domingo, 7 de febrero de 2010

DISEÑO DE LNA CON MMIC


El objetivo de este documento es mostrar una guía de los principales aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un Amplificador de Bajo Ruido o LNA (Low Noise Amplifier).

Además se tratará de resumir el proceso de diseño en varias fases perfectamente diseñadas: Elección del LNA, cálculo de los parámetros y características básicas de un LNA, y estudio de las ventajas de un LNA.

Para ello se ha tomado como referencia el artículo "GPS low-noise amplifier design made easy with MMIC" realizado por Eric Chan, pero se ha optado por hacer un estudio general de cualquier LNA y no el modelo descrito en dicho artículo. De esta manera aparecerán muy pocas referencias al modelo MGA-61563 de Agilent Technologies.

Introducción

Según el artículo, hemos de tener numerosos aspectos a la hora de diseñar un LNA de forma que podamos obtener las mejores prestaciones. Se nos comenta que las soluciones discretas eran las preferidas para este tipo de circuitos debido a que nos aportaban unas figuras de ruido (NF) muy bajas.

En contrapunto a este aspecto, las soluciones basadas en los nuevos circuitos MMIC ofrecen capacidades de ruido comparables además de otras ventajas como:

- Linealidad
- Simplificación del diseño teniendo en cuenta las PCB bias
- Simplificación a la hora de adaptar impedancias
- Estabilidad
- Tamaño
- Menor ciclo de diseño

A continuación explicamos los aspectos que nos han parecido más interesantes para el diseño de un LNA competente usando tecnología MMIC. Además de intentar dar una pequeña orientación o modelo sobre los pasos a seguir a la hora de diseñar un LNA

Paso 1.- Elección del LNA

Antes de ponernos a diseñar los parámetros deberemos hacer un estudio de los requisitos que deseamos alcanzar con nuestro LNA. Una vez hecho esto deberemos abordar dos puntos importantes: la elección del diseño a seguir y contemplar la posibilidad de usar soluciones monolíticas.

Elección del Diseño del LNA

El diseño de amplificadores, para aplicaciones de microondas, se pueden orientar para obtener la máxima transferencia de potencia entre la entrada del sistema y su salida. O bien optar por el diseño de mínimo ruido. Ambas formas de proceder están estrechamente ligadas a los parámetros S que presente el dispositivo activo que se vaya a emplear.

DISEÑO DE LNA CON MMIC

Bien se considere un dispositivo discreto, bien se opte por un dispositivo de tecnología MMIC, la estabilidad del mismo vendrá determinada por los parámetros S a la frecuencia de trabajo. Si se asegura la estabilidad incondicional, el diseño para máxima transferencia de potencia es factible, alcanzando la adaptación compleja conjugada simultáneamente en la entrada y en la salida del sistema. Ante esta situación la ganancia disponible será máxima, y se denomina MAG (Maximum Available Gain).

Para el diseño de mínimo ruido, se persigue que el aporte de ruido a la señal de entrada sea el menor posible, para ello, y en función de los parámetros de ruido ofrecidos por el fabricante del dispositivo activo, se adapta la entrada del sistema en función del coeficiente de reflexión de mínimo ruido, denotando como гopt. Este coeficiente está relacionado con la resistencia de mínimo ruido, que no coincide con Z0. En este caso, existe una desadaptación en el plano de entrada del amplificador, se empeora por tanto la transferencia de potencia, pero se disminuye el ruido añadido a la señal.

Existe por tanto un compromiso a la hora de realizar el diseño de un amplificador de microondas; ya que ambas formas de diseñar no se pueden llevar acabo de forma simultánea.

Barajar el uso de soluciones Monolíticas

Las características de los sistemas que operan en las bandas de RF y Microondas pueden ser optimizadas mediante la integración de componentes en MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits). Es corriente usar componentes "off the shelf" pero a costa de aumentar la complejidad y el coste del diseño. El uso de componentes MMIC es un medio rápido y efectivo en coste. Sin embargo cuando se trata de diseñar MMICs a medida hay que tener en cuenta que su coste y tiempo de desarrollo son importantes por lo que solo en casos de grandes series o en aplicaciones especiales como en espacio, es aconsejable.

Mediante el uso de soluciones MMIC a medida se pueden mejorar las características del sistema, así como la funcionalidad y fiabilidad. Además se reduce el número de componentes,el tamaño del circuito, peso y consumo de potencia, así como los tiempos de ensamblado.

