PROFESOR:

DONACIANO JIMÉNEZ

ALUMNO:

JAVIER GARCIA PÉREZ

MATRíCULA: 93220307

MATERIA: PROYECTO TERMINAL 11

TíTULO DEL PROYECTO:

._

“Amplificadores de potencia para RF”

Fecha: 26/03/99

I

lndice de Contenido

1 . Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 . Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 . Comunicaciones en altas frecuencias 8

4 . Dispositivos activos de estado sólido para RF 10

..........................................................................

..........................................................

4.1. Dispositivos activos de tres terminales para RF .................................................. 11

5 . Transistores para HF y RF ......................................................................................... 12

5.1. Teoría y operación de los transistores bipolares en RF ...................................... 13

5.2. Técnicas de fabricación de transistores de potencia para RF ............................. 15

6 . Amplificadores de potencia para HF y RF ................................................................. 17

6.1. Clases de operación de los amplificadores de potencia ..................................... 18

6.2. Diferencias entre los amplificadores para HF y los amplificadores para RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3. Amplificadores modulares ................................................................................... 20

6.4. Otros dispositivos de amplificación en RF ........................................................... 21

7 . Elementos empleados en circuitos de radio frecuencia ............................................. 22

7.1. Líneas de transmisión ......................................................................................... 22

7.2. Líneas de transmisión desacopladas .................................................................. 23

7.3. Líneas de transmisión en el dominio de la frecuencia ......................................... 23

7.4. Impedancia característica 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. Filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

7.1 O . Detectores .................................................................................................. 28

8 . Técnicas de detección y medición de potencia en HF y RF ...................................... 29

8.1. Rectificación de la señal ...................................................................................... 29

8.2. Detección síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.3. Control por fuente de corriente ............................................................................ 29

8.4. Detección por seguimiento de amplitud .............................................................. 30

8.5. Detección de potencia ......................................................................................... 30

8.6. Generación y detección por AM .......................................................................... 31

8.7. Receptor superheterodino ................................................................................... 31

9 . Ejemplos de aplicaciones con amplificadores de potencia para RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

9.1. Modo de operación 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 generación para teléfonos celulares e inalámbricos ........................................... 35

9.3.1 . Generalidades del amplificador ................................................................. 35

9.3.2. Funcionamiento ......................................................................................... 37

9.3.3. Acoplamiento de las impedancias ............................................................. 38

9.3.4. Polarización del amplificador ..................................................................... 38

10 . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

.

1. Objetivos

El objetivo del presente trabajo consiste en comentar, a través de los distintos temas, la teoría básica que se requiere para poder entender, de manera general, los principios de funcionamiento de los sistemas electrónicos de comunicaciones que hacen uso de elementos activos, principalmente transistores, para la amplificación de potencia de las señales a la salida del transmisor, pertenecientes a la porción altas frecuencias y superiores del espectro electromagnético.

Estos conceptos son importantes pues determinan como poder transmitir estas señales a grandes distancias, y como son utilizados en muchos sistemas de comunicación modernos, como en los teléfonos celulares e inalámbricos, los radares y en las comunicaciones vía satélite, principalmente.

2. Introduccibn

.. .. y.. . . : :.!: . . . .:.:.:.:.,. . ... . ::... .

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Si de comunicaciones se trata se puede pensar inmediatamente en dos posibilidades: comunicaciones humanas, estudiadas en sociología y psicología principalmente, o comunicaciones electrónicas, que la gente en general las comprende más como comunicaciones que hacen uso de alguna tecnología. Detrás de este segundo contexto se encuentra una enorme cantidad de teorías y principios provenientes de las ciencias exactas y

desarrollados durante muchas décadas. El ingenio humano ha sido el responsable de esta situación y consecuentemente lo sigue siendo al observar la sorprendente cantidad de tecnología que nos rodea actualmente. Los cuestionamientos respecto a estas tecnologías sobran, sin embargo no se puede negar sus beneficios.

Los campos de la electrónica y de las ingenierías que hacen uso de esta ciencia son extremadamente amplios y al parecer surgen continuamente especialidades muy específicas en este ramo. Una de esas ramas, tal vez la de surgimiento más reciente, es la de las telecomunicaciones. De hecho ha existido, o más bien surgió, hace ya varias décadas 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 tecnológicos prácticamente a nuestro alcance. Ejemplos de esto se encuentran en los sistemas de comunicación digital (o analógica) vía satélite, sistemas de radar de muchos tipos, principalmente los que se utilizan en sistemas de navegación, sistemas de comunicación personal como teléfonos celulares e inalámbricos, etc. Las señales' transmitidas por estos equipos tiene un alcance tal que prácticamente no existe un lugar de la tierra que no transmita o reciba señales eléctricas de distintas clases y con distintos propósitos, pero el principal y más importante, al igual que en los procesos de comunicación humana, es el de intercambiar y compartir información.

Para transmitir señales eléctricas por cualquier medio, como cables o el aire principalmente, se deben cumplir requisitos que le permitan llegar a su destino de forma adecuada. Algunos requisitos para que llegue de una manera adecuada al receptor son: J Sin distorsiones. El canal o medio por el que se propaga siempre contaminará o

J Potencia adecuada. De este factor dependerá, entre otras cosas, que tan lejos distorsionará las señales que viajan por él.

llegue la señal, aunque está relacionado con más factores.

Para que se cumplan estos requisitos existe una amplia teoría que describe la manera de lograrlo. Para la inmunidad al ruido del canal, por ejemplo, han surgido técnicas de

1 Formalmente una señal eléctrica es una onda electromagnética que se propaga por algún medio.

r

transmisión digitales que regeneran la señal a lo largo de su recorrido permitiendo, a diferencia de las técnicas analógicas, una recepción casi libre de errores. La potencia de un transmisor de cualquier equipo de telecomunicaciones, radar, satélites, teléfonos celulares, etc. es proporcionada por etapas de amplificación, y estas etapas están constituidas generalmente por transistores.

El transistor es uno de los inventos más revolucionarios de la historia pues el desarrollo tecnológico actual esta basado en un sin fin de equipos, instrumentos y procesos que hacen uso de transistores, ya sea que estén integrados a gran escala como en los microprocesadores de equipos de cómputo, microcontroladores o procesadores digitales de señales (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 amplificación que emplean muchos equipo electrónicos actuales son necesarios por muchas razones: J para que estos puedan transmitir más lejos J para que las señales sean más inmunes al ruido y a las ínterferencias de otras

J para que las señales puedan ser entregadas a varios receptores simultáneamente señales

Existen más razones, pero lo importante es entender que en los procesos de comunicaciones electrónicas, es decir, aquellas comunicaciones que emplean equipos electrónicos para transmitir la información en forma de ondas electromagnéticas, se conjuntan muchas especialidades y se hace necesario el cumplimiento de muchos requisitos para ello.

Finalmente cabe mencionar, en este mismo ámbito, que las señales eléctricas de información son un caso especial de onda electromagnética que puede ubicarse siempre dentro de un rango de frecuencias en el espectro electromagnético. Las señales de radio, televisión, de radar, satelitales, etc. se les puede ubicar siempre en algún rango de frecuencias denominado comúnmente banda de frecuencias o en otros casos simplemente ancho de banda, al igual que otros tipos de señales que no se encuentran disponibles o no son útiles para fines de comunicaciones.

Para ilustrar los principales rangos de frecuencias que se manejan en comunicaciones así como sus siglas convencionales que las distinguen se muestra una porción del espectro electromagnético destinado a las frecuencias de radiodifusión con la finalidad de ubicar el rango o espacio de frecuencias que se discutirán con mayor detalle a lo largo de este trabajo.

