Medidas Electrónicas II · 120 h · Contenido 5 de 10

Mediciones en amplificadores

Un amplificador de 1,5 dB de figura de ruido y 10 dB de ganancia, medido con un analizador común, se lee como si tuviera 10,5 dB. Sin corregir el segundo equipo, la medición no dice nada del amplificador.

Compresión de 1 dB Intermodulación IP3 Factor Y Figura de ruido

01Qué se mide en un amplificador

Las especificaciones de un amplificador se agrupan en cuatro familias, y cada una tiene su instrumento y su método:

Familia	Magnitudes	Instrumentos
Pequeña señal	Ganancia, respuesta en frecuencia, impedancias de entrada y salida, pérdida de retorno	Generador y osciloscopio o voltímetro; analizador de redes
Señal fuerte	Potencia de salida, compresión de 1 dB, distorsión armónica	Generador de baja distorsión y analizador de espectro o de audio
Linealidad con varias señales	Intermodulación, punto de intercepción de tercer orden	Dos generadores combinados y analizador de espectro
Ruido	Figura de ruido, temperatura de ruido, ruido referido a la entrada	Fuente de ruido calibrada y analizador

La teoría de cada magnitud se vio en Electrónica Aplicada II, por ejemplo en amplificadores realimentados y respuesta en frecuencia. Aquí interesa cómo medirlas bien.

02Compresión e intermodulación

Al subir la entrada, la ganancia empieza a caer: el punto de compresión de 1 dB es la potencia de salida en que la ganancia cayó 1 dB respecto de la de pequeña señal. Con dos tonos cercanos de frecuencias \( f_1 \) y \( f_2 \), la no linealidad de tercer orden produce productos en \( 2f_1 - f_2 \) y \( 2f_2 - f_1 \), que caen dentro de la banda y no se pueden filtrar. Su nivel crece 3 dB por cada dB de entrada, y la recta que los representa corta a la de la fundamental en el punto de intercepción de tercer orden:

\[ OIP3 = P_{out} + \frac{\Delta}{2} \] \( P_{out} \) es la potencia de cada tono a la salida y \( \Delta \) la diferencia en dB entre un tono y el producto de intermodulación. Con tonos de 0 dBm e intermodulación a −60 dBc, OIP3 = +30 dBm. La medición es válida lejos de la compresión, donde la pendiente es 3:1.

03Figura de ruido: el método del factor Y

La figura de ruido indica cuánto degrada un amplificador la relación señal a ruido. Para medirla, se conecta a la entrada una fuente de ruido calibrada, un diodo en avalancha que se enciende y se apaga. Su exceso de ruido al encenderse se expresa con la razón de exceso de ruido, ENR. El analizador mide la potencia de ruido a la salida con la fuente encendida y apagada, y su cociente es el factor Y:

\[ Y = \frac{N_{on}}{N_{off}} \] \[ F_{sis} = \frac{ENR}{Y - 1} \] \[ F_1 = F_{sis} - \frac{F_2 - 1}{G_1} \] Todas las magnitudes en veces, no en dB. La última es la fórmula de Friis despejada: el analizador tiene su propia figura de ruido \( F_2 \), y lo que se mide primero es la del sistema. Para obtener la del amplificador hay que calibrar el analizador y medir la ganancia \( G_1 \).

Laboratorio · factor Y y la corrección del segundo equipo

Un amplificador con una figura de ruido real, medido con una fuente de ruido y un analizador que tiene su propia figura de ruido. El gráfico muestra la figura de ruido del sistema, la que se leería sin corregir, y la real del amplificador.

Figura de ruido real del amplificador =

Ganancia del amplificador =

Figura de ruido del analizador =

Para amplificadores de muy bajo ruido conviene una fuente de ENR bajo, que da un factor Y más chico y menos afectado por la linealidad del detector; para ruidos altos, una de ENR alto. En todos los casos, la incertidumbre del ENR de la fuente se transfiere casi entera al resultado.

04En el laboratorio

Actividad 1 · Compresión

Barrer la potencia de entrada de un amplificador de RF y graficar la salida para encontrar el punto de compresión de 1 dB.

Actividad 2 · IP3

Combinar dos generadores con un combinador de potencia y medir la intermodulación de tercer orden de un amplificador a varios niveles. Verificar la pendiente de 3:1 y calcular OIP3.

Actividad 3 · Figura de ruido

Medir la figura de ruido de un amplificador de bajo ruido con una fuente de ruido y un analizador con la opción de figura de ruido, con y sin calibración del segundo equipo.

05Errores frecuentes

Medir IP3 cerca de la compresión. La pendiente deja de ser 3:1 y el resultado no vale.
Olvidar la contribución del analizador. Con poca ganancia en el amplificador, domina la figura de ruido del analizador.
Hacer la cuenta del factor Y en dB. Las fórmulas se aplican a cocientes lineales.
Medir ganancia sin adaptar impedancias. Las pérdidas por desadaptación se confunden con la ganancia.

06Autoevaluación

Con tonos de −10 dBm e intermodulación 50 dB abajo, ¿cuál es el OIP3?

\( -10 + 25 = +15 \) dBm.

Con ENR de 15 dB se mide Y = 10 dB. ¿Cuál es la figura de ruido del sistema?

\( 31{,}6/(10 - 1) = 3{,}51 \): 5,5 dB.

Si el amplificador tiene 20 dB de ganancia y el analizador 20 dB de figura de ruido, ¿cuánto se resta?

\( (100 - 1)/100 = 0{,}99 \) en veces.

¿Por qué los productos de tercer orden son los que más preocupan?

Porque caen cerca de las señales, dentro de la banda, y no se pueden filtrar.

07Para ampliar

Keysight Technologies. Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements. Nota de aplicación 57-1, Keysight. El método del factor Y, la corrección del segundo equipo y las incertidumbres.
David M. Pozar. Microwave Engineering. 4.ª ed., Wiley, 2012. El ruido y la linealidad de los amplificadores de microondas.
Bob Metzler. Audio Measurement Handbook. Audio Precision, 1993. Las mediciones de amplificadores de audio: distorsión, ruido y respuesta.

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