Frecuencias elevadas: concepto de resistencia negativa

OSCILADORES
Frecuencias elevadas: concepto de resistencia negativa.
Especificaciones de un oscilador: ruido, tamaño, coste, rendimiento...
Dispositivos de resistencia negativa:
2 terminales y 3 terminales con realimentación.
Resistencia negativa: función no lineal de la corriente r.f.
Osciladores con transistores. Técnicas de realimentación.
Polarización
DC
Potencia AC
Zr Zt
Circuito
resonante
Bipolar (Si)
o
FET (GaAs)
R
Red de
realimentación
• Métodos de realimentación para R negativa:
- realimentación inductiva en base común (BJT)
- realimentación capacitiva en fuente común (FETs de GaAs)
- red reactiva para maximizar la resistencia negativa.
• Tipos de osciladores de microondas
- frecuencia fija: DRO
- frecuencia variable: VTO, YTO
Formalismo a altas frecuencias:
5.1
Condiciones de oscilación y estabilidad
Representación de un oscilador
Partes de un oscilador: elemento resistencia negativa
circuito resonante
carga
Condiciones oscilación:
Ejemplo:
en pequeña señal:
5.2
Amplificadores de resistencia negativa
Elemento empleado: redes de una puerta con parte real negativa.
Amplificadores de reflexión:
Potencia reflejada en la impedancia Z:
Separación
de
potencia
incidente
y
reflejada mediante circulador:
Amplificadores de transmisión
Circuito equivalente (resistancia pura): -RN=-R+r, -GN=-G+g
Función:
Circuito externo: inductancia de
sintonía serie o paralelo para
resonancia a la frecuencia de
trabajo.
5.3
DIODO TÚNEL
Asociado al mecanismo túnel
Tiempo túnel muy corto => útil en ondas milimétricas
(aplicaciones en microondas de baja potencia: oscilador local...)
Coeficiente de transmisión:
• Análisis de barrera de potencial unidimensional
- Caso clásico (E<qVo): reflexión total
- Caso cuántico: probabilidad finita
de transmisión
Por continuidad de ψ y dψ/dx en x=0 y x=d => c. de transmisión:
Coeficiente finito => d pequeña, qVo baja, mn baja
5.4
Características I-V
• Diodo túnel: diodo con regiones p y n degeneradas;
d 50 Å; Vn, Vp=50-100 mV
• Componentes de la corriente: túnel y térmica.
• Corriente túnel: existencia de estados vacíos enfrente de estados llenos y
distancia túnel pequeña.
5.5
Respuesta en frecuencia:
• no hay almacenamiento de minoritarios;
• tiempo túnel típico 1 ps (1000 GHz);
• las impedancias parásitas y el empaquetamiento reducen su aplicación a
cientos de GHz.
Potencia disponible:
• limitada por la tensión directa del dispositivo (0.6-0.9 V).
Eficiencia dc->RF 10%.
Figuras de ruido muy bajas.
Aplicaciones
• de bajo ruido (receptores de microondas y milimétricas)
• osciladores o amplificadores de baja potencia.
• detectores o mezcladores:
- aprovechando la fuerte pendiente (dI/d) en origen, I<100µA
- diseño específico: diodo inverso (se acentúa la asimetría en origen)
Solo una región es degenerada
5.6
DIODO IMPATT (Impact ionization avalanche transit time)
• Produce resistencias negativas en rango de microondas basado en propiedades
de ionización por impacto y tiempo de tránsito.
• Es una de las mejores fuentes de potencia de estado sólido.
• Inconveniente: ruido proveniente del proceso de avalancha.
Estructuras:
• unión pn: generación de pares en zona de alto campo. Los e- son barridos
rápidamente hacia la zona n; los huecos por deriva hacia la p, el tiempo
empleado=tiempo de tránsito
• Diodo Read (n+-p-π-p+): 1) región de avalancha (o<x<b) 2) región de deriva
b<x<b+W
• Estructura lo-hi-lo: grupo de carga Q en x=b mediante técnicas epitaxiales (MBE)
Como la región de alto campo es cte se necesita un valor de campo crítico menor
=> calentamiento menor
5.8
Características dinámicas:
Superposición dc + ac
b) Se supera campo crítico => aparecen huecos en zona de avalancha
c) Siguen apareciendo huecos mientras E>Ec (desfase π/2)
d) Deriva de huecos hacia el contacto P+ => corriente de huecos desfasada en π
respecto la tensión ac.
