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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Almudena Suárez Rodríguez Franco Ramírez Terán Mabel Pontón Lobete
Departamento de Ingeniería de Comunicaciones
Este tema se publica bajo Licencia: Crea:ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia. Adaptación de entrada y salida. Figura de ruido.
Dependen de:
• Tipo y punto de polarización del transistor. • Impedancias vistas desde la entrada y salida del transistor.
Aplicación: amplificadores de bajo ruido en receptores.
Amplificadores de pequeña señal
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Impedancias generador y carga: coeficientes de reflexión equivalentes desde plano del transistor.
Transistor: Matriz de scaDering [S].
Red de adaptación Red de adaptación
Amplificadores de pequeña señal
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Zc= 50 W
Transistor
Coeficientes de reflexión. Impedancia de referencia: Zc
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Para evitar riesgo de oscilación, la red no debe presentar resistencia negativa en ninguno de los dos puertos.
No todas las impedancias pasivas están disponibles para el diseño.
Estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Si el dispositivo se considera unilateral: S12 = 0.
En función de los coeficientes de reflexión:
Estabilidad incondicional
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Correspondencia interior-‐interior.
Estabilidad incondicional
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Sistemas de Radiofrecuencia
Se puede verificar cumpliendo:
Además debe cumplirse la proviso de Rollet a todas las frecuencias: ( 0, wmax)
Estabilidad incondicional
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
La red será incondicionalmente estable si todos sus polos se encuentran en a la izquierda del plano complejo.
Lo anterior es válido siempre y cuando la red no tenga polos en el semiplano derecho cuando se termine con cargas ideales, p. ej. abiertos y cortos.
J.M. RolleD (1962): «Stability and power-‐gain invariants of linear twoports». IRE Trans. Circuit Theory, pp. 29-‐32, Mar.
Criterio de RolleF
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
¡¡Condicionalmente estable!!
Ejemplo
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Zin o Zout pueden presentar resistencia nega\va para valores par\culares de GS y GL.
Problema:
Hallar los valores de GS y GL que hacen que la red sea potencialmente inestable.
Método gráfico para determinan las regiones de estabilidad.
Estabilidad condicional:
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
GL
Gin
Transformación inversa.
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Determinar la región estable e inestable.
Si: |S11| < 1 el origen del plano GL es estable.
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Gs
Gout
Transformación inversa.
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Determinar la región estable e inestable.
Círculos de estabilidad
Si: |S22| < 1 el origen del plano GS es estable.
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Dos casos geométricos:
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Hallar la región de GS que produce:
Hallar la región de GL que produce:
GL que para: GS para:
Círculo de estabilidad de salida: Círculo de estabilidad de entrada:
Círculos de estabilidad
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Zona inestable.
Zona inestable.
Ejemplo
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ejemplo
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Propiedades matriz S:• Ganancia coincide con |S21|2 cuando se carga con sus impedancias de referencia.
• Se u\lizan como impedancias de referencia G1 y G2.
El fabricante proporciona [S] respecto a 50 W.
Se ob\ene una nueva matriz [S’] respecto a las cargas ZS y ZL (generador y carga):• U\lizando fórmulas de cambio de impedancias de referencia.
La ganancia es GT = |S21’|2.
Las reflexiones reales son S11’ y S22’.
Cálculo de la ganancia en transferencia
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Transducer Gain. Coincide con parámetro |S21|2 cuando Zs = ZL = Z0.
Ganancia en transferencia -‐ GT
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia en transferencia -‐ GT
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia en potencia -‐ GP
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia en potencia -‐ GP
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia en potencia -‐ GP
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia disponible -‐ GA
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia disponible -‐ GA
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ganancia disponible -‐ GA
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
La máxima ganancia disponible se ob\ene en condiciones de adaptación conjugada simultánea en ambos puertos.
Si la red \ene k < 1 se define la Máxima Ganancia Estable (MSG) (k = 1).
No es un máximo matemá\co.
Máxima ganancia disponible
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Herramienta gráfica de diseño de amplificadores para cumplir determinadas especificaciones:
• Círculos de ganancia en potencia constante. • Círculos de ganancia disponible constante.
Círculos de ganancia constante
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Los valores de GL que producen un valor constante de gp corresponden a:
Círculos de ganancia en potencia constante
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Círculos de ganancia disponible constante
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ejemplo círculos de ganancia constante (I)
Círculos de ganancia disponible
Círculos de ganancia en potencia
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ejemplo círculos de ganancia constante (II)
Círculos de ganancia disponible
Círculos de ganancia en potencia
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
La figura de ruido de un amplificador dos-‐puertos se define como:
Fmin – Mínima figura de ruido (óp\ma).
Rn – Resistencia de ruido equivalente del modelo.
Gm – Coeficiente de reflexión para mínimo ruido (óp\mo).
Zo – Impedancia de referencia.
Gs – Coeficiente de reflexión de la carga conectada a la entrada.
Parámetros de ruido.
Figura de ruido
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Fmin – Se encuentra haciendo cero la derivada de F con respecto a GG.
Yopt – Se encuentra para BG = Bopt = –Bc. Bc: Parte imaginaria de Yc (parte correlada del ruido). Esto determina GG = Gopt en función de Gu, Ru y Gc (Yu – parte no correlada).
Circuito equivalente de una red dos puertos con fuentes de ruido referidas a la entrada:
Figura de ruido
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Se puede reescribir la ecuación para determinar GS para una figura de ruido determinada F = Fi.
Figura de ruido
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Note que cuando Fi = Fmin:
Ni = 0 ; Ci = Gm ; ri = 0
Centro:
Radio:
Círculo de figura de ruido constante
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ejemplo círculos de figura de ruido constante (I)
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Ejemplo círculos de figura de ruido constante (II)
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
1.2 dB
1.4 dB
1.6 dB 1.8 dB
14.32 dB
12 dB
10 dB
Círculos de figura de ruido constante.
Círculos de ganancia disponible constante.
Círculo de estabilidad GS.
Diseño para una ganancia y figura de ruido especificada
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
NF = 1.4 dB
GA = 12 dB
Especificaciones:
Se localizan los puntos intersección de los círculos de ganancia disponible y figura de ruido que coincidan con el valor especificado.
Diseño para una ganancia y figura de ruido especificada (I)
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Diseño para una ganancia y figura de ruido especificada (I)
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Tema 2. Amplificadores de pequeña señal
Sistemas de Radiofrecuencia
Diseño para una ganancia y figura de ruido especificada (II)