,

1 o6 1 ob 1 o4 1 o3 1 o2 1 O' 1 oo 1 o-' 1 o" A, m ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF

300 f 30 3 300 30 3 300 30 3 Hz GHz GHz MHz MHz MHz kHz kHz kHz

microondas

Designaciones de frecuencias Abreviatura [ Descripción I Rango ELF

300-3000 MHz Frecuencia ultra alta UHF 30-300 MHz Frecuencia muy alta VHF 3-30 MHz Frecuencia alta HF 300-3000 kHz Frecuencia media MF 30-300 kHz Frecuencia baja LF 30-300 kHz Frecuencia muy baja VLF 300-3000 HZ Frecuencia de voz VF 30-300 HZ Frecuencia extremadamente baja

. SHF 30-300 GHz Frecuencia extremadamente alta EHF 3-30 GHz Frecuencia super alta

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 convención de la ITU denominadas altas frecuencias (HF) o ondas cortas. Las comunicaciones en altas frecuencias son el Único método de la radio transmisión o radio difusión debido a sus peculiares características de propagación. Este fenómeno de propagación lo llegan 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 límites para la práctica de radio frecuencias en el límite de IOkHz a IOOGHz. En este rango de frecuencias la radiación electromagnética puede detectarse y ser amplificada como corrientes eléctricas en una frecuencia de onda. La transmisión de señales por medio de ondas electromagnéticas radiadas que no son luz ni calor se denomina radio transmisión y la propagación de una onda de radio es la transferencia de energía o radiación electromagnética en radio frecuencias.

El término microondas se emplea para hace referencia a las ondas de radio cercanas a IGHz o posteriores; esta no es estrictamente una definición y pueden encontrarse discrepancias con otros textos especializados.

En la teoría de las comunicaciones se habla de un canal de comunicaciones como un medio por el cual se transporta información de un punto a otro. Por ejemplo, el canal podría consistir de un cable o de un enlace de fibra óptica. En comunicaciones de radio frecuencia el canal es el espectro electromagnético 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 altas (VHF) y las frecuencias ultra altas (UHF) extendiéndose hasta varios cientos de megahertz, y la región de microondas que comienza cerca de I GHz.

Debido a que las técnicas de radio frecuencia (RF) encuentran su mayor aplicación de comunicaciones, es importante entender como pueden ser moduladas y demoduladas las señales y en consecuencia como se usan las radio frecuencias para llevar la información de un lugar a otro. El método de modulación más empleado es el de banda lateral única con portadora suprimida (single-sideband suppressed carrier - SSBSC). En este esquema de modulación el amplificador de potencia en el transmisor eleva la potencia de una señal de bajo nivel con el mínimo posible de distorsión. De esta manera se requiere que la envolvente de la señal de salida esté tan cerca como sea posible de ser una réplica de la señal de entrada.

Una señal de voz, por ejemplo, se envía sobre un canal de radio frecuencia al ser modulada por una portadora de radio frecuencia. Como en muchos otros casos de

IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronics Terms ~~

n

transmisión, la voz no se transmite directamente. Las razones son las siguientes (en RF o en cualquier otro rango de frecuencias):

Si la información fuera transmitida en su banda natural de frecuencias con ondas de radio (en este caso 3kHz, o sea en la porción VLF del espectro), cualesquiera dos señales podrían interferirse o sobreponerse, por lo que al codificar la información en portadoras pertenecientes a distintas porciones del espectro es posible multiplexar en frecuencia la señal manteniendo de esta forma muchos canales simultáneamente. Algunas longitudes de onda se generan y propagan de una manera más conveniente que otra. Por ejemplo, en la región de los ~ " I z a 30MHz, las señales pueden viajar por todo el mundo mediante múltiples reflexiones en la ionosfera, y con antenas para frecuencias de microondas de tamaño adecuado se pueden formar haces estrechos.

En consecuencia, la región 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 1OW a 1OOkW o más. La tendencia de los amplificadores actuales de potencia para altas frecuencias, aún los de alta potencia, es usar módulos de amplificación con dispositivos de estado sólido. La ventaja del uso de estos dispositivos es que eliminan el alto voltaje3 requerido en la operación con tubos de vacío.

La palabra voltaje se utiliza tan frecuentemente en la literatura técnica y cientifica en el español que haría pensar que es correcta en cualquier contexto. Sin embargo la palabra correcta y adecuada que debería emplearse invariablemente es tensión. En este trabajo se seguirá utilizando la palabra 'voltaje' con el fin de seguir solo los esquemas comunes recalcando de antemano su uso arraigado e inadecuado.

4. Dispositivos activos4 de estado sólido para RF

Durante las dos décadas pasadas, los circuitos activos han evolucionado de los transistores individuales de estado sólido y elementos pasivos alojados en guías de ondas convencionales y/o líneas coaxiales hasta circuitos integrados compactos incluyendo componentes activos y pasivos e interconexiones referidas genéricamente como circuitos integrados para microondas (MIC en inglés). Otras derivaciones son:

Circuitos intearados híbridos para microondas (HMIC). Consisten de un patrón de interconexiones y un circuito de componentes impresos distribuidos sobre un substrato apropiado. Circuitos intearados monolíticos para microondas ("IC). En estos todas las interconexiones y componentes, tanto activos como pasivos, se fabrican simultáneamente sobre un substrato semiconductor semiaislado (usualmente arseniuro de galio GaAs).

El término MMlC se usa para los circuitos que operan en la región del espectro electromagnético con longitudes de ondas milimétricas (30-300GHz) así 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 transmisión y recepción cubriendo las regiones mencionadas arriba.

La clasificación de estos tipos de los dispositivos de estado sólido siguiente:

1) Dispositivos activos de dos terminales a) Diodos

i) Diodos de túnel ii) Diodos sccottky iii) Diodos de tiempo de tránsito (IMPATT)

i) Dispositivos de electrón transferido ii) Varactores

b) Otros dispositivos de dos terminales

2) Dispositivos activos depara microondas de tres terminales a) Transistores de efecto de campo

i) Transistores de efecto de campo de metal semiconductor (MESFET) * ii) Transistores de alta movilidad de electrones (HEMET)

i) Transistores bipolares de hetero unión (HBT) b) Transistores bipolares (BJT) *

4 Un dispositivo activo es aquel que convierte energía proveniente de una fuente de voltaje polarizada de comente directa a una seilal de radio frecuencia. Los dispositivos activos se requieren en osciladores y amplifícadores.

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, así como armamento inteligente, electrónica de consumo, instrumentos de microondas, etc., y pueden operar desde ultra altas frecuencias hasta las denominadas ondas milimétricas.

Los que se describirán con más detalle son los transistores bipolares utilizados en amplificadores de potencia de teléfonos celulares e inalámbricos.

Dispositivos activos de tres terminales para RF El desempeño en altas frecuencias ha mejorado dramáticamente en las últimas dos décadas. Hace 20 años aproximadamente los transistores que podían proporcionar ganancias útiles a frecuencias superiores a los IOGHz eran solo una curiosidad de laboratorio. Actualmente tales dispositivos ya están totalmente disponibles además de que operan inclusive a frecuencias superiores a los 1OOGHz. Este mejoramiento dramático se ha logrado por los avances en el crecimiento de la tecnología de los materiales semiconductores aunado con mejoras en el diseño y técnicas de fabricación

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 mayoría de las aplicaciones debido a que proporcionan medios convenientes para el control del su desempeño 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 diseñan fácilmente proporcionando circuitos con características de estabilización y retroalimentación propias.

