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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES
Departamento de Electrónica
Materia: Medidas Electrónicas 2
Proyecto: Determinación de los parametros S de un transistor por el
método De-Embedding
Docente: Ing. Henze, Alejandro
Ayudante de TP: Ing. Monasterios, Guillermo
Grupo N : 4
Alumnos :
Apellido y Nombre Legajo
1 Zelechower, Javier 141.487-2
2 Ravagnan, Matias 128.080-6
3 Boria, Exequiel 141.263-2
4 Forti, Victor 121.685-5
5 Legaspi, Federico 128.078-8
UTN – FRBA – MEII Febrero 2016
2 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
ÍNDICE
Contenidos 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 3
2. DESARROLLO DEL TRABAJO ........................................................................................... 3
2.1 Principios teóricos ........................................................................................................... 3
2.2 Elementos a utilizar ......................................................................................................... 5
2.3 Armado del DUT ............................................................................................................. 5
2.4 Polarización del transistor ............................................................................................... 7
2.5 Diagrama de conexiones................................................................................................. 8
2.6 Proceso de Medición. ...................................................................................................... 9
2.6.1 Medición del sistema completo. .............................................................................. 9
2.6.2 Medición de adaptadores y Bias Tee ...................................................................... 10
2.6.3 Calculo de los parámetros S de los conectores. ..................................................... 11
3. RESULTADOS ................................................................................................................... 13
3.3 Bias Tee Corregido .......................................................................................................... 14
3.4 DUT corregido ................................................................................................................. 15
4. Comparación entre los resultados y los datos del transistor............................................... 15
5. DISCUSIÓN ....................................................................................................................... 17
6. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 188
7. AGRADECIMIENTOS......................................................................................................... 18
8. REFERENCIAS .................................................................................................................. 18
UTN – FRBA – MEII Febrero 2016
3 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
Determinación de los parámetros S de un transistor por el método
de De-Embedding
Zelechower Javier, Ravagnan Matias,Boria Exequiel,FortiVictor,Legaspi Federico.
Docente a cargo: Ing. Henze, Alejandro
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires
Medidas Electrónicas 2
1. INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se explica brevemente el método de medición de de-embedding y se lo aplica
para medir los parámetros de dispersión (parámetros S) de un transistor de radio frecuencia (BFR-90).
Posteriormente se hará una comparación de los parametros S obtenidos bajo condiciones de
polarización determinadas por el fabricante con los parámetros provistos por él.
El objetivo final es conocer y corregir los errores sistemáticos que se generan en la medición debido al
uso de conectores y de un circuito de polarizacion.
2. DESARROLLO DEL TRABAJO
2.1 Principios teóricos
El método de medición por de-embedding se utiliza cuando la calibración del VNA no se
puede realizar en los planos de medición. Esto puede deberse a varios motivos, por ejemplo
cuando es necesario recurrir a adaptadores que permitan realizar la medición.
La técnica de de-embedding se utiliza para remover matemáticamente el efecto de dichos
adaptadores, permitiendo trasladar el plano de calibración al plano de medición.
Supóngase que se desea medir un dispositivo bajo prueba (DUT), pero para poder hacerlo,
se requiere el uso de adaptadores que permitan llevar a cabo dichas mediciones.
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Figura 1 Esquema de medición de un DUT mediante un VNA
En la figura 1, P1 y P2 corresponden a los planos de calibración, mientras que P1´ y P2´
corresponden a los planos de medición.
Tanto A1 como A2 son parte del sistema medido por el VNA, es decir que los Parámetros
de dispersión que se obtengan de dicha medición, incluirían los efectos de A1 y A2.
Como nuestra intención es medir los parámetros S solo del DUT, procederemos de la
siguiente manera:
Como el esquema corresponde a un circuito del tipo serie. Sera más fácil trabajar
matemáticamente con los parámetros T. Por lo tanto, a partir de los parámetros S obtenidos
con el VNA para el sistema que incluye A1 + DUT + A2 obtendremos los parámetros T.
Luego, despejando la matriz T del DUT llegamos a:
Y como lo que buscábamos era obtener los parámetros S, volver a hacer la conversión.
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2.2 Elementos a utilizar VNA de 2 puertos
2 Bias Tee (Circuito que permite la polarizacion del DUT sin enviar CC al VNA)
Conectores
DUT de medición
Fuentes de tensión variables.
Resistencias
2.3 Armado del DUT
El transistor se monta sobre una placa que permita manipular y conectar el transistor de una
forma comoda y sin riesgos de que se rompa. Dicha placa ademas, debe presentar una
impedancia característica que permita adaptar correctamente el DUT con el VNA. La idea es
que la placa no introduzca ninguna desadaptacion al sistema.
Para esto, se utiliza una placa FR4 bicapa y mediante una técnica de diseño coplanar y un
software de diseño se obtiene una impedancia característica .
