UTN-FRBA-ME2 2013

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de ElectrónicaMateria: Medidas Electrónicas 2

Proyecto: Punta Activa

Docente: Ing. Henze, Alejandro Martín Ayudante de TP: Grupo N°:

Alumnos :

1- Nicolini, José 049.520-5 2- Cochini, Felix H 117770-9

Entrega FechaPrimer entrega / /Aprobación / /

FIRMA

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Entrega Devolución Re-entrega2° / / / /3° / / / /4° / / / /

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ÍNDICE

Pág.

1. Introducción…………………….………………………………………….…….………. 32. Desarrollo del Trabajo …...........................................………….……………..……… 4 2.1 Métodos de reducción de ruido……………….………………….………..... 6 2.2 Evalucacion de la efectividad del apantallamiento ……………………..... 7 2.3 Construción ………...........................................................……………..... 8 2.4 Mediciones ………...........................................................……………..... 123. Resultados………………………………….…………………………………………... 164. Discusión………………………………….…………………………………………….... 175. Conclusiones………………………………….………………………………………….. 176. Referencias ………………………………….……………………………..…………..... 17

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Resumen:La idea general es la construcción de un contacto de prueba denominada punta de RF para poder medir RA-DIOFRECUENCIA. Usualmente lo que se hace, es construir dicha punta de forma pasiva, con resistencias y ca-pacitores de acople, ademas de un diodo especial, para luego conectarla a un multímetro y medir tensión alterna en la escala más baja posible. Porqué? Porque una punta activa, es algo mucho más caro, que requiere de instrumental más complejo, como un Analizador de Espectro u Osciloscopio, si bien es mucho mas precisa.Teniedo encuenta las especificaciones de los equipos con respecto a su resistencia de entrada se decidio hacer la punta con una Zo=50 ohm (Ri mas comun en AE y osciloscopio) ademas de realizarlo en base a un FET (para no car-gar el circuito que se va a medir), y con la menor cantidad de componentes para hacerlo lo mas economico posible.

1. INTRODUCCIÓN

Se define punta activa, a una punta de medición con impedancia de entrada elevada que sirve para realizar mediciones con el Analizador de Espectro o el Osciloscopio sin cargar el circuito a medir. Contienen o dependen de componentes activos, en la mayoría de los casos, el elemento activo es un transistor de efecto de campo (FET). De esta manera se obtienen capacitan-cias parásitas de salida excepcionalmente bajas (típicamente de unos pocos picofaradios), y una alta resistencia de entrada.

Caracteristicas tipicas:

1. Ancho de banda: hasta 1GHz2. Alimentación externa: SI3. Máxima tensión a medir: ~300V4. Impedancia de entrada: >100K

Dentro de las denominadas puntas activas, también existen del tipo diferencial, que están optimizadas para medir señales diferenciales, es decir, aquellas que están referenciadas una a la otra en lugar de estar referenciadas cada una a tierra. Para maximizar la relación de rechazo de modo común (CMRR), las puntas diferenciales deben proveer dos caminos de señal que sean tan idénticas como sea posible, coincidiendo en atenuación, respuesta en frecuencia y retraso temporal globales. Una punta diferencial moderna tiene comúnmente dos extensiones metálicas que pueden ajustarse por el operador para to-car los dos puntos en el punto de prueba (DUT) simultáneamente. Así se hace posible alcanzar valores de CMRR muy altos. Se alcanzan por ejemplo anchos de banda de 1 GHz con CMRR desde 60 dB (1000:1) a 1 MHz hasta 30 dB (32:1) a 1 GHz.

Obejtivos:

Valor teórico Valor nominal esperadoAncho de banda (BW) >= 100MHz (3dB) 100KHz a 300MHzImpedancia de entrada (Zin) 0.75 pF // 1Mohm 0.75 pF // 10MohmImpedancia de entrada (Zout) 50 ohm 50 ohmGanancia (Vin/Vout)* 0dB 20dBRango dinámico 5V 5VRango de offset +-12V +-12V

El objetivo de cualquier punta no es amplificar, idealmente la ganancia esperada es de 0dB, los componentes activos que posee, son para la adaptación y compensación, para poder llegar a tener un mayor ancho de banda, entre otras cosas.

