Amplificadores de bajo nivel y sintonizados
La realimentación interna de un transistor de RF es chica, pero decide si oscila. Pasar de |S12| = 0,05 a 0,08 deja al mismo transistor potencialmente inestable.
01Describir un amplificador de RF: los parámetros S
En radiofrecuencia no se pueden medir tensiones y corrientes en circuito abierto o en cortocircuito: los transistores oscilan y los cables tienen longitudes comparables a la onda. Por eso los dispositivos se describen con los parámetros de dispersión, que relacionan las ondas incidentes y reflejadas en cada puerto con todos los puertos terminados en 50 Ω. Son la versión de RF de los cuadripolos de Teoría de los Circuitos II:
| Parámetro | Significado |
|---|---|
| S11 | Coeficiente de reflexión de la entrada |
| S21 | Ganancia directa, de la entrada a la salida |
| S12 | Transmisión inversa: la realimentación interna del transistor |
| S22 | Coeficiente de reflexión de la salida |
Se miden con un analizador de redes vectorial y los fabricantes los publican en función de la frecuencia y la polarización. Con ellos se diseñan las redes de adaptación de entrada y salida.
02Estabilidad: el factor de Rollett
Por la realimentación interna \( S_{12} \), un transistor puede presentar resistencia negativa en un puerto para ciertas cargas en el otro, y oscilar. Es incondicionalmente estable si no oscila con ninguna carga pasiva, condición que se verifica con dos números:
Un transistor con S11 = 0,6∠−160°, S21 = 3∠80°, S12 de fase 45° y S22 = 0,5∠−60°. Se cambia el módulo de la realimentación interna S12. La curva azul es K en función de |S12|; la verde, la ganancia máxima disponible donde existe.
03Amplificadores sintonizados y de bajo ruido
Un amplificador sintonizado usa circuitos resonantes como carga, para amplificar solo una banda y rechazar las demás: son las etapas de frecuencia intermedia de los receptores. Su ancho de banda lo fija el Q cargado de los tanques, y en varias etapas sincrónicas la banda se angosta como se vio en amplificadores multietapa. La capacidad colector–base, que en los parámetros S es \( S_{12} \), puede hacerlas oscilar; se la anula con una neutralización o se la evita con un cascodo.
En un amplificador de bajo ruido (LNA), la primera etapa de un receptor, la entrada no se adapta para máxima ganancia sino para la impedancia de fuente que da la mínima figura de ruido, \( \Gamma_{opt} \), que el fabricante publica. Las dos no coinciden, y el diseño es un compromiso que se resuelve con círculos de ganancia y de ruido constantes sobre la carta de Smith. La figura de ruido y su medición se vieron en mediciones en amplificadores.
04En el laboratorio
Medir con un analizador de redes vectorial los parámetros S de un transistor montado en su placa de evaluación, y calcular K y la ganancia máxima en función de la frecuencia.
Buscar una frecuencia donde K < 1, presentar en la entrada una carga dentro del círculo de inestabilidad y observar la oscilación con un analizador de espectro.
Agregar una resistencia en serie con la base o en paralelo con la salida y medir cómo sube K y cuánto baja la ganancia.
05Errores frecuentes
- Verificar la estabilidad solo en la frecuencia de trabajo. El transistor puede oscilar muy lejos de la banda, donde tiene más ganancia.
- Adaptar un LNA para máxima ganancia. Se pierde figura de ruido, que es lo que importa en la primera etapa.
- Usar K sin mirar |Δ|. Hacen falta las dos condiciones.
- Olvidar los parásitos de la placa. Cambian los parámetros S respecto de los de la hoja de datos.
06Autoevaluación
¿Qué significa S21 = 3∠80°?
Ganancia de tensión de onda de 3 veces, 9,5 dB, con 80° de fase, entre puertos de 50 Ω.
¿Qué es la ganancia máxima estable?
\( |S_{21}/S_{12}| \): el límite cuando el transistor es potencialmente inestable, alcanzable estabilizándolo con resistencias.
¿Por qué un LNA no se adapta a la conjugada de su entrada?
Porque la mínima figura de ruido se obtiene con otra impedancia de fuente, Γopt.
¿Qué hace la neutralización?
Cancela la realimentación interna colector–base con una realimentación externa de signo opuesto.
07Para ampliar
- Guillermo Gonzalez. Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design. 2.ª ed., Prentice Hall, 1997. El diseño con parámetros S: estabilidad, ganancia y ruido.
- David M. Pozar. Microwave Engineering. 4.ª ed., Wiley, 2012. Los parámetros S y el diseño de amplificadores de microondas.
- Keysight Technologies. S-Parameter Design. Nota de aplicación 154, Keysight. Una introducción práctica al diseño de amplificadores con parámetros S.