Simulación de un Amplificador BJT de 2 etapas Microondas
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Adrián Alexander Santos Orellana
[email protected] Sergio Andre Valarezo Ramírez
[email protected]
1. OBJETIVOS: I. OBJETIVOS GENERAL: o
II.
Diseño y análisis de un amplificador BJT de 2 etapas en el canal 6 para una frecuencia de 2.437 Ghz, con una ganancia mínima de 10 dB.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: o o
o
Dimensionar el amplificador BJT a una ganancia no menor a 10dB. Comprobar si el circuito es estable (círculo de estabilidad) con el transistor seleccionado. Realizar los cálculos requeridos para el diseño del amplificador.
2. INTRODUCCION: Un amplificador de microondas es el sistema formado por uno o varios transistores con su red de polarización más las redes de adaptación de entrada y salida, como se ve en la figura. Por lo tanto el trabajo consiste en elegir el transistor adecuado y diseñar las redes de acople entre su entrada y salida con la fuente y la carga del sistema. La metodología de diseño utilizada se basa en el uso de la matriz de los parámetros S transistor polarizado en zona lineal. La ganancia, estabilidad, adaptación de impedancia y SWR a la entrada y salida de un amplificador, pueden ser expresadas en ecuaciones en función de los parámetros S. En general los parámetros S nos dan toda la información que necesitamos para el diseño, sin embargo no nos dicen nada acerca del ruido del dispositivo. La carta de Smith es una herramienta indispensable en la visualización de las diferentes restricciones que se deben considerar en el diseño de un amplificador de microondas.
3. MARCO TEORICO: 3.1 Transistores BJT (Bipolar Junction Transistor): Los transistores de unión bipolares, son dispositivos de estado sólido de tres terminales, núcleo de circuitos de conmutación y procesado de señal. [1] El transistor se ha convertido en el dispositivo más empleado en electrónica, a la vez que se han ido incrementando sus capacidades de manejar potencias y frecuencias elevadas, con gran fiabilidad. Los transistores son dispositivos activos con características altamente altamente no lineales. [2]
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Fi gura 1. Transistor BJT (npn, pnp) [2]
La zona central se denomina base, y las laterales emisor y colector. Cada una de las zonas consta de un terminal por donde extraer las corrientes. Estos terminales se representan por la inicial del nombre de la zona respectiva: E (emisor), B (base) y C (colector). [3] La zona de emisor es la más fuertemente dopada de las 3, es la zona encargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. Huecos en el caso de un transistor pnp o electrones en el caso del transistor pnp. [2] La base tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector. [2] La zona de colector, como su propio nombre indica es la encargada de recoger o “colectar” los portadores que inyectados por el emisor han sido capaces de atravesar la base. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres. [2] Efecto Transistor: El transistor es un dispositivo cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada. Esta variación de resistencia provoca que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito al que está conectado. (Transfer Resistor). [2]
3.2 AMPLIFICADOR BJT La necesidad de amplificar las señales es casi una necesidad constante en la mayoría de los sistemas electrónicos. En este proceso, los transistores desarrollan un papel fundamental, pues bajo ciertas condiciones, pueden entregar a una determinada carga una potencia de señal mayor de la que absorben. [3]
En los amplificadores, gracias a los transistores se consigue la intensidad de los sonidos y de las señales en general. El amplificador posee una entrada por donde se introduce la señal débil y otra por donde se alimenta con C.C. La señal de salida se ve aumentada gracias a la aportación de esta alimentación, siguiendo las mismas variaciones de onda que la de entrada. [3] Cuando un amplificador realiza la función de elevar la señal que ha sido aplicada a su entrada, se dice que ha producido una determinada ganancia. Se puede decir que la ganancia de un amplificador es la relación que existe entre el valor de la señal obtenida a la salida y el de la entrada. Dependiendo de la magnitud eléctrica que estemos tratando, se pueden observar tres tipos de ganancia: ganancia en tensión, ganancia en corriente y ganancia en potencia. [3] Un amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su ganancia y menor sea su impedancia de entrada y salida. En cuanto a la frecuencia, los amplificadores dependen de esta, de forma que lo que es válido para un margen de frecuencias no tiene porqué serlo necesariamente para otro. [3]
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Fi gura 2. Circuito de Acoplo de un Amplificador. [3]
De todas formas, en todo amplificador existe un margen de frecuencias en el que la ganancia permanece prácticamente constante (banda de paso del amplificador). El margen dinámico de un amplificador es la mayor variación simétrica de la señal que es capaz de presentar sin distorsión a la salida; normalmente expresado en voltios de pico (Vp) o Voltios pico-pico (Vpp).
