¿Cuáles son las configuraciones de un transistor FET?

Al diseñar circuitos que utilizan transistores de efecto de campo, existen varias configuraciones de circuitos y, de hecho, éstas reflejan aquellas utilizadas con transistores bipolares y los antiguos tubos de vacío/válvulas termoiónicas.

Las configuraciones de circuitos FET son los formatos de fuente común, compuerta común y drenaje común. Cada uno tiene sus propias características de ganancia de voltaje y corriente, así como impedancia de entrada y salida. La elección de la configuración o topología del circuito FET es uno de los parámetros de diseño clave en los que se basa el diseño general del circuito

Conceptos básicos de configuración de FET

La terminología utilizada para designar las tres configuraciones básicas de FET indica el electrodo de FET que es común a los circuitos de entrada y salida. Esto da lugar a los tres términos: compuerta común, drenaje común y fuente común.

Hay tres configuraciones diferentes, cada una con características diferentes. Las veremos por turno: fuente común, drenaje común, compuerta común:

Ø  Fuente común

Esta configuración de FET es probablemente la más utilizada. El circuito de fuente común proporciona niveles de impedancia de entrada y salida medios. Tanto la ganancia de corriente como la de voltaje pueden describirse como medias, pero la salida es la inversa de la entrada, es decir, un cambio de fase de 180°. Esto proporciona un buen rendimiento general y, como tal, a menudo se considera la configuración más utilizada. 

Circuito amplificador de fuente común típico

El circuito a continuación muestra un amplificador de fuente común típico con los capacitores de polarización, acoplamiento y derivación incluidos.

La señal de entrada ingresa a través de C1. Este capacitor garantiza que la compuerta no se vea afectada por ningún voltaje de CC proveniente de las etapas anteriores. La resistencia R1 mantiene la compuerta en el potencial de tierra, su valor podría ser típicamente de alrededor de 1 MΩ. La resistencia R2 desarrolla un voltaje a través de ella que mantiene la fuente por encima del potencial de tierra. C2 actúa como un capacitor de derivación para proporcionar ganancia adicional en CA. La resistencia R3 desarrolla el voltaje de salida a través de ella, y C3 acopla la CA a la siguiente etapa mientras bloquea la CC.

Ø  Drenaje común

Esta configuración de FET también se conoce como seguidor de fuente. La razón es que el voltaje de la fuente sigue al de la compuerta. Al ofrecer una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, se utiliza ampliamente como buffer. La ganancia de voltaje es la unidad, aunque la ganancia de corriente es alta. Las señales de entrada y salida están en fase.

Circuito de seguimiento/búfer de fuente

La implementación típica del circuito seguidor/buffer de fuente o drenaje común es muy fácil de realizar de manera práctica.

El circuito que se muestra a continuación ofrece un ejemplo típico de un circuito de seguimiento/búfer de fuente FET. Los condensadores C1 y C2 se utilizan para acoplar la señal de CA entre etapas y bloquear los elementos de CC. La resistencia R1 proporciona la polarización de la compuerta, manteniendo la compuerta en potencial de tierra. El circuito de fuente muestra la resistencia R2 a tierra: su valor está determinado por la corriente de canal que se requiere.

El circuito seguidor de fuente presenta una impedancia muy alta respecto a la etapa precedente y es por esta razón que el seguidor de fuente es un formato ideal para usar como buffer.

Ø  Puerta común

Esta configuración de transistor proporciona una impedancia de entrada baja al tiempo que ofrece una impedancia de salida alta.

Aunque el voltaje es alto, la ganancia de corriente es baja y la ganancia de potencia general también es baja en comparación con otras configuraciones de circuitos FET disponibles.

La otra característica destacada de esta configuración es que la entrada y la salida están en fase.

Aplicaciones de puerta común FET

El circuito de compuerta común del FET no se utiliza tanto como otras configuraciones de FET, ya que suele ofrecer muy pocas ventajas sobre otras configuraciones. Hay algunas áreas en las que resulta muy útil.