La tecnología de los materiales semiconductores continúa mejorando para brindar cada vez un mejor desempeño en altas frecuencias. Tantos los transistores de efecto de campo como los bipolares se emplean comúnmente en sistemas prácticos de microondas como amplificadores, osciladores y bloques de ganancia. Los transistores han reemplazado muchos dispositivos de dos terminales debido a las mejoras de desempeño y fácil uso. Los transistores se han integrado fácilmente tanto en circuitos integrados tanto híbridos como monolíticos trayendo como en consecuencia una reducción de tamaño, peso y consumo de potencia de corriente directa, así como un incremento en la fiabilidad de su uso. Estos transistores también se polarizan fácilmente y la configuración de red de dos puertos conduce naturalmente a una separación inherente entre las redes de entrada y salida.

5. Transistores para HF y RF

Los amplificadores, para pequeña señal, que están configurados en emisor común con resistor de carga de colector, muestran un decaimiento de ganancia conforme se incrementa la frecuencia de la señal debiendo esto principalmente a los efectos de las capacitancias de la carga y la juntura o unión.

La capacitancia no es el Único factor que afecta la reducción de la ganancia del amplificador en altas frecuencias. La capacitancia de retroalimentación (Ccb) desde la entrada hasta la salida puede dominar la caída de alta frecuencia especialmente si la impedancia de la fuente de la señal de entrada no es baja. Para determinar donde decaerá 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 común que se ilustran en la figura 1 son los más sencillos posibles para altas frecuencias y se pueden utilizar aún para estimar el desempeño de circuitos de alta velocidad.

Cab,Ccb (b) ,""""""-"""""

I Crss,Cdg I

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

En estos casos, la capacitancia efectiva aumenta drásticamente 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 I E , y disminuyendo re, de tal manera que el producto RC (r&ie) permanece casi constante.

Como resultado la ganancia del transistor en una frecuencia particular depende principalmente de la razón entre la pérdida 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 f ~ , que es la frecuencia a la cual la ganancia en corriente (h&) ha caído a la unidad. La ecuación para esta frecuencia es la siguiente:

c 1 J T =----

’ K i e re ,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 propósito 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 f~ (frecuencias de transición) en el un rango de aproximadamente SOOMHz a IOGHz, mientras que los transistores de “propósito general” tienen una f~ en el rango de 5OMHz a 250MHz.

Teoría y operación 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 básicas: pnp o npn, dependiendo de conductividad común en ambas uniones pn.

Un corte transversal de un transistor bipolar para microondas se muestra en la figura 2.

I Base Emisor Base Emisor Base

L d f

1

I n-

t

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

Las secciones con rayas indican electrodos metálicos Las designaciones n+, p, n- y n;, indican el tipo de impureza aplicada y el nivel de concentración relativa.

Para aplicaciones de microondas la estructura npn se usa debido a que la operación se controla por el flujo de electrones. En general, el transporte de electrones es más rápido que el de huecos, y los transistores npn superan el desempeño en altas frecuencias comparándolos con los de unión pnp. En operación, la unión pn base- emisor está polarizada en directa y la unión np base- colector en inversa. Cuando una señal de RF se aplica a la unión base- emisor la unión permite que se inyecte una corriente en la región de la base que consiste en portadores de carga minoritarios los cuales se difunden entonces a través de la región

de la base hacia la unión base- colector donde son llevado a través de la unión por el fuerte campo eléctrico debido a la polarización. El tiempo de transmisión de los portadores de carga a través de esta región es pequeño excepto para transistores de ondas milimétricas donde el tiempo de tránsito en la región base- colector puede ser una pequeña fracción del tiempo requerido por los portadores de carga que atraviesan el emisor a través del colector.

La operación del transistor es primordiatmente controlada por los portadores de carga minoritarios para difundirse a través de esta región. Por esta razón los transistores de microondas se diseñan con regiones de base angostas con el fin de minimizar el tiempo requerido por los portadores para atravesar esta región. El tránsito de la región de la base es generalmente un factor limitante que determina la capacidad del transistor en altas frecuencias. La ganancia del transistor es afectada significativamente por el comportamiento de los portadores minoritarios en la región 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 recombinación 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 análisis 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 más empleadas son las configuraciones de emisor común y base común aunque la de colector común también se usa. Los amplificadores a pequeña señal generalmente utilizan la configuración de emisor común y los amplificadores de potencia a menudo usan la configuración de base común. La ganancia de corriente de un transistor que opera en colector común se denota por p y en base común por a, donde p>a , la cual está limitada a valores menores que la unidad. Para los modernos transistores de microondas a. -0.98-0.99 y po -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 ecuación I como sigue:

CJ E "" a 0

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

donde U es la ganancia en potencia, CQ la ganancia de corriente dc en base común, rb

es la resistencia de la base, C, es la capacitancia, Zec es tiempo de tránsito 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 máxima frecuencia a la cual el dispositivo tendrá características activas. Esta frecuencia es

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

Tdcnicas de fabricacidn 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 fácilmente y a bajos costos y son útiles en aplicaciones donde se requieren ganancias moderadas así como en aplicaciones de baja a alta potencia para RF. Además presentan niveles de ruido del orden de Id6 a 1 GHz y 4-5dB a 1OGHz.

Un transistor bipolar de alta frecuencia se puede construir usando heteroestructuras de semiconductores compuestos tales como AIGaAs/GaAs. La operación de los transistores bipolares de silicio está limitada a frecuencias menores de 40GHz mientras que en los transistores bipolares de heterounión pueden operar inclusive por arriba de los IOOGHz. Ambos se utilizan tanto en aplicaciones de ruido bajo así como en aplicaciones de alta potencia en RF.

Existen, sin embargo, otras técnicas de fabricación de este tipo de transistores; una de estas es la técnica denominada de doble capa de polisilicon, y es aplicada en la construcción de transistores bipolares de banda ancha de la quinta generación como el que se incluye en los teléfonos celulares digitales actuales así como en los teléfonos inalámbricos digitales. La característica de los transistores fabricados bajo esta técnica radica en que su frecuencia de transición se encuentra por arriba de los 20GHz con voltajes colector-emisor muy bajos. Las ganancias típicas de potencia son del orden de 1 Id6 a 2GHz.

Está técnica mejora la de los transistores construidos de GaAs como se comentó 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 1 OOnm (1x1 O-’m).

La técnica descrita se ilustra en la figura 3.

Oxido watiaón del

walia&l del Colector

I delcoledor Base Fig. 3. Corte transversal de un transistor bipolar para RF

Los nuevos transistores bipolares de banda ancha están 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 región de base sumamente angosta requerida para una alta frecuencia de corte.

Diseños recientes que emplean FETs de alta movilidad electrónica (HFETs) han logrado un ruido térmico de 8OK a 8.5GHz. Para medir las características de ruido térmico (noise temperature) en amplificadores de microondas se utiliza un método llamado carga-caliente/carga-fría (hot-load/cold-load).

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6. Amplificadores de potencia para HF v RF

Los circuitos amplificadores han recibido la máxima atención en el desarrollo de circuitos de estado sólido. Los transistores (dispositivos del estado sólido de tres terminales) requieren redes de acoplamiento de impedancias tanto para la entra como para la salida. La configuración básica del dispositivo transistor de tres terminales se muestra en la figura 4.

zi I"""" 1 I"""" 1 I Rdde I I acoplamiento I

I I ' I I

I .

I I """"2 !- """_ 2

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

Algunas de las características más notables de los amplificadores para altas frecuencias que utilizan transistores bipolares son: J Baja sensibilidad al ruido J Alta linealidad J Ganancias en potencia altas y variables J Ancho de banda óptimo J Alto desempeño arriba de 4GHz J Bajo costo

Los circuitos amplificadores de potencia contienen transistores capaces de manejar alta potencia. Estos operan normalmente a tensiones mayores que los transistores de baja potencia, y por lo tanto requieren a menudo de una fuente de alimentación separada.