[4]
4. DISEÑO Y SIMULACION: 4.1 SELECCIÓN DEL TRANSISTOR: Para la selección del transistor nos basamos en la frecuencia del canal 6 a la cual se realizara el amplificador BJT de 2 etapas, a una frecuencia de 2.437Ghz. Se ha seleccionado el transistor NE582M03/2SC5431 npn (Silicon Transistor), los cuales muestran su característica de información y de diseño en la (Tabla 1).
Fi gura 3. Selección del transistor en razón de la frecuencia.
CONSIDERACIONES GENERALES Transistor a utilizar Frecuencia de operación Número de etapas
BJT (Transistor de unión bipolar) 2.437GHz 2
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Transistor
Microcinta
Parámetros S
M odelo de tr ansistor Vce Ic F recuencia l ími te Perm eabili dad relativa H eight (H) Thi ckness (T) Tangente de pé rdi das Conductor S11 S12 o 0.560 ∟156.9 0.191∟55.4o
NE582M03/2SC5431 5V 5mA 0.2 Ghz a 3GHz 2.16 (RT/Duroid 5880) 1.524 0.018 0.001 5.88E+07 S/m (Copper) S21 S22 o 1.559∟45.5 0.229∟-88.3
Tabla 1. Datos y características generales para el diseño de un amplificador BJT. [6]
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4.2 ESTABILIDAD DEL TRANSISTOR: Para determinar si es estable mi transistor aplicamos la condición de la inestabilidad, también llamada la condición de Rollet [4]:
Aplicamos una condición auxiliar
Donde los parámetros S del transistor seleccionado deberían regirse a las siguientes condiciones:
Con estos parámetros obtenemos que:
Como se cumplió la condición entonces sabemos que estamos trabajando con un transistor estable, en el caso contario, si no se da la condición probar con mas transistores (BJT) hasta que se encuentre uno acorde a las condiciones de diseño.
4.3 CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE REFLEXIÓN DE LA FUENTE Y DE LA CARGA. Calcularemos el coeficiente de reflexión de la fuente:
Donde B1 y C1 se calculan mediante las siguientes fórmulas:
Calcularemos el coeficiente de reflexión de la carga:
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Donde B2 y C2 se calculan mediante las siguientes fórmulas:
4.4 RECORRIDOS EN LA CARTA DE SMITH. Se necesita la impedancia de entrada y de salida normalizadas para calcular los acoples. Así:
Para obtener los acoples se grafican los coeficientes de reflexión en la carta de Smith (anexo 2 y 3) y se hacen los respectivos recorridos para una carga de .
Para el acople de entrada:
Para el acople de salida:
Donde:
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Para calcular las dimensiones de la microcinta se usa la herramienta de Microwave Office TXLINE. Para esto se necesita recordar las características de los materiales, y saber la frecuencia a la cual se va a diseñar el amplificador, en nuestro caso para 2.437Ghz:
Fi gura 4. Uso del TXLINE para calcular la longitud y espesor en el circuito de acoplo (entrada y salida).
