Generalmente resulta todo un desafío trabajar con señales RF en sus circuitos físicos. Son inherentemente señales de alta frecuencia (GHz y más), generalmente en bajos niveles de tensión (nominalmente 1 V máximo, pero lo normal es mucho menos), acumulan rápidamente ruido adicional de diferentes orígenes y se sobrecargan fácilmente, además de no tener capacidad de unidades. Por lo tanto, resulta necesario usar un amplificador de RF (conocidos como "amp", pero que no se debe confundir con corriente y amperes) para modificarlas e incrementarlas.
Existen tres funciones principales en los amplificadores RF (Imagen 1).
Imagen 1: este sencillo símbolo esquemático estándar de un amplificador no muestra la amplia variedad de usos, aplicaciones, funciones o roles que el amplificador debe respaldar, aún cuando no ofrece procesamiento de señales ni cambios en la forma de la señal (no se muestran las conexiones de suministro y de tierra).
1) Ganancia: necesaria cuando la amplitud de las señales RF son minúsculas y demasiado bajas como para ser útiles en otras partes en el circuito, por lo que se deben aumentar para que la SNR (relación entre señal y ruido) general no se deteriore a medida que la señal pasa a través del resto del circuito, o si la amplitud debe coincidir con el rango de entrada de un componente como un convertidor A/D. Muchas señales RF, como las de una antena, no están en el rango de microvoltios (μV) o milivoltios (mV), mientras que los circuitos de procesamiento de señales trabajan más eficientemente con señales que poseen un valor típico entre 1 y 10 V (según el diseño). Un amplificador de ganancia se centra en una sola cosa: aumentar el nivel de la señal mientras añade la mínima cantidad de ruido o distorsión. Los amplificadores de ganancia diseñados para su uso con señales de nivel extremadamente bajo, como los de una antena, generalmente se llaman amplificadores de bajo ruido (LNA). Algunos amplificadores RF ofrecen un valor único de ganancia fija, mientras que otros permiten que el usuario seleccione entre valores de ganancia fija (como ×10 y ×100, o ×2, ×4, ×8, ×16) mediante un puente o resistor externo. Otro tipo de amplificador RF, llamado amplificador de ganancia variable (VGA), permite que los usuarios establezcan y cambien la ganancia según sus necesidades dentro de un rango amplio, mediante el uso de un resistor físico externo, un resistor programable digitalmente o una tensión de control analógica (generalmente entre 0 y 1 V).
2) Búfer: necesario cuando una función o señal del circuito debe mantener su forma y amplitud incluso si la carga cambia, o si se debe conectar a una carga mayor a lo que puede aceptar normalmente (impedancia menor, o reactiva). Por ejemplo, una señal amplificada de ±1-V desde una salida LNA de antena puede necesitar conectarse a otra etapa que tiene cierta inductancia. El amplificador búfer garantiza que la presencia de esta inductancia no afecte la fidelidad de la señal de ±1-V o que induzca distorsión. También se puede usar un amplificador RF búfer para hacer coincidir (mediante una conjugación compleja) la impedancia de salida del circuito que suministra la señal con la impedancia de entrada de su circuito de carga para maximizar la transferencia de energía. Además del rango de frecuencia, una especificación crítica para los búfers es el rango de cargas resistivas y reactivas que puede conducir sin distorsionar la señal.
3) Controlador: el principal objetivo del amplificador RF controlador es suministrar y absorber la cantidad necesaria de corriente en la frecuencia de operación para impulsar una carga de baja impedancia como un cable coaxial de 50 o 75 Ω. Los controladores RF también se pueden considerar como amplificadores de energía RF, cuando su función consiste en suministrar un aumento de energía (corriente o tensión) para impulsar una carga, como la de una antena. La tasa de tensión (dI/dt) y la capacidad de absorción/fuente deben ofrecer la corriente alta necesaria en las frecuencias de funcionamiento de estos amplificadores RF, más allá de las capacidades de un amplificador búfer RF de propósito general.
Algunos controladores ofrecen ganancia, mientras que otros poseen una ganancia de unidad fija. Además, estos controladores generalmente se conectan con cables "fuera de la caja" e interfaces manipuladas por los usuarios, por lo que están diseñados para resistir cortocircuitos a tierra y pistas de alimentación de CC (ya sean debido a errores del usuario o fallas de conexión). Los parámetros clave de estos controladores son sus clasificaciones de origen/absorción al igual que sus clasificaciones contra cortocircuitos y otros problemas de conexión para duración y tensión aplicada.