Los parámetros a tener en cuenta para obtener dicha impedancia son:
Figura 2 parámetros característicos de diseño
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Luego de los calculos se recurre a un sistema de diseño asistido por computadora para
garantizar las simensiones del circuito impreso. Se arma una mascara con varias copias de
forma que una vez revelado el circuito se elije el que quedó mejor acabado.
La figura 3 muestra las mascaras que se diseñaron para tal fin.
Figura 3 Diseño del prototipo
En la figura 4 podemos observar la placa terminada y soldada.
Figura 4 DUT terminado.
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2.4 Polarización del transistor Para la correcta polarizacion del transistor se utiliza un dispositivo a cada lado del DUT llamado Bias-
Tee. El mismo posee un circuito interno que permite sumar a la señal de RF una corriente continua en
uno de sus puertos pero no en el otro. En otras palabras este dispositivo de tres puertos tiene un
puerto por donde ingresa la continua y en los otros dos puesrto la señal de RF pasa supuestamente
sin atenuacion, pero con la salvedad que en uno de ellos se encontrará sumada la corriente continua
inyectada.
Para poder realizar la comparacion de los parametros S informados por el fabricante se debe polarizar
al transistor exactamente de la misma manera para la que los mismos fueron indicados.
Figura 5 Polarización del transistor
En el circuito de la figura 1,
, : son las bobinas de choque de RF que permiten el paso de la CC pero bloquean el paso de la
señal de RF hacia la fuente de continua.
, : Son las capacidades en serie que permiten el paso de la señal de RF pero bloquean la corriente
continua para que ésta no sea conducida hacia el puerto del VNA.
, : Son las utilizadas para ular la corriente de polarización deseada.
y = 2 mA
En realidad esta es una reduccion del circuito de los Bias-Tee pues para lograr la “transparecia” de los
mismos para el paso de RF su circuito es mas complejo. Veremos mas adelante la injerencia de esta
complejidad a la hora de desembeberlos de la medición. En la figura 6 podemos ver el dispositivo.
Figura 6 Bias Tee
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2.5 Diagrama de conexiones
En la figura 7 se puede observar el diagrama y la foto de cómo resultan todas las adaptaciones
necesarias para poder someter a la medicion con el VNA al DUT. Es entocnes que el resultado de esta
medicion incluirá todas las adaptaciones y circuitos de polarizacion que se encuentran entre los planos
de calibracion del VNA.
El metodo de De-Embedding se tratará de desafectarle matematicamente, a los resultados de la
medicion, todos los dispositivos que se encuentren en el camino de la RF y que estarán incluidos en la
medicion. Para esto es necesario caracterizar y obtener los parametros S de cada uno de los
dispositivos que querramos desembeber.
Resulta que algunos de estos dispositivos son facilmente caracterizables utilizando el VNA (por
ejemplo los Bias-Tee), pero otros no se pueden caracterizar con el VNA sin el agregado de otros
adaptadores que harian volverían a introducir error nuevamente. Este es el caso de los adaptadores y
conectores, para los cuales habrá que calcular sus parametros de forma matematica y basandose en
las hojas de datos provistas por los fabricantes de los mismos.
Figura 7 Diagrama de conexión
Al diagrama de conexión mencionado previamente, hay que aclarar que el DUT ya se
encuentra polarizado. Se mostrara en el método de medición la manera que utilizamos.
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2.6 Proceso de Medición.
La medición consta de varias etapas.
Calibracion del VNA
Antes de realizar cualquier medición es imprescindible asegurarnos que el instrumento este
calibrado. Por ello se realizo previamente una calibración Open Short Match a un puerto
2.6.1 Medición del sistema completo.
Una vez calibrado se procede a medir los parámetros S del sistema formado por los
adaptadores, Bias Tee y el DUT en cuestión.
Para realizar esta medición, el transistor debe estar polarizado correctamente y sin grandes
variaciones en el punto de polarización ya que de esa manera nos aseguramos un punto de
calibración fijo.
Con Vce=5v e Ic =2mA
Figura 8. Transistor polarizado sin señal. El multímetro de la izquierda muestra Vce y el de la derecha Ic en microamperes.
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Figura 9circuito de medición del sistema completo.
2.6.2 Medición de adaptadores y Bias Tee
Como se puede observar en las figuras 10 y 11los Bias-Tee se caracterizan utilizando el
VNA. Debido a que el VNA disponible en la facultad no permite la medicion del tipo reverse
debemos realizar dos mediciones donde en la seguna invertimos el sentido del DUT, en este
caso el Bias Tee.
Una vez obtenidos los parametros S se tabulan en una planilla de excel para poder
convertirlos a parametros T y así desafectar a la medicion completa de la injerencia de ellos
mismos.
Figura 10
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11 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
Figura 11
2.6.3 Calculo de los parámetros S de los conectores.
Se debe tener en cuenta que agregar un conector, implica agregar un tramo de linea de
transmisión capaz de generar desfasajes, atenuaciones y reflexiones.
La caracterización de los mismos fueron hechas teóricamente en base a las hojas de datos
ya que no se hicieron mediciones sobre los mismos.
