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1.1: Introducción a Amplificadores y Osciladores

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    El diseño de amplificadores y osciladores de microondas es el más desafiante de los diseños de microondas que determinan el rendimiento y el consumo de energía de CC de los sistemas de microondas. La mayoría de los desafíos surgen debido a los parásitos capacitivos de los transistores de microondas y también porque algunos tipos de transistores, como los transistores de silicio, tienen una ganancia de potencia intrínseca bastante baja. Los transistores empaquetados que se utilizan en el diseño híbrido y el diseño usando módulos tienen la complejidad adicional de la inductancia del paquete, así como la capacitancia adicional del paquete. Con los amplificadores uno de los grandes retos es lograr un ancho de banda amplio para que el mismo amplificador pueda ser utilizado para múltiples bandas de frecuencia. Por ejemplo, con las comunicaciones celulares es deseable que se pueda usar un amplificador para múltiples bandas celulares. Sin embargo, la mayoría de las veces un microteléfono de sistema celular debe tener diferentes amplificadores de transmisión y recepción para cada una de las bandas celulares. Los parásitos capacitivos del transistor, y si están empaquetados inductivos, determinan el ancho de banda mínimo\(Q\) y, por lo tanto, máximo. La coincidencia requerida para interconectar la entrada y la de una salida de amplificador de transistores solo puede reducir aún más el ancho de banda.

    El diseño del amplificador de microondas generalmente usa la topología mostrada en la Figura\(\PageIndex{1}\) con el transistor polarizado en una región de alta ganancia y las redes de coincidencia de entrada y salida utilizadas para proporcionar una buena transferencia de potencia en la entrada y salida de los transistores. El circuito de control de polarización de CC es bastante estándar; no implica ninguna restricción de microondas que no sea la necesidad de bloquear las corrientes de RF del circuito de polarización. Los filtros de paso bajo (en los circuitos de polarización) pueden tener una de varias formas y a menudo se integran en las redes de coincidencia de entrada y salida. La síntesis de las redes coincidentes de entrada y salida (y ocasionalmente una red de retroalimentación requerida para la estabilidad y el funcionamiento de banda ancha) es el objetivo principal de cualquier diseño de amplificador.

    Diseño de amplificadores lineales de microondas donde se encuentra el funcionamiento de banda estrecha

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama de bloques de un amplificador de RF que incluye redes de polarización.

    suficiente se considera en el Capítulo 2 donde casi siempre\(\PageIndex{1}\) se sigue la topología mostrada en la Figura. Las redes de coincidencia de entrada y salida limitan el ancho de banda del amplificador y son idealmente sin pérdidas. Este capítulo desarrolla las habilidades necesarias para compensar la ganancia, el ruido y la estabilidad. Estas compensaciones son necesarias con todo tipo de diseño de amplificador de microondas. El capítulo presenta un estudio de caso de diseño de amplificador lineal de banda estrecha.

    El capítulo 3 presenta estrategias para diseñar un amplificador de banda ancha y nuevamente\(\PageIndex{1}\) se sigue la topología mostrada en la Figura. La banda ancha sigue siendo limitada ya que generalmente lo mejor que se puede lograr para un amplificador eficiente es un ancho de banda de solo media octava como un ancho de banda de\(2\) a\(3\text{ GHz}\). A veces hay retroalimentación inductiva y capacitiva alrededor del transistor para compensar el roll-off de ganancia inherente con respecto a la frecuencia de los transistores, especialmente FET. El capítulo incluye un estudio de caso sobre el diseño de un amplificador de banda ancha. Un estudio de caso es una buena manera de presentar métodos de diseño, ya que permite discutir las decisiones de diseño. Rara vez se pueden reducir las decisiones de diseño a un flujo formulaico. Una de las compensaciones importantes es el trading off ganancia y rendimiento de ruido y en el caso de estudio se verá cómo esto se puede hacer gráficamente. Un amplificador distribuido es un tipo de amplificadores que tiene un ancho de banda muy amplio, tal vez\(2–4\) octavas, por ejemplo,\(2\) a\(4\text{ GHz}\) o\(2\) a\(16\text{ GHz}\), pero tiene una eficiencia de solo unos pocos por ciento. La topología difiere significativamente de la topología basada en red de coincidencia de entrada y salida de la Figura\(\PageIndex{1}\). El amplificador distribuido logra un ancho de banda amplio al incorporar los parásitos de múltiples transistores en una línea de transmisión donde las capacitancias de entrada y salida de los transistores aumentan las capacitancias en el\(LC\) modelo de una línea de transmisión real. Se presenta un estudio de caso que analiza un amplificador distribuido. La polarización eficiente de un amplificador de banda ancha puede ser un desafío y un estudio de caso final presenta una técnica para la polarización distribuida de un amplificador diferencial.

    El cuarto capítulo considera los amplificadores de potencia donde el énfasis está en producir grandes potencias con alta eficiencia y se sacrifica el ancho de banda. Por lo general, a altas potencias, las eficiencias se logran diseñando las formas de onda de corriente y voltaje del transistor manipulando las impedancias presentadas en los armónicos. Esta es la fuente del bajo ancho de banda. Se realiza un estudio de caso del diseño de un amplificador de potencia WiMAX.

    El capítulo final de este libro considera el diseño de los osciladores de microondas. El diseño del oscilador de microondas es particularmente desafiante. Los osciladores consumen una considerable potencia de CC y son un diferenciador competitivo. Hay dos clases de diseño bastante diferentes, una para osciladores que son fijos en frecuencia y otra para el oscilador controlado por voltaje mucho más útil que tiene frecuencia variable. Se presentan estudios de caso para cada uno de estos dos tipos de osciladores.

    El resto de este capítulo actual describe la tecnología de transistores y un apéndice describe modelos particulares de transistores que se utilizan en simuladores de circuitos. Los simuladores actuales utilizan modelos de transistores que son muy sofisticados en comparación con los modelos descritos en el apéndice, sin embargo no son susceptibles de desarrollar la intuición de un diseñador. Los modelos más simples considerados en el apéndice, los modelos de última generación de\(20\) y\(30\) años atrás, proporcionan la intuición deseada para un diseñador.


    This page titled 1.1: Introducción a Amplificadores y Osciladores is shared under a CC BY-NC license and was authored, remixed, and/or curated by Michael Steer.