Como nos podemos dar cuenta en la figura anterior se muestra la longitud, y el espesor de la microcinta las cuales son tomadas en cuenta para el acople de entrada y de salida del amplificador BJT. Estos valores son:
4.5 GANANCIA DEL CIRCIUITO: La ganancia de potencia se refiere a la relación de la potencia incidente al circuito y la potencia entregada en la carga. El factor que afecta su valor principalmente es el desacoplo del dispositivo con el generador y la carga. [5] -
Gananci a del acoplo de entr ada:
-
Gananci a del acoplo de sali da:
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La ganancia del transistor es la que entregada por el dispositivo. [5]
La ganancia total viene dado por la siguiente fórmula: [5]
Máxima ganancia disponible de potencia con el uso de impedancias conjugadas. El acoplado por medio de las impedancias conjugadas solo es utilizado si el amplificador o el dispositivo son incondicionalmente estables. Esta forma de acoplado permite obtener la máxima ganancia de potencia disponible del dispositivo. [1]
4.6 DISEÑO AMPLIFICADOR BJT 1 ETAPA Es importante mencionar que para realizar el amplificador BJT de 2 etapas, se recomienda primero optimizar la primera etapa y luego si acondicionar la segunda etapa con el mismo transistor y con los mismos valores de línea y stub que se realizara en 1 etapa para lo cual se ocuparan los siguientes datos mencionados en la siguiente tabla, los mismos que son calculados mediante el recorrido en la carta de Smith y la longitud de onda en el medio dieléctrico.
Acople y Longitud w=4.728 mm L=22.55 mm
A LA ENTRADA
L1=1.576 mm S1=15.17 mm Tabla 2. Valores calculados (Línea y Stub).
A LA ENTRADA Z sal L2=17.24 mm S2=10.14 mm
Antes de visualizar los parámetros S, primero empezamos observamos el circulo de estabilidad del amplificador de 1 etapa, que como calculamos anteriormente debería de ser estable.
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Fi gura 5. Circulo de estabilidad del transistor (1 y 2 etapas).
Como se muestra en la figura anterior nos podemos dar cuenta que el cálculo matemático se encuentra correcto porque el transistor NE582M03/2SC5431 npn, si es estable a la frecuencia del canal 6 de 2.437Ghz. A continuación se procede a realizar el circuito dispuesto con microcintas utilizando los valores anteriormente calculados (Tabla 2).
Fi gura 6. Diseño de un Amplificador BJT (1 ETAPA).
Una vez reemplazados los valores en cada una de las líneas y stubs que tiene el amplificador de 1 etapa se procede a visualizar la ganancia total del circuito y el piso de ruido del mismo.
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Fi gura 7. Ganancia y nivel de ruido (Amplificador 1 E TAPA).
Como se puede observar en la figura anterior la ganancia total es de 6.57 dB la cual es casi similar a la ganancia calculada matemáticamente de 6.9 dB, por lo cual se entiende que el diseño esta en optimas condiciones. Ahora procedemos a analizar los parámetros S del amplificador de 1 etapa.
Fi gura 8. Parámetros S (Amplificador 1 ETAPA).
Al observar la figura anterior rápidamente nos podemos dar cuenta de que la ganancia es el parámetro S21 es de 6.293 dB, muy cercano al valor calculado, también debemos tener en cuenta que el parámetro S 22 y S 11 deben de tener una atenuación baja en nuestro caso se tiene una atenuación de -11,92 dB para el parámetro S 22, y de -20.86 dB para el parámetro S11 respectivamente.
4.7 DISEÑO AMPLIFICADOR BJT 2 ETAPAS Para el amplificador BJT de 2 etapas se repite la misma etapa anterior, uniendo la salida del primer transistor con la entrada del segundo transistor mediante un MCROSS, en el cual se le setea el espesor de la microcinta, encontrado anteriormente con la ayuda del TXline. Para los valores a necesitar del s ustrato se ocupan los datos ubicados previamente en la (Tabla 1).
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Fi gura 9. Diseño de un Amplificador BJT (2 ETAPAS).
La estabilidad del circuito es la misma que para el amplificador de una etapa por lo que el transistor utilizado es el mismo en ambas etapas por ende el circulo de estabilidad no cambia seria el mismo mostrado en la (Figura 5). Se va a mostrar es la ganancia que hay con dos etapas lo cual se muestra a continuación:
Fi gura 10. Ganancia y nivel de ruido de un Amplificador BJT (2 ETAPAS).
Como muestra la figura nos podemos dar cuenta que la ganancia del amplificador de 2 etapas se ha duplicado de 6.57 dB a 13.05 dB, también se muestra la ganancia del transistor que como calculamos era de 3.8 dB, pero en la grafica muestra una ganancia de transistor de 4dB, que relativamente es muy cercano. En cuanto al nivel o piso de ruido se encuentra en el mismo valor que para el amplificador de 1 etapa.
