3.1: Introducción

El diseño del amplificador de banda ancha requiere la síntesis de redes coincidentes que proporcionan una coincidencia en anchos de banda considerables. Las divisiones entre el diseño del amplificador de microondas de banda estrecha, banda ancha y banda ultra ancha dependen de la frecuencia de funcionamiento y la eficiencia del amplificador requerida. Generalmente, sin embargo, un amplificador de microondas con un ancho de banda de media octava, por ejemplo\(3\text{ GHz}\),\(2\) to, se considera como un diseño de banda ancha.

El problema esencial del diseño del amplificador es que a frecuencias de microondas las capacitancias parásitas de entrada y salida de un transistor son significativas y estas deben cancelarse para lograr la máxima transferencia de potencia. La síntesis de las redes coincidentes de entrada y salida de un amplificador de microondas a una sola frecuencia conduce a un amplificador de banda estrecha con un ancho de banda de quizás\(2–3\%\). A frecuencias más bajas donde las capacitancias parásitas son menos significativas, el ancho de banda fraccional puede ser mayor. Se lograría una respuesta ideal si hubiera condensadores negativos y típicamente la resonancia de elementos grumados se puede usar para presentar al menos parcialmente una característica negativa similar a la capacidad sobre un ancho de banda de aproximadamente un cuarto de octava.

Los parásitos reactivos dominantes de un transistor son sus capacitancias de entrada y salida, pero también el condensador de retroalimentación entre el colector/drenaje y la base/puerta se vuelve importante a frecuencias más altas. Ignorando la capacitancia de retroalimentación y pensando apenas en la entrada del transistor, la entrada del transistor es una capacitancia a veces en serie (para un BJT) y a veces en paralelo (para un FET) con la resistencia que describe la absorción de la potencia de entrada de RF por el transistor. La coincidencia ideal requiere la síntesis de un condensador negativo (es decir, un elemento que tiene una reactancia inductiva que se reduce con la frecuencia). El simple uso de un inductor para proporcionar coincidencia proporciona un elemento coincidente cuya impedancia aumenta con la frecuencia. El problema de coincidencia de entrada de banda ancha se convierte esencialmente en la síntesis de una red de dos puertos terminada con una impedancia de entrada que tiene la característica de capacitancia negativa requerida. Esto no es fácil de lograr usando solo elementos grumados.

En este capítulo se presentan tres estrategias para diseñar amplificadores lineales de banda ancha. Se utiliza el método de impedancia de imagen en el que la impedancia de capacitancia negativa requerida se realiza usando una red de línea de transmisión. El siguiente es un amplificador distribuido multietapa que incorpora las capacitancias del transistor a una línea de transmisión. El tercer enfoque es similar a un diseño de filtro de línea acoplada paralela.

3.1.1 Estrategias de diseño de amplificadores de banda ancha

Generalmente, un amplificador de banda ancha tiene un ancho de banda de media octava, por ejemplo,\(8\text{ GHz}\) a\(12\text{ GHz}\). Se deben cumplir múltiples objetivos en el diseño del amplificador de banda ancha. Por supuesto, la ganancia debe ser plana sobre el ancho de banda especificado pero también es importante cumplir con los objetivos de ruido y estabilidad sobre el ancho de banda. Por supuesto, el amplificador también debe ser estable fuera de banda. Generalmente no es posible cumplir con todos estos objetivos utilizando la optimización informática y es necesario simplificar el proceso de diseño. Cuando se utiliza la optimización informática, se realiza por etapas y comienza con un diseño de prototipo que no está muy lejos del diseño final.

Un amplificador de banda ultra ancha tiene un ancho de banda de más de media octava. Existen dos enfoques para lograr un ancho de banda ultra ancho y ambos tipos de amplificadores tienen baja eficiencia. La primera categoría de amplificador de banda ultra ancha son los amplificadores distribuidos que logran un ancho de banda multioctava al incorporar las capacitancias parásitas de los transistores en una línea de transmisión artificial. Las inductancias parasitarias suelen ser insignificantes pero si no, se incorporan en la línea de transmisión artificial. En efecto hay un amplificador multietapa y cada etapa debe ser una etapa de Clase A y así tener una eficiencia muy baja, piense\(5\%\). Amplificadores distribuidos de banda ultraancha tienden a ser utilizados en instrumentación. Un diseño de amplificador Clase A no agresivo es más probable que sea estable. El diseño de amplificador distribuido se considera en la Sección 3.2 y un estudio de caso de un amplificador distribuido en la Sección 3.3.

Un segundo tipo de amplificador de banda ultra ancha es un amplificador operacional con niveles muy altos de retroalimentación. En un amplificador operacional el amplificador de bucle abierto (sin retroalimentación) tiene una ganancia muy alta, pero una ganancia que varía significativamente con la frecuencia. Luego se usa la retroalimentación, se cierra el bucle, para desechar efectivamente la mayor parte de la ganancia para obtener una ganancia general más plana sobre un ancho de banda amplio. Este tipo de amplificador tiene una eficiencia muy baja y por lo general las ganancias disponibles de los transistores de microondas no son lo suficientemente altas de todos modos. Incluso con los transistores de mayor rendimiento, es decir, aquellos con\(S_{12}\) relación\(S_{21}\) a muy alta, los transistores tienden a ser muy caros requiriendo una litografía más fina para lograr la puerta más corta requerida. Los amplificadores operacionales de microondas realmente no son viables y por lo tanto no se considerarán más a fondo.

El ancho de banda más alto de un amplificador de microondas que logra ganancia plana en toda la banda, tiene buena eficiencia y cumple con los requisitos de ruido y estabilidad es de aproximadamente media octava. Un enfoque directo parecería ser diseñar simultáneamente las redes de entrada y salida y emplear la optimización informática. Esto es complicado a frecuencias de microondas porque la retroalimentación desde la salida a la entrada, es decir\(S_{12}\), es grande. El diseño se convierte entonces en un problema de optimización con múltiples objetivos y muchos parámetros para ajustar. Un enfoque de solo optimización rara vez funciona. Es fundamental simplificar el problema y enfocar el diseño por etapas. La técnica de diseño de amplificador de banda ancha más exitosa es el método de diseño de imagen negativa que comienza colocando condensadores negativos hipotéticos en paralelo con las capacitancias de entrada y salida de un transistor. El procedimiento se describirá en la Sección 3.4 y posteriormente se presenta un estudio de caso en la Sección 3.5.

Una clase final de amplificadores de microondas que logra anchos de banda razonablemente altos son los amplificadores diferenciales utilizados en los RFIC. Estas se consideran en las Secciones 3.6—3.8.