Algunos transistores de potencia pueden exceder tensiones de 450V y 10A. Como estos transistores necesitan disipar potencias elevadas, se diseñan en forma diferente de los transistores de baja potencia, y pueden incluir circuitos de protección para limitar la corriente. Las opciones más comunes en el diseño de amplificador en alta frecuencia pueden ser: 1. Reducir la ganancia por etapa para reducir el efecto Miller. 2. Reducir la impedancia de la fuente de la señal de entrada. 3. Seleccionar un transistor de más alta frecuencia. 4. Utilizar una configuración que no sea sensible a la frecuencia, como la Base-

Colector o la cascode.

Cuando la potencia de salida requerida excede la capacidad de un amplificador se utilizan múltiples etapas o módulos que se combinan para poder producir el resultado requerido. Estas configuraciones se denominan separadores y combinadores. El separador divide la señal de entrada en múltiples salidas de igual amplitud y luego son aplicadas a cada módulo. El combinador luego recombina las salidas de los módulos y

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la señal queda lista para alimentar la carga. Los combinadores están relacionados muy de cerca con los transformadores de banda ancha en diseño y construcción. Este método se utiliza entonces para mejorar la salida de potencia de los amplificadores de potencia.

Clases de operacibn de los amplificadores de potencia El propósito de un amplificador de potencia es proporcionar una tensión de salida con una máxima excursión simétrica sin distorsión a una baja resistencia de carga. En la práctica, un sistema suele consistir de varias etapas de amplificación, tanto para pequeña señal como para RF, la última de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz, un excitador, un solenoide o algún otro dispositivo analógico. La clasificación de los amplificadores de potencia se lleva a cabo considerando distintas técnicas de polarización lo que conduce a distintos modos de operación. Los modos de operación principales para el diseño de amplificadores de potencia son los siguientes: + Operación en Clase A + Operación en Clase B + Operación en Case AB + Operación en Clase C

Cabe mencionar que estos amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo con el porcentaje del tiempo que la corriente de colector es distinta de cero. Estos modos de operación surgen para brindar funcionalidad a amplificadores que están diseñados para operar a pequeña señal y a bajas frecuencias por lo que toda la teoría relacionada a ellos asume invariablemente el uso de dispositivos activos y pasivos que manejen esta clase de señales. Por otro lado se tienen las tecnologías de microondas con las que aún se requiere de los principios de operación mencionados anteriormente pero los dispositivos asociados al amplificador mismo son distintos ya que están calculados y construidos para operar en un espectro de frecuencias donde se presentan fenómenos electromagnéticos totalmente distintos de los que se presentan a bajas frecuencias.

Diferencias entre los amplificadores para HF y los amplificadores para RF Por lo que se ha visto hasta aquí, cuando se habla de la operación de un amplificador en altas frecuencias no se ha especificado exactamente su rango de operación (o ancho de banda). En referencia al espectro de frecuencias ocupadas en comunicaciones, estas van desde los 30MHz hasta 30GHz. Esto lleva a suponer que en un rango de frecuencias tan vasto existen distintas técnicas de funcionamiento y construcción de los transistores que se empleen en equipos específicos; por ejemplo un amplificador para 30Mz no tendrá la misma configuración que uno que se requiera para comunicaciones vía satélite en el orden de los 30GHz o más. Se ha decidido entonces incluir lo relacionado con los transistores de altas frecuencias a lo largo de este trabajo para destacar tanto su importancia, su funcionamiento, aplicaciones, ejemplos y principalmente sus diferencias con los amplificadores para RF.

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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 más adelante se mencionan tipos de transistores que no son muy conocidos debido a que se requieren para propósitos muy concretos en frecuencias extremadamente altas. La parte más importante hasta aquí es entonces diferenciar un transistor de HF y un de RF.

Los transistores que operan en HF son afectados en su desempeño por el efecto miller. Para reducir la impedancia de conducción o la capacitancia de retroalimentación se emplean distintos tipos de configuraciones, estas se ilustran en la figura 5.

A. seguidor más amplificador B. amplificador en emisor C. seguidor más amplificador en emisor común común más amplificador en en base común (amplificador

base común (Cascode) diferencial)

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

En el primer circuito en emisor seguidor reduce la impedancia de conducción vista desde la entrada del amplificador emisor común. Esto reduce considerablemente la degradación del desempeño en alta frecuencia causado por la frecuencia de transición fT y CcbGV. El segundo circuito es la clásica configuración cascode en la cual la etapa emisor común controla la etapa de base común eliminando de esta manera el efecto Miller representado por CcbGv. En la tercera configuración el seguidor conduce la etapa de base común eliminando el efecto Miller y reduciendo la conducción de la impedancia al mismo tiempo. Este es el amplificador diferencial común con resistores de colector no balanceados y una entrada a tierra.

Otra característica que debe mencionarse respecto a los amplificadores de HF es que no son usados, como los de RF, para equipos de telecomunicaciones como los que se han venido mencionando pues la potencia requerida sobrepasa la capacidad de cualquier transistor convencional (de propósito general), esto es, el hecho de que se cuente con amplificadores para altas frecuencias no implica que puedan utilizarse para amplificación de potencia y menos para frecuencias extremadamente altas (del orden de 30 o más GHz). Esto se realiza con transistores especializados en los que se emplean técnicas de fabricación y materiales distintos, así como configuraciones de

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circuito que incluyen elementos que no se encuentran nunca en circuitos de HF, como lo son líneas de transmisión, guías de onda y transformadores. Por estas razones no se profundizará más en el análisis de los amplificadores de HF pues el objetivo es analizar los amplificadores de potencia para RF.

Amplificadores modulares Cuando se necesita de un amplificador para RF se pensaría que es requerido realizar siempre un diseño del amplificador, un análisis detallado y múttiples pruebas con múltiples configuraciones o componentes individuales, principalmente transistores. Esto tendría muchas desventajas por cuestiones de estabilidad, tamaño y costos principalmente. Afortunadamente existen módulos de amplificadores 'empaquetados' que están disponibles con distintos proveedores en configuraciones que satisfacen un gran cantidad de necesidades. De hecho casi todos los componentes de RF se adquieren como módulos. Algunos ejemplos son los osciladores, los mezcladores, los moduladores, los atenuadores controlados por voltaje, los combinadores y divisores de potencia, los circuladores, los acopladores direccionales y los amplificadores en sus distintas modalidades.

En su forma más básica el amplificador aún no empaquetado es un circuito híbrido de película delgada con ganancia en un amplio rango de frecuencias. Una presentación común es el paquete (circuito integrado) de 4 patas (pines). Existen docenas de amplificadores de RF disponibles en la actualidad que cumplen con distintas finalidades y propósitos, algunos por optimizados para bajo ruido y otros para alta ganancia en potencia o grandes rangos dinámicos. Los amplificadores individuales pueden diseñarse para operar sobre rangos de frecuencias o sobre bandas de frecuencias muy angostas como los que se usan en comunicaciones que son los más discutidos en este trabajo. Bajo este tipo de presentación compacta o modular se encuentra por ejemplo el UTO-514 de Avantek que presenta una ganancia de 15dB sobre un rango de frecuencias de 3 C " z a 200MHz (amplificador de HF), aunque también cuenta con amplificadores con anchos de banda de hasta 2GHz. Como se ha comentado en otras secciones, los amplificadores de banda ancha de hasta 18GHz están fabricados usando tecnología GaAsFET y HEMT.

Los amplificadores que se usan sobre bandas muy angostas de frecuencias se pueden optimizar para un desempeño de bajo ruido. Los excelentes amplificadores comerciales que se emplean en bandas de comunicaciones, corno por ejemplo el amplificador AM- 4285 de Avantek, con una ganancia de 50dB (316.22watts), una banda de 3.7-4.2GHz y una figura de ruido de 1.5dB (1.1 Watts), 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 áreas de comercialización de dispositivos electrónicos, existe una gran competencia comercial por estos módulos amplificadores así como por otros componentes de RF modulares.