Construcción y mejora de la respuesta en frecuencia de una Punta Activa hasta 1 Ghz

Nicolini, J y Cochini, FDocente a cargo: Ing Henze, Alejandro

Universidad Tecnologica Nacional - Facultad Regional Buenos AiresMedidas Electrónicas 2

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2. DESARROLLO DEL TRABAJO

El trabajo se basó en el paper de David Jewsbury: “Poor Man’s 1-GHz”, publicado en Elektuur.En dicho paper se proporciona un circuito de una punta activa que cumple con los requerimientosespecificados anteriormente [Fig 1].

Como puede apreciarse en el circuito, el MOSFET de doble compuerta T1 se utiliza en configuración se-guidor de fuente (drenador común). Éste proporciona una baja impedancia de salida al cable coaxial y equipo de medición. La señal de entrada de la punta se aplica al gate 1. La impedancia de entrada en el gate 1 es una resistencia muy alta con algunos pocos picofaradios. En este trabajo se utilizó el BF998.

El 78L05 regula la fuente a 5 volts estables, y el diodo D1 protege a la punta en caso de que se inviertan los termi-nales de alimentación. La ganancia del buffer en sí es poco menos de la unidad, pero debido al divisor de tensión de C1 y la capacitancia de entrada de T1, la pérdida global de la punta es de aproximadamente 20 dB. Pero, ideal-mente la ganancia esperada es de 0 dB, por lo que es necesario agregar un amplificador que compense las pérdidas del circuito propuesto. Para lograr esto se usó el amplificador monolítico ERA-3, ya que proporciona una ganancia de poco más de 20 dB de 0 a 3 GHz, además de mantenerse plana su respuesta en dicho rango de frecuencias.

Fig 1. Esquematico de la punta activa

Fig 2. Referencia de BF998

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El circuito final utilizado es el siguiente:

En este esquema, el amplificador monolítico ERA-3 es el recuadro con línea entrecortada. Dentro de dicho recuadro figura el circuito equivalente utilizado para su simulación con el programa LTSpice.

Fig 3. Esquematico

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2.1 Metodos de reduccion de ruido

Por ruido se entiende a toda componente de tension o intensidad indeseada que se superpone con la componente de señal que se procesa o que interfiere con el proceso de medicion.

El ruido del sistema se puede clasificar

- Ruido interno o inherente: generado por el dispositivo - Ruido externo o interferencia: generado por acoplamiento electrico y magnetico

El ruido se puede abordar - Mediante metodos que tratan de reducir el ruido en sus fuentes y en su propagacion, como por ejemplo tec nicas de cableado y blindaje, son optimas ya que no degradadan las prestaciones del sistema, pero su aplicacion no siempre es eficas y posible.

- Mediante metodos de filtrado y promediado de la señal para amortiguar el efecto del ruido, suelen ser técnicas de aplicación general y efectiva pero degradan las prestaciones del sistema como por ejemplo ancho de banda.

Se penso en como reducir algunas de sus fuentes de perturbación que se analizaron con respecto a la experiencia anterior, entonces

A- Se propuso utilizar como fuente alternativa una bateria para evitar el ruido de linea.

Para evitar realizar un circuito mas complejo y degradarlo ya que principalmente se busca un funcionamiento en un rango de frecuencia determinado

B- Para reducir las interferencias internos solo se adoptaron componentes que produzcan el menor posible.

A los efectos de lo comentado en este punto, uno de los componente de la etapa para compensar la atenuacion de la punta es el amplificador ERA-3, un MMC de banda ancha con un NF del orden de 3 dB, ideal para nuestra aplicación por ser de bajo ruido. Mismo caso es para el BF998, observando los datos de la [Fig 2]

Fig 4. Extracto de la hoja de dato del ERA 3

C- Para reducir las interferencias externas de caracter electrico se considero realizar un blindaje

Sin entrar en un desarrollo matematico que se aplique a una geometria determinada, sabemos ya de la teoria mas que estudiada que considerando un medio conductor, con una conductividad mucho mayor que 1, se obtiene un co-eficiente de reflección practicamente real y de valor -1 y un coeficiente de trasmisión despreciable, por lo que en esta interfase, conductor-aire, el campo electrico decae penetrando una distancia muy pequeña en el material conductor

Fig 5: Etapa con Amplificador ERA totalmente recubierto con un metal flexible

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El blindaje no es simplemente envolver el area que queremos apantallar con un metal, hay que tener cuidado con las areas abiertas, ya que estas producen la perdida del efecto de apantallamiento, ademas no debe ser flotante, osea que debe estar conectada a masa, caso contrario induce aun mas interferencia. En la [Fig 5] se pueden ver como la etapa de amplificacion queda armada con el blindaje

2.2 Evaluacion de la efectividad del apantallamiento

Sabemos que: - El efecto del apantallamiento depende de la frecuencia del campo, siendo mayor a altas frecuencias

- El efecto del apantallamiento depende de factores geometricos y del material considerado

Tenemos 2 formas de evaluarla - Calcular la efectividad del apantallamiento (calculo teorico)

- Por comparacion con un modelo sin apantallamiento

En el primer caso, no seria una gran medida debido a que este calculo depende de datos precisos con respecto al material usado, y de una geometria del recinto bien definida o que se pueda aproximar a una (cilindrica, esferica).