Todo esto puede llevar a los fabricantes a la utilización de sistemas híbridos, aumentando así su capacidad de respuesta a la velocidad del mercado a costa de pérdida de prestaciones en la figura de ruido. Esto se realiza hasta que se obtienen unos niveles mínimos en la figura de ruido.

Paso 2.- Calculo de los parámetros y características básicas del LNA

El segundo paso que abordaremos será el cálculo de los parámetros básicos de cualquier LNA y que nos ayudarán a alcanzar los objetivos marcados al inicio del diseño. Además, estos parámetros son la base de nuestro LNA y sin ellos no podremos completar el proceso de diseño y fases posteriores. Estos parámetros son:

Adaptación de Impedancias

El teorema de transferencia de máxima potencia establece que la transferencia de potencia de una fuente dada a una carga es máxima cuando la resistencia de la carga es igual a la de la fuente. La adaptación de impedancias es trascendental en sistemas de alta frecuencia.

Por ejemplo en un transmisor operando a frecuencias de microondas, constituido (entre otros elementos) por un generador, una guía de ondas y una antena. Si la guía de ondas y la antena no están adaptadas, una parte de la potencia incidente en la antena se reflejará y creará una onda estacionaria en la guía. Si la desadaptación es apreciable, y la potencia transmitida es suficientemente alta, la fuente puede dañarse por la onda reflejada. En la práctica se utilizan adicionalmente protecciones entre la fuente y la guía de ondas, de modo que señales reflejadas desde la carga sean atenuadas.

Sin embargo no se debe pensar que, en todas las situaciones, lo ideal es que las impedancias de la fuente y de la carga estén adaptadas.

Tomemos como ejemplo el de un emisor de radio conectado a la antena a través de un cable. Si la adaptación del cable a la antena es deseable (para que no hayan ondas reflejadas), es mejor evitar la adaptación del cable al emisor. Si el emisor estuviese adaptado, la mitad de la potencia generada por el emisor se perdería en la resistencia interna de este último. Lo mejor es que la resistencia interna del emisor sea lo más pequeña posible.

Hay casos en los que la adaptación es imposible como en el de los teléfonos móviles: Como la impedancia de la antena depende la posición de la cabeza y de la mano del utilizador, la adaptación en todas circunstancias es imposible. Pero eso no les impide de funcionar.

En la Ilustración 1 se muestra la adaptación a la entrada ha de estar sintonizada para presentar Ropt a la entrada del amplificador (se adapta con una inductancia).


Ilustración 1.- Ejemplo de adaptación de entrada

Pérdidas de Retorno

Si la impedancia de carga no es igual a la impedancia característica de la línea, se producirán reflexiones, es decir, parte de la energía que llegue a la carga será absorbida por esta, y parte se reflejará. Definimos como pérdidas de retorno a la relación en dB entre la onda reflejada y la onda incidente:

RL=20*log(Vr/Vi)

Donde:

RL= Pérdidas de retorno en db.

Vr= onda de tensíon reflejada.

Vi= onda de tensión incidente.

Relacionándolas con los parámetros S:

Pérdida de retorno a la entrada:

RLin=|20Log(|S11|)|

Pérdida de retorno a la salida:

RLout=|20Log(|S22|)|



Ilustración 2.- Ejemplo de Pérdidas de Retorno

Mejora de las Pérdidas de Retorno

Podemos acercar S11 a la impedancia de entrada del amplificador para mejorar las pérdidas de retorno a cambio de un empeoramiento en la NF.

Como en el caso de la adaptación conjugada, en la que se obtiene la máxima potencia de salida, también aquí, acortar la distancia acercando el factor S11 al amplificador haciendo que las pérdidas de retorno sean menores, supone un empeoramiento en la relación NF, y habría que estudiar si esta mejora en la ganancia merece el aumento de ruido a la hora de diseñar un amplificador de bajo ruido MMIC.

Figuras de Ruido

La magnitud del ruido generado por un dispositivo electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede expresar mediante el denominado factor de ruido (F) ó figura de ruido, que es el resultado de dividir la relación señal a ruido en la entrada (S/R)ent por la relación señal/ruido en la salida (S/R)sal, cuando los valores de señal y ruido se expresan en números simples.

Sin embargo, como los valores de relación señal/ruido suelen expresarse en forma logarítmica, normalmente en decibelios, el factor de ruido en decibelios será, por tanto, la diferencia entre las relaciones S/R en la entrada y en la salida. Para calcular el factor de ruido equivalente de una serie de dispositivos en cascada, se usa la fórmula de Friis:

F=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+....+(Fn-1)/G1G2G3...Gn-1

Ganancia

En lo referido a señales eléctricas es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada. Cuando la ganancia es negativa (menor que 0 en dBs, o entre (0,1) en unidades naturales), hablamos de atenuación.