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En la práctica, cuando se diseña un sistema de RF y se cuenta con estos módulos comúnmente basta con haber elegido a través de catálogos o manuales el módulo apropiado y conectarlo con cable coaxial para poder armar el sistema.

Otros dispositivos de amplificacicjn en RF

Amplificadores parambtricos Estos dispositivos amplifican variando un parámetro del circuito entonado. Los amplificadores paramétricos tienen una analogía con un péndulo que oscila al ser tirado verticalmente y con su punto de flexión inferior fijo. En el amplificador paramétrico se puede variar por ejemplo la capacitancia del circuito entonado con un varactor (capacitor de voltaje variable) conduciéndola con una señal de ‘bombeo’. Los amplificadores paramétricos se emplean principalmente en amplificaciones de bajo ruido.

Masers Maser es el acrónimo para amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. Estos dispositivos son básicamente amplificadores atómicos o moleculares de difícil construcción y uso pero son los amplificadores que producen la menor cantidad de ruido que ningún otro amplificador.

GaAs FETs El último tipo de amplificadores de microondas y el más sencillo a nivel mundial. Su desempeño es comparable con el de los amplificadores paramétricos. Los amplificadores comerciales disponibles actualmente de este tipo proporcionan 28dB de ganancia a 10GHz con una potencia de ruido de tan solo 2dB. El más reciente amplificador del tipo GaAs FETs es el llamado HEMTs, que fue comentado y descrito antes, y significa transistor de alta movilidad de electrones, el cual produce niveles de ruido extremadamente bajo a frecuencias extremadamente altas como por ejemplo O. 12dB a 8.5GHz.

Klystrons y tubos de ondas viajeras Estos amplificadores de tubos de vacío usados en frecuencias de microondas toman ventaja de los efectos de tiempo de transito del tubo. Una variación conocida como Mysfron de reflejo trabaja como un oscilador al lanzar su flujo de electrones hacia adentro de él. Existen K/ystrons disponibles que pueden proporcionar continuamente una salida de 0.5W de RF a 2GHz.

Magnetrones Este dispositivo es el corazón de los radares y los hornos de microondas. Su funcionamiento consiste en un tubo de oscilación de alta potencia lleno de pequeñas cavidades resonantes y operado en un fuerte campo magnético que hace que los electrones viajen en espiral a través de su interior.

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Diodos Gunn, IMPA 77y PIN Estos dispositivos se usan ampliamente en UHF y microondas. Los diodos Gunn se usan como osciladores de baja potencia en el rango de 5-1OOGHz produciendo salidas de potencia de 1OOmW. Evidentemente no son amplificadores de potencia pero junto con esto desempeñan trabajos conjuntos. Los diodos IMPATT son análogos a los kylstrons con capacidades de unos cuantos watts a pocos gigahertz. Los diodos PIN se comportan como resistencias de voltaje variable y se utilizan como interruptores de señales de microondas convirtiendo un corto circuito a través de las guías de onda.

7. Elementos empleados en circuitos de radio frecuencia

Aunque el tema central de este trabajo consiste en analizar la amplificación de la potencia de las señales 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 módulos 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 señales de RF.

Llneas de transmisión Las líneas de transmisión juegan un papel determinante en los circuitos de radio frecuencia donde se utilizan para llevar señales a traves de guías o tuberías de un lugar a otro dentro del circuito y a menudo al sistema de antena. Las líneas de transmisión proporcionan una de las excepciones más importantes a los principios generales de que una fuente generadora idealmente debería tener una impedancia menor comparada con la impedancia de la carga que está siendo conducida y que la carga debería presentar una impedancia de entrada mayor comparada con la impedancia de la fuente que la conduce. La regla equivalente para líneas de transmisión es que la carga (y posiblemente la fuente) debería presentar una impedancia igual a la impedancia característica de la línea. Así, la línea estaría acoplada.

Las líneas de transmisión para señales de frecuencias medias a altas (arriba de 1 GHz por ejemplo) aparecen en dos formas distintas: conductores paralelos y línea coaxial. En el dominio de ultra altas frecuencias (UHF) los circuitos utilizan técnicas que involucran líneas de transmisión 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 líneas de transmisión se reemplazan con técnicas de cavidades y guías de ondas respectivamente. Con excepción de estas

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frecuencias extremas, el cable coaxial común es indudablemente la mejor elección para la mayoría de las aplicaciones de radio frecuencia. En comparación con la línea de conductores paralelos, una línea coaxial propiamente acoplada tiene la ventaja de estar totalmente blindada por lo que no hay radiación o captura de señales externas.

Líneas de transmisión desacopladas

Una línea de transmisión desacoplada tiene características muy interesantes y al mismo tiempo muy útiles. Una línea terminada en corto circuito produce una onda reflejada de polaridad opuesta con un tiempo de retardo determinado por la longitud de la línea eléctrica. La velocidad de propagación de onda en las líneas coaxiales es cerca de dos terceras partes la velocidad de la luz debido al espaciamiento del material dieléctrico.

Esta propiedad de cable cortado es explotada en ocasiones para generar un pulso corto desde una onda de escalón. El escalón de entrada se aplica a la entrada de un cable a través 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 propagación debido a que el escalón reflejado cancela la entrada.

Los cables terminados con una resistencia R distinta de Zo también producen reflexiones, aunque de menor amplitud. La onda reflejada es invertida si Rezo y no invertida si R>Zo. La razón de la amplitud de la onda reflejada a la amplitud de la onda incidente está dada por:

A,. R - Z , A, R + Z ,

-

Las líneas de transmisión en el dominio de la frecuencia

En el dominio de, una línea de transmisión acoplada en su extremo lejano, se asemeja a una impedancia de carga Zo, por lo que ta resistencia es despreciable si no existen pérdidas en la línea. Esto es como si la línea 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 línea dada, la onda reflejada llega de vuelta a la entrada con una fase (relativa a la señal de aplicada) que depende de la frecuencia aplicada, la impedancia que se observa hacia la entrada depende del desacoplo y de la longitud eléctrica de la línea de transmisión, en longitudes de onda. Por ejemplo, una línea que es un número par de cuartos de longitud de onda terminada en una impedancia &ad (impedancia de carga) en el extremo lejano presenta una impedancia de entrada:

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Si la carga es resistiva, la entrada se verá resistiva. Por otro lado, una línea que es un número 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.

............................................................................ ............................................. . . . . . . . . z,, - --- - Lo ..:.t.:, ......................... -;.. .:.:::.;.::: ..;:::: .... j:: .... ::.:..: ........... .......................................... .... ..................................................

Zloud ........................................... T-4 zload

.......................................................................... Z i n = Z h d .................................................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ..... . . . .-s.<:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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. .

ZlOad h12

(eléctrica) Fig. 6. Acoplamiento de impedancia característica de una línea de transmisión

La presencia de las señales reflejadas sobre la línea de transmisión no necesariamente es mala. Para operación en una frecuencia particular, una línea desacoplada puede ser manejada (a través de un entonador de línea) de tal manera que para acoplar su impedancia característica resultante, a menudo con una línea sin pérdidas despreciablemente mayor (debido a altos voltajes y corrientes para la misma potencia incidente) que con la carga acoplada.

Pero una línea tiene diferentes propiedades a diferentes frecuencias, donde la ‘carta de Smith’ puede ser usada para determinar las impedancias de las líneas de transmisión y de la razón la onda estacionaria (standing-wave ratio - SWR), que es una medida de la amplitud de las ondas reflejadas, haciéndola indeseable para usos de banda ancha o multi frecuencia. En general, se requiere de un gran esfuerzo para terminar una línea de transmisión en su impedancia característica, al menos en su extremo final de recepción.