En el segundo caso como contamos con un prototipo hecho anteriormente el cual esta desprobisto de cual-quier tipo de apantallamiento, con el que podemos realizar una comparacion directa, ya que fue diseñado para las mismas especificaciones.

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2.3. Construccion:

Se realizaron los diseños del PCB teniendo en cuenta las recomendaciones de los fabricantes ademas de las notas de aplicacion de elemetos similares. Montaje de componetes y montaje final de la punta. En esta ocasion con respecto al prototipo anterior, se opto por armar la punta activa por un lado y el amplificador por el otro, si bien esto traeria perdidas al conectar la etapas, termina facilitando el diseño del PCB.

Fig 8. Extraido de la nota de aplicacion de la punta terminada

Fig 6. PCB de la punta activa

Fig 7. PCB de la punta activa con vista de componentes

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Fig 9. Extraido de la nota de aplicación

Fig 10. PCB del la etapa de amplificacion (frente y reverso)

En la [Fig 9] se muestra el circuito de amplificación con la disposicion de los componentes que no se pudo apreciar en la [Fig 4] y que se uso como modelo para nuestro trabajo

En base a la nota de aplicacion se realizo el PCB del amplificador mostrado en la [Fig 10]

Para el caso de la punta se uso con el proposito de apantallamiento la misma carcasa como elemento de blindaje, en este cado se trato de conseguir una estructura con las dimensiones mas adecuadas para que no dificulte el montaje y por costos. En la siguientes imagenes se puede observar el montaje final de la punta.

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Montaje de la Punta

Fig 11. Fig 12.

Fig 13. Fig 14.

Fig 15. Fig 16.

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Fig 17. Fig 18.

Fig 19. Fig 20.

Fig 21. Fig 22.

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2.4. Mediciones:

Se realizo primero un barrido en frecuencia, midiendo sobre una carga de 50Ω, para obtener la Respuesta en Frecuencia, la Distorsion Armonica, de cada componente inyectada, y por ultimo, el Rango Dinamico de la Punta.Para realizar las mediciones se uso el siguiente esquema:

Fig 23. Esquema de conexion

Se tomo como referencia una medicion con el generador de RF y el AE, pero sin la punta, como se ve en la s siguientes figuras

¿COMO SE REALIZARON LAS MEDICIONES?

Fig 24. Esquema de conexion

Fig 25. conexion fisica

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Se pone el Analizador de espectro como TG, como se ve en la fotografia.

Fig 26. Esquema de conexion

Fig 26. Visualizacion en el Analizador de Espectro

Ahora medimos en tres diferentes situaciones para ver en la respuesta en frecuencias las diferencias que aporta cada etapa y observar cual tiene mejor respuesta y cual empeora la misma para finalmente sacar conclusiones del trabajo realizado. Entonces se medira primero solo la punta, segundo punta y amplificador sin caja, y finalmente todo el con-junto, el paso siguiente se completa con las imagenes de punta realizada el año anterior en las mismas condiciones de medición y realizar la comparación y evaluzar si realmente se mejoro el sistema o si no hubo ninguna diferencia.

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MASA

BW Punta 70 MHZ - 1 GHZ

BW punta y ampllificador sin caja

Capturas de las mediciones de Respuesta en freccuencia

Fig 27. Captura del AE para la medicion de sola-mente la punta

Fig 28. Solo punta

Fig 29. Captura del AE para la medicion del amplifi-cador y la punta

Fig 30. Amplificador

Fig 31. Punta sin caja

En estas imagenes se puede ver que la punta por si sola tiene una respuesta mas plana que en conjunto con el amplificador, que degrada el resultado final, produciendo una caida abrupta cerca de los 500Mhz.

