3.4: Diseño de Amplificador de Imagen Negativa

El diseño utilizando el método de imagen negativa se ilustra en el estudio de caso en la Sección 3.5 pero aquí se explicará la filosofía detrás de la técnica. El método rompe las etapas del diseño en pasos mucho más simples.

En esta sección se describirá el diseño del amplificador de banda ancha utilizando el método de imagen negativa para un amplificador que tenga un solo transistor. La idea se puede aplicar a diseños de amplificadores con múltiples transistores. El modelo básico de un transistor de microondas tiene capacitancias de entrada y salida de derivación y una capacitancia de retroalimentación entre la salida y la entrada. Una buena estrategia de diseño de amplificador sería colocar primero capacitancias negativas (ideales) en derivación con cada uno de estos condensadores y luego intentar sintetizar un circuito que parezca un condensador negativo. Esto describe la esencia del método de diseño del amplificador de imagen negativa, excepto que no se hace ningún intento de

Figura\(\PageIndex{1}\): Líneas de carga dinámicas de cada FET en el amplificador distribuido TGA8220 MMIC. Después [4], copyright Microondas & RF, usado con permiso.

cancele el condensador de retroalimentación del transistor y, en su lugar, las redes de coincidencia de entrada y salida se ajustan para contabilizarlo.

El método de diseño del amplificador de imagen negativa logra un alto ancho de banda al sintetizar redes de coincidencia de entrada y salida comenzando con cada red que comprende una capacitancia negativa en paralelo con la entrada y salida, respectivamente, capacitancias parásitas del transistor. Entonces las cargas resistivas, elegidas para la máxima transferencia de potencia, se ponen en paralelo con las capacitancias negativas. Este circuito se simula con el modelo real del transistor y esto es seguido por un paso de optimización para optimizar la ganancia de banda ancha y las respuestas de ruido del amplificador mientras simultáneamente se asegura la estabilidad del amplificador. En este proceso se contabilizan el efecto de la capacitancia de realimentación y la complejidad total del transistor. Las redes coincidentes de entrada y salida son las redes de imagen negativa. El siguiente paso es sintetizar por separado redes que proporcionen las características de las redes de coincidencia de entrada y salida ideales. Esto solo se puede hacer sobre un ancho de banda limitado pero generalmente esto es de aproximadamente media octava. Este proceso indica las características óptimas de las redes de coincidencia de entrada y salida. Las redes de imagen negativa ahora se pueden sintetizar individualmente y una vez sintetizadas se pueden incorporar con el modelo de transistor para obtener un circuito general que se pueda ajustar aún más pero quizás solo sea necesario un ajuste de pocos por ciento.

El método de imagen negativa logra regularmente un ancho de banda de media octava. Lo que se está haciendo en el diseño de red coincidente es usar una topología que presenta lo que parece un condensador negativo y también la transformación de impedancia correcta (generalmente a\(50\) ohmios). Aquí es donde entra en juego la invención. La impedancia que mira a la entrada (o salida) de un transistor gira con respecto a la frecuencia en el sentido de las agujas del reloj en un gráfico Smith. La impedancia conjugada compleja gira en sentido contrario a las agujas del reloj. El diseñador intenta desarrollar una red coincidente que rastrea el locus contrarrotativo pero con un condensador y un inductor el locus de impedancia (con respecto a la frecuencia) que mira dentro de la red coincidente girará en el sentido de las agujas del reloj. El único circuito simple que te dará las características adecuadas incluye dos o más líneas de transmisión. El diseñador está usando una topología que alguien más descubrió. No es posible sintetizar la mejor red.

Existen algunas limitaciones, tanto la entrada como la salida del transistor tendrán alguna inductancia en serie debido a los cables de enlace para partes discretas del transistor y debido a las longitudes de la línea de transmisión para transistores en chip. La impedancia de estas inductancias será pequeña en comparación con las capacitancias parásitas y realmente solo importará si la resistencia de entrada del transistor (en el caso de la inductancia en el puerto de entrada) o la resistencia de salida del transistor (en el caso de la inductancia en el puerto de salida) también es pequeño. Generalmente solo es necesario compensar la inductancia de salida en el modelo de imagen negativa de la red de salida. y esto se hace mediante el uso de una inductancia negativa.

En esta etapa el diseño del amplificador consiste en redes de coincidencia de imagen negativa de entrada y salida que son bastante simples y contienen elementos negativos. El funcionamiento del amplificador se optimiza utilizando estas redes de emparejamiento simples. El transistor no es unilateral por lo que las redes de coincidencia de entrada y salida deben ajustarse iterativamente para obtener el rendimiento óptimo. Las redes coincidentes son tan simples que la sintonización manual se puede utilizar en el simulador de circuitos.

Con las redes de emparejamiento simples diseñadas, el desafío ahora es realizar las redes de emparejamiento simples con elementos reales. Posiblemente se podrían usar L y C en una estructura similar a un filtro, pero el resultado rara vez es muy bueno. Los mejores resultados se obtienen cuando se utilizan estructuras de líneas de transmisión. No hay una manera de sintetizar sistemáticamente estas redes coincidentes. Las topologías basadas en líneas de transmisión que se utilizan en el estudio de caso son invenciones. Hay muy pocas otras estructuras que funcionen. El problema de diseño se simplifica enormemente y el diseño puede enfocarse en diseñar primero la red de coincidencia de entrada y luego la red de coincidencia de salida sin el transistor incluido.