Impedancia caraderistica y acoplamiento de impedancia

Una línea de transmisión, sea cual sea su forma, posee una ‘impedancia característica’ Zo que indica que una onda que se mueve a lo largo de una línea tiene una razón de voltaje a corriente igual a Zo. Para una línea de transmisión sin pérdidas, Zo es resistiva e igual a d(LIC) donde L y C son la inductancia y capacitancia por unidad de longitud.

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Cuando una línea de transmisión se usa para señales de altas frecuencias es importante acoplar la carga de la impedancia característica de la línea. Los hechos importantes al respecto de todo esto son los siguientes: 0 Una línea de transmisión terminada con una carga igual a su impedancia

característica (resistencia) transferirá un pulso aplicado a la terminal sin reflexión. En el caso de que toda la potencia sea transferida a la carga, la impedancia que se observa hacia la línea de transmisión, a cualquier frecuencia, es igual a su impedancia característica.

Mientras que a bajas frecuencias (longitud de onda >> longitud del cable) no hay necesidad de acoplar líneas de impedancia previniendo que es relativamente sencillo manejar la capacitancia (típicamente 30pF por pie). Por otra parte, si el cable es terminado con un resistor, sorprendentemente este se convierte en una resistencia pura para todas las frecuencias.

Amplificadores entonados

En los circuitos de radio frecuencia intentados para comunicaciones, o para otras aplicaciones donde la frecuencia de operación está confinada a una banda angosta, es común usar circuitos LC entonados como cargas de drenaje o colector. Esto tiene varias ventajas:

Más alta ganancia por etapa simple debido a que la carga presenta una alta impedancia a la frecuencia de la señal (Gv=gmZload) mientras que permite una corriente fija arbitraria Eliminación de los efectos indeseables de la carga de la capacitancia debido a que el circuito LC entona cualquier capacitancia al hacerla parte de la capacitancia del circuito entonado Acoplamiento entre etapas simplificado debido a que el circuito LC puede ser acoplado por transformador, o aún configurado como una red de acoplamiento resonante, para lograr cualquier transformación de impedancia deseada Eliminación de señales fuera de banda y ruido perteneciente a la selectividad de frecuencia de los circuitos entonados.

A continuación se muestra la configuración clásica de un amplificador entonado.

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+1 ad e

39k 1 QQk 0.1 uF - LCA I v VTV

- - '1 +2w O. O1 UF

P' SF c I

" j L

0. 0uF

+i I 4 42 2N5179

Pl 3N140 0.01 UF

I) I t "

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) para eliminar los problemas causados por el efecto Miller debido a que la entrada no está entonada.

Otro ejemplo de circuito de RF entonado se muestra en la figura 8. En este se emplea también 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, así como fuentes de señales de RF de frecuencia variable.

I

Fig. 8. Oscilador LC con transistor JFET

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En el circuito un transistor JFET proporciona la ganancia en potencia necesaria, con retroalimentación positiva de la fuente acoplada en el lazo de L1. La oscilación se produce ya que el lazo tiene menos vueltas que el inductor proporcionando ganancia de voltaje y en consecuencia oscilación.

Osciladores De igual forma que los módulos de amplificadores que se han mencionado (amplificadores modulares) también existen módulos de osciladores con excelentes desempeños. Los módulos de osciladores entonados usan varactores (capacitores de voltaje variable) para ajustar la frecuencia de operación de un oscilador LC en respuesta a un voltaje aplicado externo. Una versión más elegante de oscilador entonado para frecuencias del orden de gigahertz, utiliza una esfera YIG (de yttriun/iron/garnet) como cavidad de resonancia magnética entonada. Una técnica reciente para construir osciladores económicos de buena estabilidad en el rango de los gigahertz utilizan a resonador dieléctrico de pastilla como elemento de retroalimentación para un oscilador GaAs FET (o bipolar). Los osciladores que usan esta técnica ‘dieléctricamente 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 operación. Los osciladores de cristales de cuarzo están disponibles comercialmente en rangos de frecuencias de 10kHz a cerca de 1OOMHz en todas las variaciones mencionadas. Cuando lo que se requiere es tanto ajustabilidad como alta estabilidad, un sintetizador de frecuencia es la mejor elección.

Mezcladores y moduladores Un circuito que forma el producto de dos señales se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones de RF y es llamado mezclador, modulador, detector síncrono o detector de fase. La forma más sencilla de modulación es la de AM, en la cual una señal portadora de alta frecuencia es variada en amplitud de acuerdo a las lentas variaciones de la señal moduladora; un multiplicador es el que desempeña esta tarea. Tal circuito puede ser usado también como control de ganancia variable, considerando que una de las entradas es un voltaje de dc. Entre los métodos empleados para realizar un mezclador están los siguientes: a) Circuitos con elementos no lineales como transistores o diodos Schottky

principalmente. b) FETs de compuerta dual con una señal aplicada 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 señales de entrada y forma un serial 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 señal como múltiplo de las señales de entrada. Esto es particularmente conveniente si una señal de alta estabilidad se requiere a frecuencias muy altas por encima del rango de los buenos osciladores. Uno de los métodos más comunes es polarizar una etapa de amplificación para operación altamente no lineal, entonces se usa un circuito LC entonado de salida para algunos de los múltiplos de la señal de entrada; esto puede llevarse a cabo con transistores bipolares, FETs, a inclusive diodos de túnel. Un multiplicador como el 1496 puede ser usado como un eficiente duplicador a bajas radio frecuencias conectando la señal de entrada a ambas entradas, formando así el cuadrado de la señal de entrada. El cuadrado de una onda senoidal contiene frecuencias solo hasta el segundo armónico. Existen mezcladores que aceptan frecuencias desde 5MHz hasta 2400MHz con una buena supresión tanto de la frecuencia de entrada (la frecuencia fundamental) como de armónicos no deseados. Un circuito multiplicador de frecuencia debería incluir un circuito de salida entonado o debería ser seguido por amplificadores entonados, ya que, en general, muchos armónicos de la señal de entrada son generados en el proceso no lineal.

Filtros La selectividad de frecuencias se necesita también en circuitos de RF. El amplificador LC entonado proporciona una buena medida de selectividad, con los picos o crestas de la respuesta ajustable vía el factor Q del circuito LC. Lo último depende de las pérdidas en el inductor y el capacitor, así como la carga del circuito asociado. Se pueden obtener fácilmente valores de Q del orden de centenas. En frecuencias extremadamente altas, los circuitos LC amontonados son reemplazados por técnicas de línea (stripline), y en microondas se utilizan cavidades resonantes, pero la idea básica sigue siendo la misma. Los circuitos entonados también pueden ser utilizados para refleja una frecuencia particular si se desea.

Para aplicaciones donde es necesario tener un filtro que pase una banda muy angosta de frecuencias relativamente no atenuadas, con una caída abrupta fuera de los límites de la banda, un filtro pasa banda superior puede hacerse de un conjunto de resonadores piezoeléctricos o mecánicos.

Los filtro en RF son muy importantes ya que permiten la selectividad hacia el receptor y la generación de ciertos tipos de señales moduladas. En situaciones donde los filtros pasa banda de banda angosta no se necesitan, los filtros pueden diseñarse con múltiples secciones de circuitos LC resonantes.

Detectores La etapa final para la extracción de la información de una señal de RF modulada involucra la detección, que es el proceso de quitar la señal modulada de la portadora. Existen varios métodos para ello dependiendo de la forma de modulación (AM, FM, SSB, etc.)

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8. Tecnicas de deteccidn y medicidn de potencia en HF y RF

La detección de una señal de AM consiste simplemente en la generación de un voltaje proporcional a la amplitud instantánea de la señal de RF que transporta la modulación. En muchas otras aplicaciones como la radioastronomía, medición de RF en laboratorio, diseño de filtros, vigilancia, etc. es importante ser capaz de medir la amplitud o la potencia de las señales de RF.

