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2.8: Trading Off Ganancia, Ruido y Estabilidad en el Diseño de Amplificadores

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    El diseño de amplificadores de señal pequeños requiere una compensación de ganancia, estabilidad y cifra de ruido. Esto puede complicarse aún más por el requisito de ancho de banda. Entonces, primero considere las compensaciones en el diseño del amplificador de banda estrecha con redes de coincidencia de entrada y salida y sin red de retroalimentación entre la salida y la entrada de un transistor. El amplificador consta de tres puertos en cascada, uno de los cuales (el transistor de dos puertos) puede producir una situación potencialmente inestable. Si el amplificador es estable o no depende de la impedancia vista mirando desde el transistor a la red de coincidencia de salida y la impedancia vista desde el transistor mirando a la red de coincidencia de entrada. Incluso en el diseño de amplificador de banda estrecha, el diseñador debe estar preocupado por la estabilidad fuera de banda. El amplificador también debe ser estable sin importar cuáles sean los valores de las impedancias de carga o fuente. Esto se debe a que en casi todas las situaciones hay una penalización severa si el amplificador se vuelve inestable y oscila. El instrumento o dispositivo en el que está incrustado el amplificador ciertamente no funcionará, pero en el caso de un sistema de comunicación, todo el sistema de comunicación podría corromperse y no restaurarse el funcionamiento del sistema hasta que el dispositivo infractor sea rastreado y apagado.

    La impedancia que se presenta a la salida del transistor no es la impedancia de carga, será modificada por la red de adaptación de salida y por pérdidas en cableado y filtros (si los hubiera), entre la salida del amplificador y la carga. En lo que respecta a la estabilidad, esta pérdida ayuda ya que reduce el rango de cargas efectivas que se presentan al amplificador. Ignorando la pérdida, la carga del amplificador podría ser un cortocircuito, un circuito abierto, una coincidencia o cualquier combinación. Así, en una gráfica de Smith la carga podría estar en cualquier parte. Si la red de coincidencia de salida es sin pérdidas y de cualquier topología, entonces la impedancia presentada a la salida del transistor podría estar en cualquier parte del gráfico Smith. Ahora bien, si se colocan restricciones en la red coincidente, entonces la región de la carga efectiva en el gráfico de Smith podría estar restringida, pero esto implica un diseño más sofisticado y es algo que solo los diseñadores de amplificadores muy experimentados explotarían.

    Esta discusión está diseñada para proporcionar evidencia convincente de que el amplificador debe diseñarse para una estabilidad incondicional. Entonces, si la carga puede ser de cualquier valor, el círculo de estabilidad en el plano de entrada define los valores de\(\Gamma_{S}\) (el coeficiente de reflexión mirando a la red de coincidencia de entrada desde el transistor) que resultan en estabilidad incondicional. La red coincidente debe diseñarse para proporcionar una\(\Gamma_{S}\) que garantice la estabilidad sin importar lo que suceda con la carga. Sólo en circunstancias extremas, digamos a frecuencias muy altas (donde el diseño se vuelve muy difícil) o donde hay una pérdida considerable, digamos en el filtrado posterior, un diseñador experimentado consideraría diseñar un amplificador que no sea incondicionalmente estable. Incluso entonces el diseño comenzaría con la situación incondicionalmente estable y se transformaría en la situación potencialmente menos estable.

    La discusión de estabilidad anterior se refiere al diseño para la estabilidad sin importar lo que suceda con la carga. La discusión es similar para diseñar la red de coincidencia de salida sin importar lo que le pase a la fuente. Por lo que hay una aparente falla en el argumento de estabilidad. Al diseñar las redes coincidentes de entrada y salida para una estabilidad incondicional, el procedimiento descrito anteriormente considera que la carga está corrompida por sí sola independientemente de si la fuente está dañada (por ejemplo, por el fallo de una etapa anterior). Si algo sale mal tanto en la fuente como en la carga, entonces el amplificador podría ser inestable incluso después de que se hayan realizado los mejores esfuerzos en el diseño. Es poco probable que tanto la carga como la fuente se vean comprometidas simultáneamente.

    Consideremos ahora la compensación entre la ganancia y la cifra de ruido. Esto podría ser una compensación difícil, pero se ha adoptado un procedimiento de diseño simple. Si el amplificador es la primera etapa en una cascada de amplificadores, entonces la opción preferida es que el énfasis para la primera etapa sea diseñarlo para la cifra mínima de ruido y asegurar que se obtenga al menos alguna ganancia. En etapas posteriores el énfasis está en la ganancia y la cifra de ruido se le da poca consideración. Esta compensación se basa en la fórmula de Friis para la figura de ruido de los sistemas en cascada, lo que indica que si la ganancia de la primera etapa es alta, entonces la cifra de ruido de la primera etapa domina la cifra de ruido del sistema. Se puede lograr una mejor compensación general usando el optimizador proporcionado en una herramienta de diseño de microondas. Sin embargo, el diseño dirigido manualmente debe hacerse primero o el problema de optimización es demasiado difícil.

    Con los diseños de banda ancha de un amplificador de ancho de banda de media octava, el problema adicional de lograr estabilidad y la cifra mínima de ruido, o estabilidad y ganancia máxima, sobre la banda de frecuencia es un factor que complica aún más. Aquí el aspecto inventivo del diseño es desarrollar una red coincidente que tenga la respuesta de frecuencia deseada.

    Lo que complica aún más esto es que también se debe considerar la eficiencia y la distorsión. Incluso con una señal pequeña, la distorsión es una preocupación, ya que un objetivo de diseño es minimizar la energía de CC consumida. Esto se debe a que reducir la distorsión generalmente resulta en un mayor consumo de energía de CC.


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