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Capturas de las mediciones de Respuesta en frecuencia de una punta anterior

Como primera impresión estas imagenes nos ayudan a notar una mejora en la planicidad de respuesta en freccuencia . Tanto para el caso de la punta sola como del conjunto completo, pero vale aclarar que este prototipo no tiene ningun tipo de apantallamiento

BW Punta y amplificador con caja

Fig 32. Captura del AE para la medicion del amplifi-cador y la punta con caja

Fig 33. Punta con caja

Con respecto al la [Fig 29] se ve que el conjunto completo mejora ligeramente, si bien la respuesta hacia 1Ghz sigue decayendo, se observa que el pozo cercano a los 500 Mhz se suavizo

Fig 34. Punta sola Fig 34. Punta y amplificador

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Superponiendo los graficos correspondientes a la respuesta de la punta sola siendo que la linea de color rojo represen-ta la respuesta de la punta sin apantallamiento, y la linea azul la actual, se obserba que hay una diferencia de entre 5 y 10 db maximo. ahora si bien la punta actual tiene una mayor planicidad con respecto a la sin apantallar, tambien notamos que atenua mas.

5 db/div

70 Mhz 500Mhz 1000Mhz

Observando el caso de la punta con el amplificador, vemos que la punta sin apantallamiento la respuesrta es aun peor que el caso de la punta sola, no solo por la forma de la respuesta sino tambien por que el nivel se atenua aun mas, en el caso de la punta con apantallamiento el nivel no es el esperado ya que tendria que levantar al menos lo 20db de la señal de entrada, y solo lo levanta 7 db. En este grafico se puede ver diferencias de entre 5 y 10 db maximo para las mismas condiciones de medicion.

5 db/div

70 Mhz 500Mhz 1000Mhz

3: RESULTADOS

Como ultimo comentario podemos mencionar que si consideramos que en ambos sistemas (Punta anterior y actual) estuvieron presentes las mismas perturbaciones, para el caso de la punta sola, podriamos decir que estas no permitie-ron observar la verdadera atenuacion para calcular mejor la amplificación necesaria. Y con respecto al conjunto con el amplificador, no podemos asegurar que las perturbaciones fueran la causa de que esta etapa no amplifique los 20db calculados (amplifico 7db) o para el caso de la punta anterior que produjera aun mas perdidas, probablemente esto se deba a problemas de diseño y construccón del amplificador.

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4. DISCUSION:

Logros alcanzados:

Se logró hacer una Punta Activa económica con una respuesta lo bastante plana hasta el GHz. con una mejor respues-ta que su predecesor, habiendo tenido en cuenta los problemas mas importates que presento el prototipo original, osea que se pudo mejorar la punta.Se le agrego blindaje que proporciono una mejora en la respuesta y el cambio de amplificador mejoro un poco el nivel de señal

Problemas encontrados

1- Atenuaciion Se mejoro en mas de 10db, realizando un cambio en el esquema de amplificacion y realizando una construc-cion mas prolija

2- Diseño de circuito para RF

3- Polarizacion del Amp Se cambio tension de red por una bateria para reducir variaciones de tension de fuente

4- Adaptacion de impedancia Se realizo una mejor construccion de la punta y se utilizaron mejores componentes

5- Ruido Se realizo un blindaje

6. REFERENCIAS

[1] David Jewsbury, Poor´s Man 1GHz, Revista Elektuur, pag 36 a 38, edición 4/2004.[2] Minicicuits, “Monolithic Amplifier MAR-6+”, en RF/IF MICROWAVE COMPONENTS.[3] Philips, “Hoja de datos BF998”, http://www.alldatasheet.com,10/07/2012.[4] Minicicuits, “Monolithic Amplifier ERA-3”, en RF/IF MICROWAVE COMPONENTS.[5] Textronix, “ABC of probes”, http://www.textronix.com/accesories, publication 2004

5. CONCLUSIONES

Originalmente este trabajo es la continuacion de uno realizado anteriormente, y haciendo una comparación vemos que en la etapa de desarrollo y mediciones llegamos a lo mismo, Entonces hicimos mas hincapie en la etapa constructiva para evaluar si mejoraba la respuesta en frecuencia conparada con su predecesor. La actual mostro una respuesta mucho mas plana para las mismas condiciones de medicion, el cual no se obtuvo ni por asomo con la punta anterior. No obstante se sigue teniendo falencias en el diseño de circuitos de RF ya que intentando usar señales mas debiles, las mejoras de blindaje se pierden, y pesan las perdidas por acoplamiento reduciendo el nivel considerablemente.