Rectificación de la señal El diodo detector simple tiene la ventaja de trabajar sobre un enorme rango de frecuencias (por encima de los gigahertz, y con el número adecuado de diodos), pero no es lineal a bajos niveles. El uso de diodos Schottky ayuda en cierta manera debido a su caída frontal inferior. Se puede mejorar este esquema si se preamplifica la señal antes de rectificarla. Esta técnica se emplea por ejemplo en ‘detector de nivel’ UTD 1000 amplificador/diodo de Avantek); pero eso limita el rango dinámico, conduciendo a la saturación del amplificador. El rectificador activo, en contraste, es altamente lineal y trabaja bien solo a bajas frecuencias como la mayoría de los amplificadores operacionales convencionales. En conclusión esta técnica no es muy empleada.

Detección sjncrona Un método interesante que combina un rango dinámico, precisión y velocidad es la detección síncrona. En este método la salida es rectificada al ser invertida durante los medios ciclos alternantes. Esto requiere por supuesto de una señal ‘limpia’ a la misma frecuencia que la señal que está siendo detectada, ya sea que se produzca externamente o internamente con un amarrador de fase. La detección síncrona trabaja bien hasta frecuencias del orden de megahertz; la gran desventaja es la necesidad de una señal de referencia coherente.

Control por fuente de corriente Otra solución 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 implementación con una fuente de corriente controlada por voltaje. Sin una señal de entrada la salida del amplificador es desacoplada de la red de rectificación produciendo una alta ganancia de voltaje; de esta forma solo se necesita una señal de entrada muy pequeña para que los diodos rectifiquen.

1 I

Fig. 9. fuente de corriente controlada por voltaje

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En ese punto la ganancia de voltaje decae a Gv=RL/(RE+re) previniendo la saturación.

Con amplificadores de banda ancha y diodos más rápidos, este circuito opera hasta a 1OOMHz o más.

Detección por seguimiento de amplitud Las no linealidades del diodo y el offset se eliminan usando una señal generada localmente y detectada en un circuito simétrico para cancelar la corriente desconocida. La retroalimentación ajusta la amplitud de las señal local de baja frecuencia hasta que el balance de las salidas rectificadas. La frecuencia de la señal nula es lo suficientemente baja para que su amplitud pueda ser medida adecuadamente con rectificador de amplificador operacional de precisión. Una buena implementación de este circuito operará linealmente debajo de unos milivolts y arriba de los gigahertz.

Detección de potencia Los métodos descritos brevemente miden la amplitud de una señal de alta frecuencia, no obstante, existen varias ocasiones en las cuales se requiere conocer la potencia. Para una señal senoidal la potencia está dada por:

2 P=- Y,,

De esta forma es sencillo convertir una medición 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 términos de mediciones de RF se requiere de un 'detector de ley cuadrada'.

Existen numerosos métodos disponibles para este tipo de mediciones. Para frecuencias por arriba de unos cuantos megahertz, estos métodos de rms de leyes cuadradas fallan debido a amplificadores operacionales de anchos de banda inadecuados. Sin embargo, existen otros métodos. En la 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 túnel.

de RF o:?F BD4 back diode 470R OP-27

* Fig. I O . Detector de diodo de retroceso de ley cuadrada.

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Es circuito se llega a encontrar en circuitos de radioastronomía y presenta una extraordinaria linealidad de potencia.

Una técnica muy interesante que utiliza el mismo principio de funcionamiento de ley cuadrada es el método baloméfrico, en el cual la señal de entrada (tal ves amplificada) se usa para impulsar un termostato cuya temperatura se mide entonces. Debido a que este es exactamente proporcional a V2, este método es intrínsecamente de ley cuadrada y banda ancha. Con un especial cuidado en el diseño del bolómetro es posible extender el ancho de banda a muy altas frecuencias y a un rango dinámico más amplio. La serie 432-438 de medidores bolométricos de potencia de HP extienden el rango de frecuencias de IOOkHz a SOGHz!, usando a conjunto de sensores bolométricos de potencia intercambiables. Esto abarca el rango de +44dBm (25W) a -70dBm (1 OOpW), o sea un total de expansión de 114dB.

Generacidn y defección por AM

Cualquier técnica que permita controlar la amplitud de la señal con un voltaje de forma lineal permite generar una señal de RF modulada en amplitud. Los métodos comunes hacen uso de la variación de una fuente de voltaje de amplificación de RF (si la modulación se lleva a cabo en la etapa de salida) o usando un chip multiplicación como el 1496. Cuando se realiza la modulación en etapas de bajo voltaje todas las etapas siguientes de amplificación 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 más sencillo consiste de varias etapas de amplificadores de RF entonados seguidos por un diodo detector. Las etapas de amplificación proporcionan selectividad contra las señales cercanas en frecuencia y luego se amplifican las señales de entrada (las cuales comúnmente son del orden de microvolts!) para el detector. Este último simplemente rectifica de la señal de RF de esta forma recuperando la envolvente con un filtro pasa bajas. El filtro pasa bajas debería rechazar la señal de RF mientras que permite el paso de audio frecuencias sin atenuación.

Receptor superhetemdino

Un receptor que consiste de un conjunto de amplificadores de RF entonados no es deseable por muchas razones. La primera y más importante de todas se debe a que los amplificadores individuales deben ser entonados a la misma frecuencia requiriendo de una gran coordinación para seguir el conjunto de circuitos LC entonados. En segundo lugar debido a que la selectividad de la frecuencia global es determinada por las respuestas combinadas de los amplificadores individuales, la forma del filtro pasa banda dependerá de la precisión con la cual los amplificadores individuales sean entonados. También debido a que la setial de RF que se está recibiendo puede estar en cualquier frecuencia dentro del rango de los amplificadores, no es posible sacar

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ventaja de los filtros de celosía cristalina para generar una banda angosta con la caída abrupta sobre cualquier lado que es una característica pasa banda muy deseable.

Una solución conveniente a este problema es el receptor superheterodino. La señal 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 señal 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 alineación no es crítica. El circuito para recepción de RF superheterodino se ilustra a continuación:

de la antena amplificadores de RF entonados detector de AM amplificador de audio

entrada de RF D ? ? ? N

R

\ , \ ,

\ , \

entonacibn simultánea Fig. 11. Receptor superheterodino para RF

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Ejemplos de aplicaciones de los amplificadores de potencia en RF

Modo de operaci&n A-€ para amplificador de potencia entonado de RF de alta eficiencia Los modos de operación anteriores son los principales modos de operación bajo los cuales han trabajado muchos circuitos desde hace varias décadas y han dado lugar a que compañías o instituciones asociada a distintas especialidades del diseño electrónico formulen clases derivadas para propósitos más específicos, como un tipo de amplificador de potencia de alto desempeño diseñado en 1975, el cual se considera una subclase derivada de las clases principales, denominada Clase E-A, la cual permitió a los creadores realizar un amplificador de potencia de alto desempeño para altas frecuencias. Este modo de operación propuesto en ese entonces permitió diseñar muchos de los circuitos que se utilizan actualmente en RF y microondas utilizando amplificadores que están basados en una red de carga sintetizada para tener respuestas transitorias que maximizen la eficiencia en potencia aún si los tiempos de conmutación del dispositivo activo son fracciones substanciales del ciclo de AC. Para este amplificador los diseñadores midieron un porcentaje de eficiencia del 96% a 3.9MHz con una salida de 26W utilizando transistores 2N3735 TO-5 de Motorola.

Las ventajas de esta Clase (nueva en ese entonces) son su alta eficiencia, diseño a priori, baja sensibilidad a características de dispositivos activos y potencial para operación de alta eficiencia en altas frecuencias mejorando el desempeño de circuitos con amplificadores operando en Clase O, que es otra derivación que surgió por esas mismas fechas.