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12 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
Figura 12 Esquema de un conector
Con el Objetivo de poder obtener los parámetros S únicamente del Bias Tee ( sin los
adaptadores) . Es necesario obtener los parámetros S de dichos conectores.
Como la medición de sus parámetros de dispersión no se pudo realizar en la práctica. Se
procede a calcular dichos valores, utilizando para tal fin los datos provistos por el fabricante.
Las ecuaciones que deben utilizarse para obtener modulo y fase de sus parámetros S son:
Fase°
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13 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
3. RESULTADOS Se muestran a continuación los resultados de los modulos de los parámetros medidos.
3.1. Mediciones del sistema completo
Figura 13 Resultados De la medicion del sistema completo.
Figura 14 Gráfica de los resultados obtenidos en el sistema completo.
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3.2. Mediciones del Bias Tee + Adaptadores.
Figura 15 Gráficos del Bias Tee con los adaptadores incorporados
3.3 Bias Tee Corregido
Figura 16 Bias Tee Corregido , sacando los adaptadores.
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3.4 DUT corregido
Figura 17 DUT corregido.
Figura 8 Gráficos de de los Modulos de los parametros S del DUT corregido
4. Comparación entre los resultados y los datos del transistor.
Para poder comparar los datos obtenidos con los provistos por el fabricante, es necesario
realizar las graficas de los parametros S , en diagramas de smith para el caso de S11 y S22
y en diagramas polares para S12 y S21.
Los diagramas corresponden para valores de polarización de y
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Figura 18 Graficos provistos por el fabricante.
Figura 19 Gráficos de los resultados obtenidos.
En una primera instancia, se observa que los graficos de S22 y S11 difieren muchisimo de
los dados por el fabricante.
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17 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
Dichas diferencias se deben principalmente a los valores de fases obtenidos en las
mediciones.
Se concidera que dichos errores en la medición de fase pueden deberse a errores en la
calibración del VNA.
Para poder comparar únicamente los módulos de dichos parámetros , se realiza una nueva
grafica utilizando los valores obtenidos en las mediciones para el modulo, pero los valores de
fase del fabricante, obteniéndose los siguientes resultados.
Figura 20 . Modulos obtenidos por el método de-embedding utilizando la fase dada por el fabricante
5. DISCUSIÓN En el transcurso del armado del proyecto nos encontramos con varios puntos que creemos
que pudieron intervenir en la desigualdad que existe con los datos del fabricante.
Primero y principal, hay que tener en cuenta que el DUT que nosotros caracterizamos es el
transistor soldado a la placa más la misma placa, es decir el plano de calibración se realizó
en los bordes de los conectores de la placa, cuando el fabricante da datos directos del
transistor. Habría que realizar una nueva medición caracterizando la placa para luego
desembeberla.
El otro punto importante fue la caracterización de los BIAS-TEE . Las mediciones de los
mismos no fueron del todo satisfechas ya que nos encontramos con muchas variaciones más
que nada en altas frecuencias.
La caracterización de los conectores fue teorica lo cual no debería introducir mucho error.
La calibración del VNA se tuvo que realizar en varias oportunidades ya que luego de realizar
la misma , se midio un divisor resistivo “patron” y los resultados no fueron correctos hasta la 3
calibracion por lo que suponemos que aquí también introducimos error.
La sensibilidad del VNA jugó un papel crucial en las mediciones, pues el transistor elegido
distorcionaba al nivel mínimo necesario como para que el VNA haga lecturas adecuadas.
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18 Grupo Nro. 4 – Medidas Electrónicas II – Proyecto final
Como correcciones del proyecto se propone realizar varias mediciones del sistema completo
como para comparar resultados.
6. CONCLUSIONES
Como conclusión del trabajo se puede citar que el método de de-embedding es un método
que requiere una alta precisión en la caracterización de todos los componentes que
intervienen en la medición. Másallá de eso, es un método sumamente practico y
relativamente sencillo de realizar.
En nuestro caso, los resultados finales no fueron los esperados del todo, pero en bajas
frecuencias se acercan bastante a lo dados por el fabricante, los mayores inconvenientes los
tuvimos en las frecuencias más elevadas, cuestión lógica por las pérdidas que empiezan a
introducir las posibles malas conexiones, cables, calibración del VNA, soldaduras en la placa.
Sumado a lo antedicho, y comentandolo con el profesor, el hecho de desembeber los Bias
Tee introduce mucho error, pues su caracterizacion se hace dificil. Se puede observar en los
gráficos que las desadaptaciones introducidas por los BiasTee son muy ruidosas, sobre todo
S11 y S22.
7. AGRADECIMIENTOS
Se agradece la especial atención de los ayudantes de catedra de Medidas Electronicas 2 de
la FRBA Ing. Nahir Murana, Ing Guillermo Monasterios como asi también al profesor titular
Ing Alejandro Henze, que además colaboró con los elementos de calibración para el VNA.
8. REFERENCIAS
[1] Henze Alejandro, Monasterios Guillermo, “De-embedding aplicado a medición parámetros S”,Lab.Metrologia y
Microondas, INTI, 2011