Si recordamos algo de parámetros S, podemos relacionar la ganancia con éstos:

S21 es la ganancia de transmisión directa con la salida terminada en carga adaptada.
S12 es la ganancia de transmisión inversa, con la entrada terminada en carga adaptada.
Red sin pérdidas (ganancia unitaria): S21 = 1


Ilustración 3.-Ejemplo de Ganancia

Paso 3.- Estudio de las ventajas del LNA

Como hemos comentado en la introducción, todo LNA tiene diversas ventajas que dependiendo de las funciones a las que esté destinado desarrollará de diferente manera. En este apartado vamos a estudiar los diferentes métodos o modelos para variar esas características o ventajas, y así, poder ajustar nuestro LNA al trabajo al que lo destinemos.

En referencia a la RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (NF)

Sintonización del amplificador para minimizar la NF

Si estamos hablando de amplificadores de bajo ruido, compuestos por MMIC, es obvio dar por supuesto que el amplificador tendrá que estar sintonizado para que los transistores y componentes sean los que sean estén operando en las bandas adecuadas de trabajo que produzcan en el circuito completo, la mejor relación NF, es decir los cálculos del circuito se habrán de realizar conforme a las características de las especificaciones, pero produciendo el menor ruido/interferencias posible.

Ya que estamos diseñando un amplificador de Bajo ruido, compuesto por componentes monolíticos (MMIC) que además de resultar más fáciles a la hora del diseño para los amplificadores, también producen buena relación señal a ruido en los diseños y siendo esta una de sus características principales.

Para sintonizar un amplificador hay que tener en cuenta (según especificaciones):

- La frecuencia mínima y máxima de operación
- NF (que es la que queremos mejorar)
- Ganancia
- Estabilidad de la ganancia en la banda de operación
- Máxima potencia de salida a 1 dB de la saturación
- Máxima potencia de entrada sin daño
- Puntos de trabajo de los transistores
- VSWR Entrada
- VSWR Salida

Adaptación Conjugada

Si la NF no es demasiado importante podemos buscar adaptación conjugada para maximizar la ganancia (Gopt y S11 lejos del centro de la carta de Smith). La adaptación conjugada quiere decir que la impedancia de carga debe ser la conjugada de la impedancia de la fuente.

Zr=Zt*

Por esta razón a la condición de máxima cesión de potencia se le llama, a veces, Adaptación conjugada.
La adaptación conjugada exige que tengamos un circuito resonante. Las reactancias se contrarrestan totalmente (condición de resonancia) y entonces igualamos las partes reales. Al introducir en la siguiente ecuación las condiciones de esta adaptación en el circuito obtenemos que la máxima potencia es:

P_med_maxima=|Vr|^2/8Rt

Todo esto se realizaría en los cálculos mediante la carta de Smith, y los parámetros S, a la hora de adaptar la impedancia de carga en el circuito de nuestro amplificador de bajo ruido. Esto se realiza como una mejora de la ganancia del circuito a coste de un empeoramiento en la relación NF, como suponemos más importante el ruido del amplificador no sabemos hasta qué punto maximizaremos la ganancia a coste de un empeoramiento de la NF, luego habría que estudiar si a costa de un bajo incremento del ruido el aumento de la ganancia es suficiente como para que resulte deseable en cada caso.

En referencia a la ESTABILIDAD

Estudio de las PCB bias

Tener en cuenta el efecto de las PCB bias que harán que la estabilidad del amplificador no sea ideal. Las PCB bias actúan como condensadores, estos hacen que la estabilidad del amplificador sea real introduciendo impedancias complejas y haciendo que el funcionamiento de los transistores se aleje de lo teórico y se comporte de manera real, variando su funcionamiento según varia la frecuencia de trabajo, ya que los condensadores, en el caso de frecuencias de microondas con las que estamos trabajando(es decir a frecuencias muy altas) introducirán cambios de comportamiento en el amplificador.

Esto siempre tiene que ser contemplado en la banda de trabajo del circuito, a la hora del diseño, y el efecto en concreto de las PCB Bias no deberá influir en el funcionamiento de nuestro amplificador para las frecuencias deseadas, habrá que ver que cambios producen y minimizarlos, en todo caso.