Tiempo de tránsito = mitad del período de oscilación
vs= velocidad de saturación (=107 cm/s, Si, 300K), (E>8 104V/cm)
• Rendimiento de la conversión dc->ac
(P,f,η) reales:
(10W, 10GHz, 30%),
(0.5W, 100GHz, 10%),
(5 mW, 300GHz, 0.1%)
5.9
DIODO GUNN (Transferred electron device, TED)
• Aprovecha las propiedades del material que lo constituye (GaAs, InP):
1) e- en valle inferior: µn alta mn* baja respecto a valles secundarios,
2) ∆E<EG para que no se dé avalancha,
3) ∆E>KT
N-GaAs
N-InP
ET
3.2 KV/cm
10.5 KV/cm
Vp
2.2 107 cm/s
2.5 107 cm/s
(dV/dE)max
-2400 cm2/V s
-2000 cm2/V s
• Aplicaciones: en cavidad resonante o circuito RF como osciladores y
amplificadores (fuentes comerciales entre 60-100GHz: TEDs de InP)
• Potencia
de
salida
(mW-W).
Rendimiento
moderado
(20%).
Buen
comportamiento en ruido y ancho de banda.
5.10
Análisis de la inestabilidad de estos materiales
Sea una fluctuación local de mayoritarios respecto al equilibrio (n-n0)
por separación de variables n(x,t)=n1(x)n2(t)
La respuesta temporal es de la forma
Si µ>0 τR = tiempo de relajación dieléctrica (cte. de tiempo de vuelta al equilibrio)
Si µ<0 τR = cte. de tiempo de crecimiento de la perturbación
σ=1Ω·cm ⇒ τR(Si, GaAs)≈10-12s.
5.11
Formación y deriva de dominios
Conductividad negativa: fluctuación aumenta.
• Sea un material homogéneo (ND=1014-1016cm-3, L=1µm-100µm)
• Variación en la concentración de electrones ⇒ formación de un dipolo
τR >0 : dipolo desaparece.
τR <0: dipolo crece ⇒campo en interior mayor
corriente interior menor (dipolo crece y se desplaza)
evolución de campos hasta igualar corrientes:
deriva hasta ánodo ⇒ aparición de pulso de corriente.
• El dominio debe tener tiempo de crecer: τt > τR
- utilidad como generadores de potencia de microondas.
• Si n0L<1012 cm -2:
- el dipolo desaparece en el cátodo antes de ser dominio
- distribución estable de campo al aplicar tensión.
- utilidad en amplificación
5.12
Modos de operación.
• Modo de dominios estable: pulsos cortos de corriente, pequeño rendimiento
Rendimientos mayores: en cavidad resonante de microondas.
• Modo de tiempo de tránsito: período oscilación=tiempo tránsito (τ=τt)
rendimiento ideal: 10%
• Modo inhibido o retardado: se recoge el pulso durante el semiciclo negativo
rendimiento del 20%
5.13
• Modo suprimido (quenched): para trabajar a frecuencias mayores (τ<τt)
se aniquila el dominio antes de llegar al ánodo.
• Modo acumulación de carga espacial limitada (LSA).
- No damos tiempo a formar dominio (τ<varias veces
τR- )
- Se deben eliminar los electrones cercanos al cátodo cuando la señal esta bajo el
umbral (τ>> τR+)
- electrones llegan al ánodo a través de muestra de conductividad negativa.
• Modo amplificación: n0L<1012 cm -2. No hay portadores suficientes para dominios.
5.14
FIGURAS DE MÉRITO
• Potencia de salida. Limitada por campo de ruptura por avalancha (Ec) y
velocidad de saturación (vs)
• Ruido (figura de ruido)
• Facilidad de fabricación.
- Mejor los de dos terminales que los
de tres. Los de dos van acompañados
de
circuladores
y
aisladores
(componentes voluminosos)
- Capacidades y resistencias parásitas
en los de tres limitan la frecuencia
máxima de operación por debajo de
región milimétrica.
- TED e IMPATT se utilizan en
milimétricas (potencia)
- Diodos túnel en aplicaciones de bajo
ruido y banda ancha
5.15
Condiciones de oscilación generalizadas:
• Red activa de dos puertos:
5.16
Parámetros S de tres puertos.
• Transformación entre parámetros S de dos puertos y tres puertos:
5.17
ESTABILIDAD DE LOS OSCILADORES, CIRCUITOS RESONANTES
Resonadores dieléctricos (DR)
• Frecuencia de resonancia:
• Acoplamiento de un DR con microstrip
(configuración de circuito integrado)
5.18
- Circuito equivalente:
5.19
Coeficiente de acoplamiento a la frecuencia de resonancia:
- Se puede obtener a partir de medidas de coeficientes de reflexión.
- Lm2/Lr depende fuertemente de la distancia resonador microstrip.
- Relación factores de calidad: Qu=QL(1+β)=Qeβ
- Parámetros S de un DR acoplado a microstrip:
5.20
DISEÑO DE OSCILADORES DE FRECUENCIA FIJA
Determinación de Z3 [caso (a)]
Objetivo: S11T>1, S22T>1
Γ3: stub en abierto, Γ3=1
Plano S11T
Plano S22T
S 1 1 =0.73\-102 o ,S 2 2 =0.54\-49 o ,
S12=0.1\42o, S21=2.23\96o
5.21
Determinación de Γ1 que maximiza el coeficiente de reflexión Γd
• Circunferencias de Γd=cte
5.22
CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Y CONTROL
DIODO PIN
(Resistor controlado por corriente en RF, UHF, MW)
• Zona intrínseca: E=cte.