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Fi gura 11. Parámetros S (Amplificador BJT 2 ETAPAS).
En cuanto a los parámetros S del amplificador de 2 etapas podemos darnos cuenta que la ganancia se duplico S21 = 12.89dB, el parámetro S 11 tiene que tener más o igual atenuación que el parámetro S 22, en consecuencia se tiene una atenuación de -30.57dB, y -14.5dB respectivamente. A continuación un resumen de los valores obtenidos para el amplificador BJT de 2 etapas diseñado. Entrada
Amplificador BJ T de 2 etapas (2.437 Ghz)
Ganancia total (2 etapas) 13.06 dB
Salida
Acopl e(w,L )
L ínea(L 1)
Stub(S1)
Acopl e(w,L )
L ínea(L 2)
Stub(S2)
Primera Etapa
Ancho
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
Longitud
22.55 mm
1.576 mm
15.17 mm
22.55 mm
17.24 mm
10.14 mm
Segunda Etapa
Ancho
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
4.728 mm
10.14 mm
Longitud
22.55 mm
1.576 mm
15.17 mm
22.55 mm
17.24 mm
4.07mm
Ruido
S 11
0.08625 dB
S 21
-30.57dB
12.89dB
S 12 -23.09dB
S 22 -14.5dB
Ganancia Transistor 3.8569dB
Tabla 3. Parámetros obtenidos a 2.437 GHz.
5. CONCLUSIONES: o
Es necesario que el dispositivo activo que escojamos sea estable, para que las impedancias del circuito de entrada y salida no tengan valores reales negativos, lo que
implicaría que o
y
.
Un buen circuito de acoplo permite que los parámetros de transmisión sean máximos, con lo que se garantiza que el amplificador entregue su máxima ganancia por lo que la potencia lograda fue de 12.89 dB, que es el resultado de sumar la ganancia de dos etapas, definiendo que la primera etapa fue de bajo ruido (0.08625 dB) y la segunda de máxima transferencia de potencia.
o
La relación de la potencia y la frecuencia en un transistor es inversamente proporcional porque a medida que la frecuencia incrementa la ganancia es más pequeña.
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o
o
o
o
La estabilidad de un transistor se encuentra usando la condición de Rollest, si es mayor que uno el valor que obtenemos significa que es incondicionalmente estable, lo cual se muestra en los cálculos realizados en el apartado 4.2. Mediante los círculos de estabilidad y la condición de Rollest se puede establecer que un transistor sea estable o no lo sea para la frecuencia diseñada (2.437 Ghz) para estos los círculos de la estabilidad en el simulador son indispensables ya que si el círculo que se dibuja a nuestra frecuencia no corta la carta de Smith entonces nuestro transistor es estable para la frecuencia a la cual fue diseñada. Para el diseño del amplificador BJT de 2 etapas, este se conecta en cascada y la ganancia de los mismos obtenida en decibeles es la suma de ambos, porque cada etapa fue diseñada como si fuera un circuito independiente el uno del otro. Los acoples de entrada y salida aseguran que las diferentes impedancias de entrada y salida del transistor con respecto a las de la fuente y carga resulten en una mayor ganancia y menos pérdidas por retorno.
o
Para mejorar el diseño en el simulador se puede utilizar la herramienta Tune de Microware Office el cual es muy útil para optimizar los valores de los elementos escogidos.
6. REFERENCIAS: [1] David Pozar, Microwave engineering, third edition, John Waley and sons, 1995. [2]
Selección del transistor BJT:
http://www.renesas.eu/products/microwave/download/parameter/low_biptr_dp/index.jsp>>
<<
[3] Transistor Bipolar BJT : << http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-ysistemas-electronicos/material-de-clase-1/tema-3.-transistores-de-union-bipolar-bjt.pdf>>
[4]
Amplificador BJT: <>
[5]
Ganancia del Amplificador: http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/eltransistorcomoamplificador.html
[6]
Datasheet transistor NE582M03/2SC5431 <>
npn:
en
línea>
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7. ANEXOS 7.1 DATASHEET DEL TRANSISTOR UTILIZADO NE582M03/2SC5431 npn
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