Búsqueda de un MMIC con F min y S ss cercanos al centro de la carta de Smith

Para diseñar circuitos amplificadores de microondas, particularmente con transistores condicionalmente estables, no es posible conseguir simultáneamente máxima ganancia, mínimo ruido y máxima adaptación. Por lo tanto es necesario un compromiso entre estos parámetros, garantizando siempre la estabilidad.


Ilustración 4.- Regiones estables de la Carta Smith


Generalmente durante el diseño de un amplificador condicionalmente estable es necesario dibujar los círculos de estabilidad del transistor y comprobar que los coeficientes de reflexión de las redes de entrada y salida diseñadas se encuentran en zona estable en la carta de Smith.

DISEÑO DE LNA CON MMIC


En referencia a la LINEALIDAD


Punto de compresión a 1dB

Otros de los puntos que debemos estudiar para conseguir que nuestro LNA sea lineal es el punto de compresión a 1dB y el nivel mínimo de señal detectable. Estos dos puntos nos marcaran el rango dinámico de trabajo.

El punto de compresión a 1 dB es el valor de entrada donde nuestro amplificador entra en saturación disminuyendo la ganancia de potencia a la salida (Pout,1dB) en 1dB respecto a la ganancia en pequeña señal. El valor mínimo detectable de la señal de entrada será, a su vez, el mínimo valor de señal que pueda registrar el amplificador y que producirá el nivel de señal amplificada más pequeño (Pout,mds) producido por el LNA.

Una vez calculados estos puntos, podremos calcular el rango dinámico (dR) del LNA. Este rango viene dado por la siguiente expresión.

dR = Pout,1dB - Pout,mds

Así obtendremos la región de trabajo dónde la potencia de salida del LNA será lineal.

Ilustración 5.-Punto de Compresión 1dB


Hay que notar, que en la mayoría de los casos, al diseñar un LNA se tiene que el punto de compresión a 1dB es uno de los prerrequisitos a cumplir. Por tanto, es uno de los parámetros más importantes del dispositivo. Para conseguir el P1dB se suele colocar una inductancia en la realimentación de la red secundaria además de una resistencia.

Punto de intercepción de tercer orden (IP3)

El punto IP3 es el parámetro utilizado normalmente para indicar la linealidad de un LNA. Por tanto, nos interesa que este parámetro sea lo más alto posible porque nos proporcionará una mayor linealidad.

La definición del IP3 es el punto donde el producto de intermodulación de tercer orden intercepta o corta a la componente fundamental del circuito del LNA perfectamente lineal. Este punto suele significar el margen superior del rango dinámico de trabajo.

Ilustración 6.-Punto de Intercepción de 2 y 3 orden

Este punto viene dado por: IIP3[dBm] = OIP3[dBm] – Gain[dB].  Donde IIP3 es el punto de intercepción de orden 3 de entrada, OIP3 es el punto de interceptación de orden 3 de salida y Gain es la ganancia.

Por tanto, la utilización de este parámetro permite predecir los efectos de intermodulación, que suele ser un factor determinante a la hora de calcular el nivel máximo de salida que puede alcanzar un amplificador. Suele venir dado en función de la potencia de entrada y la ganancia. O bien, se puede calcular mediante la comparación de dos tonos puros muy cercanos en frecuencia.

DISEÑO DE LNA CON MMIC


En referencia al NÚMERO DE COMPONENTES


Reducción del Número de Componentes

La reducción del número de componentes implica una reducción del tamaño del dispositivo permitiendo su implementación en aparatos de menor tamaño. Esto se traduce en una mayor compactibilidad y portabilidad de los componentes para dispositivos móviles.

Junto a esto, tenemos que tener en cuenta que las dimensiones reducidas favorecen la fabricación en grandes cantidades. Debido a que es más sencillo diseñar menor número de componentes y fabricarlos.

Ilustración 7.- Componentes de un LNA

Conclusión

Hemos tratado de indicar unos pasos a tener en cuenta en todo diseño de LNA para facilitar su calculo, diseño y su posterior fabricación con las máximas prestaciones que nos podamos permitir. Por tanto, podemos resumir que para diseñar  un  LNA  debemos  basarnos  en  tres pasos   principales:   Elegir   el   LNA   que   nos marcará todo el diseño posterior, estudiar los parámetros básicos que regirán el LNA, y los métodos de variación de características del LNA para   adaptarnos  a   los   diferentes  entornos donde desarrollará su actividad el amplificador.
 
Asignatura: CRF
Dujeiny J. Sánchez Q.

Extraido de:  javidecas.blogspot.es/img/LNA.pdf

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