• d grande => tensión de ruptura elevada
(rectificadores de potencia),
Cj=εsA/d =cte y pequeña (uso en microondas)
Modo de operación:
- Inversa: no hay corriente => Modelo: CT//Rp
- Directa:
inyección de portadores en zona intrínseca.
Recombinación con tiempo característico τ.
Para t<τ carga neta en región intrínseca (disminución de
resistencia efectiva) . Ri α 1/I
- Tiempos característicos: tiempo de vida media τ, tiempo de tránsito τt
- Baja frecuencia f<<fT: diodo normal
- Alta frecuencia f>fT: comportamiento diferente de la conductividad.
Estado estacionario: carga recombinada = carga inyectada por corriente dc:
Conductividad a altas frecuencias:
Modelo:
5.23
Aplicaciones como conmutador y atenuador variable a altas frecuencias
Conmutación:
Atenuación:
Atenuador reflexivo (no adaptado)
Atenuador adaptado
5.24
Conmutación:
- tr: desaparición de carga móvil de
zona i
- tt: aniquilación de zona de carga
espacial; RCj muy pequeño, límite
velocidad de deriva.
- Uso para producir flancos e
subida
bruscos,
multiplicador
de
como
frecuencia
(entrada senoidal -> salida con
picos =>rico en armónicos)
- Diodo step-recovery: d=0.5-5
µm, E=2
104 V/cm, v=107 cm/s =>
retardo=10ps/µm
DIODO DE CONTACTO PUNTUAL
• 1os detectores y mezcladores; punta metálica sobre semiconductor; pequeña
capacidad.
• Diodo Schottky: menor ruido y resistencia serie, más potencia, frecuencia de
aplicación menor.
5.25
APÉNDICE: ESTABILIDAD DE LOS OSCILADORES, CIRCUITOS RESONANTES
Para conseguir que un oscilador sea estable es necesario una red de
sintonización de muy alta Q.
La Q de un circuito resonante fabricado con elementos localizados o con
microstrip y stubs llega a pocas centenas.
La Q de cavidades resonantes puede tener valores Qs>104, pero no son
adecuadas para integrarlas en circuitos. Otra desventaja es su desviación de la
frecuencia de resonancia debido a variaciones de dimensiones (provocadas por
cambios de temperatura).
Con cavidades resonantes dieléctricas se evitan estos problemas:
- Qs de varios miles.
- Compacto y fácil de integrar
- Fabricados a partir de materiales cerámicos (buena estabilidad con la
temperatura)
El dieléctrico, con su alta constante dieléctrica, puede atrapar a los campos
dentro de la cavidad. Sin embargo no están completamente confiandos dentro del
dieléctrico. Esto nos va a permitir el acoplamiento con líneas microstrip. La
intensidad del acoplamiento viene determinada por su separación d. Como el
acoplamiento se realiza a través del campo magnético, el circuito resonante
aparece como una impedancia serie en la línea microstrip. Dicha impedancia
presenta la forma de un circuito RLC por lo que se pueden calcular los elementos
equivalentes como si de una red RLC se tratase.
La frecuencia de resonancia está directamente relacionada con las dimensiones
de la cavidad. Es decir, las dimensiones determinan las frecuencias de las ondas
estacionarias permitidas en dicha cavidad
5.26
Disponibilidad de potencia en distintas tecnologías. Gráfica sacada de 1.
Es prácticamente igual que la sacada
de Sze .
Pout (dBm)
30
G
Dentro de los dispositivos de estado
sólido, los diodos (IMPATT y Gunn)
F
10
frecuencias. Los diodos túnel también
0
los
que
alcanzan
F
B
B=bipolar
F=FET
G=Gunn
I=IMPATT
-10
pero
han
sido
reemplazados por los transistores de
tres
terminales
por
su
F
F
son capaces de generar señales en
microondas
GI
F
mayores
son
G
20
1
G
B
10
100
1000 Ghz
mejor
comportamiento en RF y ruido, además de ser más fáciles de usar en aplicaciones
de sistemas.
Los transistores bipolares de silicio se usan en la mayoría de los osciladores de
bajo ruido a frecuencias menores de 5GHz. Los HBTs han ampliado el rango
bipolar hasta 100GHz.
MESFET y HEMT son los elementos de tres terminales más usados por encima de
5GHz. Tienen menos ganancia que los bipolares a bajas frecuencias pero
alcanzan una fT mayor. Dentro de estos dos el HEMT tiene la mayor fT por su
mayor movilidad y mejor control y confinamiento del canal.
1
M. Golio "The RF and Microwave handbook" CRC Press 2001
5.27