El circuito con el que se implementó este amplificador, que es un miembro elemental de la Clase E-A, entrega una potencia de 20W a 10MHz con los valores mostrados en el siguiente diagrama. Un diagrama del circuito se muestra a continuación.

r - - - - - - - - - - - l activo de

I I

Dispositivo c2 200pF L2 carga

I I

-+ c1 I I

I ! I Entrada I I Q : I I

I I I I I t - a .

I I

1 I

1 I

" I I I

""""""

Red de carga

1'" Fig. 12. Amplificador clase E-A

c

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Amplificador de potencia para RF de 25kW

Este amplificador emplea un triodo conectado a tierra sin polarización. Los tubos de vacío aún se emplean en los amplificadores alta potencia para RF debido a que ningún dispositivo del estado sólido puede servir como acoplo para su desempeño. Un ejemplo es el triodo de potencia 8973 que entrega 1.5MW a 5OMHz. La rejilla a tierra no requiere neutralización y el circuito de salida es la red pi convencional que es conducida por el capacitor de bloqueo CS. CS, L4 y C ~ O forman la red actual con sus valores determinados por la frecuencia de resonancia, la transformación de impedancia y la Q (factor de calidad5) cargada deseadas.

3CxlOOOOA7

Entrada de 50Q n I

L1 35 c1

- - -

'VP , mnm

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

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

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Amplificador de potencia para RF con transistores bipolares de quinta generacibn para tel4fonos celulares e inalámbricos

Generalidades del amplificador

El empleo de los transistores bipolares requeridos para el diseño que se comentará a continuación es una nueva tecnología que rivaliza con la de semiconductores GaAr (o sea hechos de germanio y arsénico) en las áreas de telefonía celular y telefonía inalámbrica. Los tipos de transistores empleados en este diseño práctico pertenecen a una nueva generación de transistores bipolares de RF de alto desempeño hechos de silicón cuyas frecuencias de transición exceden inclusive los 20GHz. Estos transistores como ya se mencionó se emplean en telefonía celular y telefonía inalámbrica con bajos voltaje$. Además de los tipos que se emplean a pequeña señal en los receptores de RF de los teléfonos, estos transistores de quinta generación 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 amplificación de RF en el transmisor del teléfono.

Sin embargo a diferencia de los dispositivos de GaAr, los bipolares mencionados operan con una alta eficiencia a partir de una sola fuente de suministro lo que reduce considerablemente la complejidad del circuito permitiendo un diseño más compacto, ligero y en consecuencia teléfonos más portables. La clave para la reducción del tamaño y peso es el uso de una batería más pequeña. Para maximizar la densidad de energía significa comúnmente usar celdas más pequeñas y en consecuencia fuentes de voltaje más pequeñas en el orden de 3-3.6V.

Debido a que la parte de potencia más requerida en un teléfono inalámbrico 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 pérdidas significativas de eficiencia en el amplificador de potencia. Este amplificador debería operar con bajos voltajes con una alta eficiencia de potencia agregada o extra. Para poder mantener un bajo costo de implementación es conveniente usar el menor número posible de etapas de ganancia y el menor número de periféricos posibles.

En figura se muestra el diseño para un amplificador de potencia para teléfonos DECT empleando transistores de RF de banda ancha de la quinta generación.

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-& I

Entrada de RF Y S alida R F -

: c12

Figura 14. Amplificador de potencia para un teléfono celular usando transistores de RF de banda ancha de quinta generación. (TL - Transmition Line)

Tabla 2. Medida de las impedancias de la fuente y de la carga usadas en el amplificador de potencia. Transistor Condiciones Impedancia de la Impedancia de la

BFG425W 12+0.7j 52+102j VcE=3.0V; Ic=30mAa; F=l.SGHz BFG21W 9.1-9.5j VcE=3.6V; lc=26dBm7; F=l.SGHz 9.7-6.4j

fuente (a) carga (a)

R2 R, 18

_"

Los decibeles también se usan para indicar niveles de potencia absolutos agregando una tercera letra a la notación. Si el nivel de referencia es de ldiwatt la potencia se expresa en 'decibeles por encima de 1 miliwatt' (&m)

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c12 1 2p Transistores QI

PUMTI Qd

PUMTI Q 3

BFG21w Q 2

BFG425W .~ ~-

-. Líneas de transmisión TL1

Largo 6.5mm; ancho 0.5mm TL2 Laggo 6.5mm; ancho 0.5mm

. ~~ ~ "_ "" ~ _

.. . -~ ~.

TL3

Largo 6.5mm; ancho 0.5mm T 4 Largo 6.5mm; ancho 0.5mm TL4 Largo 6.5mm; ancho 0.5mm !

TL6 Largo 6.5mm; ancho 0.5mm

Funcionamiento El diseño opera desde 3.6V e incluye un circuito de polarización para el ajuste de la carga de potencia y un interruptor de encendido/apagado. El amplificador proporciona 26dBm' de potencia a la salida logrando una ganancia de potencia de 29dB eficiencia de potencia agregada global que excede el 50%.

La amplificación de potencia en RF se logra usando solo dos de los nuevos dispositivos de banda ancha. El transistor Q1 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 está 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 típicamente del 55%.

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Acoplamiento de las impedancias Puesto que se está tratando de amplificación en radio frecuencias se requiere también realizar acoplamiento de impedancias. Las redes de acoplo de impedancias deben proporcionar un acoplamiento uniforme de 50R 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 propósito es permitir a los transistores de RF un desempeño óptimo con respecto a la ganancia de potencia, potencia de salida y la eficiencia. Afortunadamente los niveles de impedancia inherentes de Q 1 (BFG425W) y Q:! (BFG21W) permiten un fácil acoplamiento. A la salida de Q 1 una red en serie formada por R2/Cll es usada para incrementar el factor K de la primera etapa para evitar la inestabilidad potencial debajo de 1GHz. El acoplamiento de la salida se lleva a cabo con la línea de transmisión TL3 y el capacitor de derivación CI2.

Polarizacidn La parte de polarización del amplificador de potencia incorpora un par de transistores dobles pnp (Q3,4). Para definir la corriente de colector en QI, Q ~ A compara el voltaje a través de R3 con el voltaje directo de su unión base- emisor. Si la corriente en RJ, es decir la corriente de colector de Q1, se incrementa entonces QJA comienza a conducir. Esto reduce la conducción de la base para QJB lo cual a su vez reduce la conducción de base hacia Q 1 consiguiendo de este modo establecer la corriente de colector de QI. Para que este circuito trabaje el voltaje 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 está 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 Q 2 a pesar de los cambios de temperatura ambientales. El resistor R5 previene de fugas térmicas de Q2. El transistor Q h es conducido por la entrada de control VC para cortar la conducción de la base hacia Q 2 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 razón voltaje/onda estable menor o igual de 6:1, en todas las fases y sin daño. El amplificador de potencia también puede operar en modo CW previendo que se puede garantizar un acoplamiento a la salida de 50R bajo cualquier condición.

Es posible incrementar la eficiencia global del amplificador operando el BFG425W en modo clase- AB en vez de clase- A. Esto también simplifica el circuito de polarización. Sin embargo tiene el efecto negativo de reducir la ganancia de potencia global lo que resulta en la necesidad de un nivel de conducción de RF mas alto con el propósito de lograr la salida de potencia de 26dBm.

Con unas ligeras modificaciones este amplificador de potencia es apropiado para usarse en teléfonos PHs, aunque estos requieren una salida de potencia de RF menor de unos 2ldBm en vez de 26dBm. No obstante estos teléfonos requieren un mejor desempeño lineal.

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9. Biblioarafía

Artículos

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Libros, enciclopedias, manuales v diccionarios.

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