Ejemplos que muestran la densidad del amplificador RF
Observe que algunos amplificadores RF combinan más de una función básica en un solo dispositivo. Por ejemplo, es posible encontrar un búfer que también posee ganancia. En algunos casos, estos son opciones atractivas en la lista de materiales (BOM); en otros casos, los circuitos necesitan especificaciones de rendimiento que solo cumplen amplificadores RF de función única y dedicada que no poseen las ventajas y desventajas inherentes y, algunas veces inevitables, de los dispositivos multifunciones.
Un buen ejemplo de un amplificador RF de bajo ruido es el BGM781N11 de Infineon Technologies AG, el cual está optimizado para el rendimiento a 1575,42 MHz, para productos de GPS y de navegación satelital Galileo (Imagen 2). En esta aplicación, la intensidad de la señal RF es extremadamente baja, por lo que un LNA básico debe proporcionar ganancia con muy poco ruido. Para el BGM781N11, la ganancia es de 18,6 dB mientras que el valor de ruido es de 1,7 dB; la eliminación fuera de banda de las bandas celulares adyacentes es de 80 dBc. El dispositivo, en un diminuto paquete TSNP-11-2 libre de plomo, requiere apenas 3,3 mA de una fuente de 1,5 V a 3,6 V, incluye filtros de banda estrecha para minimizar el ruido fuera de banda y está diseñado para coincidir internamente en entrada y salida con 50 Ω de impulso y carga, respectivamente.
Imagen 2: el amplificador RF de bajo ruido Infineon BGM781N11 está especialmente diseñado para incrementar las señales débiles de la antena de un receptor GPS o de navegación satelital Galileo; no solo brinda ganancia con bajo ruido, sino que también incluye filtros de banda de paso para eliminar señales en ambos lados del transportador de 1575,42 MHz. (Fuente: Infineon Technologies)
El LTC6431-20 de Linear Technology Corp. es un búfer básico con alta linealidad que se extiende a frecuencias más allá de 1 GHz, junto con brindar bajo ruido y una baja disipación de potencia (Imagen 3). Como el dispositivo Infineon, coincide internamente para interfaces 50-Ω de entrada y salida desde 20 MHz hasta 1,5 GHz, lo que facilita el desafío de interconexión en diseños de banda ancha.
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Puede ofrecer hasta 20 dB de ganancia y se utiliza principalmente como un búfer en las etapas IF de la cadena RF. El valor de ruido para este IC es de 2,6 dB a 240 MHz, con ruido de entrada total de 0,6 nV/√Hz. El búfer de extremo único extrae apenas 93 mA desde una fuente única de 5 V.
Imagen 3: el LTC6431-20 de Linear Technology Corp. funciona por sobre 1 GHz y brinda una ganancia de +20 dB; como búfer entre etapas, generalmente trabaja con 50-Ω de origen y 50-Ω de carga, por lo que está diseñado para que coincida con esas impedancias. (Fuente: Linear Technology)
Un amplificador controlador RF representativo es el MGA-30489 de Avago Technologies, un dispositivo lineal de 0,25-W en un paquete plástico estándar SOT-89 diseñado para funcionar entre 250 MHz y 3 GHz (Imagen 4). Se puede hacer coincidir fácilmente con la impedancia de la infraestructura inalámbrica estándar de 50-Ω utilizada en aplicaciones de tecnologías inalámbricas celulares/PCS/W-CDMA/WLL y de próxima generación con el fin de alcanzar una potencia y linealidad máxima en la banda. Funciona con un suministro de 5 V, requiere 97 mA (típico) y presenta un valor de ruido de 3 dB y una ganancia fija de 13,3 dB.
Imagen 4: el amplificador controlador RF MGA-30489 de Avago Technologies puede entregar una potencia RF de hasta 0,25 W desde 250 MHz a 3 GHz y resulta ideal para cables coaxiales y antenas. (Fuente: Avago Technologies)
El sencillo término "amplificador RF" realmente reúne una amplia variedad de funciones de amplificadores en el espectro RF, desde rangos de algunos MHz hasta varios GHz. Aunque el amplificador RF no cambia la forma de la señal ni realiza ningún procesamiento de señal analógica, sí desempeña papeles fundamentales y diferentes en cada etapa de la cadena de la señal. Entre estas funciones está la amplificación básica tipificada por el LNA o la igualación de señal de la extensión de cobertura; funciona como búfer para señales RF para que cada etapa de la cadena de la señal funcione de forma independiente de la etapa anterior y de la posterior y brinda la energía de la señal necesaria para impulsar las cargas de baja impedancia o no resistivas a altas velocidades con mínima distorsión.
Algunos parámetros de los amplificadores RF son comunes entre todas estas aplicaciones (y otras), pero también existen parámetros que son más importantes en las funciones de algunos amplificadores RF más que en otros. Además, existen amplificadores RF que combinan dos o más funciones de amplificación básicas, pero los dispositivos de función única siguen siendo populares porque pueden ofrecer un mejor rendimiento.