberadamente una porcion de la senal de salida a la entrada,

de una manera tal que tenga la misma amplitud que la retroalimentacion no deseada pero con fase opuesta.Puesto que las capacitancias de dispositivo varıan de un componente a otro, es necesario un ajuste cuidadoso.

A continuacion mostraremos un tipo de neutralizacion donde este amplificador tiene una tendencia a oscilardebido a la retroalimentacion a traves de la capacitancia base-colector del transistor. El metodo utilizado paraproveer retroalimentacion para la neutralizacion es reordenar el primario del transformador de salida para queel centro este conectado a Vcc. La fuente de alimentacion esta por su puesto al potencial de tierra para ac(en particular, cuando se utiliza la red de desacoplamiento que consiste en Rp y Cp). El transistor aun est aconectado a traves de solo una parte del transformador de salida para reducir su efecto de carga y no haydiferencia por lo que respecta a la operacion del circuito.

La razon para reordenar las conexiones del transformador es que ahora los extremos superior e inferior del

devanado tienen polaridades opuestas con respecto a la tierra para la senal AC. Es posible que las tensiones seaniguales en magnitud o no, no es necesario que el transformador tenga una derivacion en el centro. La capacitancia





interna C alimenta una senal desde el extremo superior de la bobina punto A a la base del transistor. Un capacitorvariable pequeno Cn se ajusta para eliminar una senal de igual magnitud pero con polaridad opuesta desde elextremo inferior de la bobina, punto B a la base. Cuando Cn se ajusta de manera correcta, se cancela las senalesy el amplificador permanece estable.

7. Oscilaciones Parasitas

Las capacidades pequenas del transistor y las inductancias de los terminales de conexion a lo largo de todo elcircuito pueden formar osciladores Colpitts o Harttey no deseados. Las oscitaciones que resultan se denominanoscilaciones parasitas. Generalmente, se dan a muy altas frecuencias y son debiles, debido a que la realimenta-cion es muy pequena.

Las oscilaciones parasitas hacen que los circuitos actuen erraticamente. Los osciladores producen mas de unafrecuencia, los amplificadores operacionales tienen demasiado offset, las fuentes de alimentacion tienen un rizadoinexplicable, los amplificadores producen senales distorsionadas y la imagen de video presenta ruido de imagen.Un viejo truco en senales distorsionadas consiste en tocar partes del circuito de baja tension sospechosas de

tener oscilaciones parasitas.

Si el problema desaparece, es casi seguro que existe este tipo de oscilaciones. ¿Cu al es la solucion para evitarlas oscilaciones parasitas? Se puede reducir la realimentacion positiva anadiendo pequenas resistencias a lasconexiones de base de los transistores. Suele bastar 10Ω, pero se tienen que hacer pruebas para ver cu al es elvalor mas adecuado. Otra solucion es colocar un nucleo de ferrita en cada conexion de la base. Este absorbesuficiente energıa en las oscilaciones parasitas y generalmente anula las oscilaciones no deseadas. En cualquiercaso, la fraccion de realimentacion se reduce o el desplazamiento de fase se cambia lo suficiente como para quelas oscilaciones parasitas desaparezcan.

8. Conctor N

Los conectores tipo N son conectores roscados para cable coaxial, funcionando dentro de especificacioneshasta una frecuencia de 11 GHz. Fue disenado por Paul Neill, de quien toma la N que le da nombre, en losLaboratorios Bell durante los anos cuarenta. Su objetivo era conseguir un conector para cable coaxial robusto,resistente a la intemperie, de tamano medio y con buenas prestaciones en radiofrecuencia hasta 11 GHz, siendoel primero con buenas propiedades en la banda de microondas. Se adapta a un amplio rango de cables coaxiales,medios y miniatura. Existe en grado comercial, industrial y militar y dos tipos: estandar y corrugado. Existenversiones de conectores rectos y en angulo, aereos y de panel.


amplificadores alta frecuencia rf

Documents