Amplificadores de RF :   La configuración de circuito de compuerta común o compuerta conectada a tierra se utiliza para amplificadores de RF VHF y UHF donde la baja impedancia de entrada permite una adaptación precisa a la impedancia del alimentador, que normalmente es de 50 Ω o 75 Ω. La configuración también mejora la estabilidad, que es un tema clave. La compuerta, al estar conectada a tierra, proporciona aislamiento entre la entrada y la salida, lo que reduce considerablemente la posibilidad de retroalimentación.

Amplificadores de micrófono:   La configuración del circuito de compuerta común se utiliza en amplificadores que requieren niveles bajos de impedancia de entrada. Una aplicación es para preamplificadores de micrófonos de bobina móvil: estos micrófonos tienen niveles de impedancia muy bajos.

Tabla resumen de configuración del circuito FET

Es importante comprender las características clave de cada configuración, ya que estas permiten seleccionar la configuración correcta para el diseño de circuito particular. La siguiente tabla ofrece un resumen de las principales propiedades de las diferentes configuraciones de circuitos FET.

Tabla de resumen de configuración de FET
Configuración de FET	Puerta común	Drenaje común (Seguidor de la fuente)	Fuente común
Ganancia de voltaje	Alto	Bajo	Medio
Ganancia de corriente	Bajo	Alto	Medio
Ganancia de potencia	Bajo	Medio	Alto
Resistencia de entrada	Bajo	Alto	Medio
Resistencia de salida	Alto	Bajo	Medio
Relación de fase de entrada/salida	0°	0°	180°

Como se puede observar, las diferentes configuraciones o topologías tienen características diferentes. La fuente común es la configuración de circuito FET más utilizada y equivale al amplificador de transistor de emisor común. El seguidor de fuente o drenaje común del FET se utiliza como amplificador buffer y equivale al amplificador de emisor común de transistor.

  

¿Cómo obtener una señal de corriente de 4-20mA de un ESP32?

Supongamos que tienes un sistema de control de velocidad de un motor hidráulico. La señal de control de 4-20 mA, generada por un controlador, se envía a la válvula proporcional. Si el controlador envía una señal de 4 mA, la válvula está casi cerrada, permitiendo solo un flujo mínimo de fluido y, por lo tanto, una velocidad baja del motor. Si la señal es de 20 mA, la válvula está completamente abierta, permitiendo el flujo máximo y una velocidad alta del motor. Las señales intermedias ajustan la posición de la válvula proporcionalmente, permitiendo un control preciso de la velocidad del motor. Existen muchos dispositivos que realizan esta función, pero su costo es alto. Aquí te voy a mostrar un circuito muy sencillo que permitirá controlar este tipo de válvulas con dispositivos de bajo costo.

El circuito de la figura constituye un bucle de corriente que permite controlar desde un  ESP32 la apertura de una válvula proporcional, en especifico desde el pin del convertidor digital a análogo (DAC), el cual se encuentra en el pin 9 (GPIO25) o el pin 10 (GPIO26), como se muestra en el diagrama de pines del ESP32. Como la salida máxima de este dispositivo son 3V, se puede controlar este voltaje desde los 0V que corresponderían a 4mA hasta los 3V que correspondería a 20 mA.

El transistor Q2 controla la corriente de origen en el terminal I-OUT. Este a su vez está controlado por el transistor Q1, que a su vez está controlada por la amplificador operacional . Este amplificador operacional ajusta la corriente a través de Q2 a lo que sea necesario para que el voltaje V0 aparezca a través de R3, la resistencia R1 retroalimenta los valores de salida, que se miden en el terminal I-IN, para mantener la corriente a un valor fijo cuando se conecte la carga, eso regula la actual a R3.

Las diversas resistencias alrededor de Q1 y Q2 son para proporcionar un rango de ajuste de voltaje razonablemente lineal e independiente de las ganancias de Q1 y Q1. C1 añade estabilidad.

Entre los terminales I-OUT e I-IN, estarían conectados los terminales del motor que controla la apertura de la válvula. En la siguiente figura se modela la carga con una resistencia, con una resistencia de 800 Ohmios, debido a que la norma internacional ISA-50 especifica 3 clases L, H y U con U siendo el más genérico y especifica que el bucle de corriente necesita ser capaz de obtener 20mA en hasta 800 ohmios con tensión de alimentación de hasta 32,7V. Otros estándares (NAMUR NE 43) tendrán valores ligeramente diferentes. En la simulación la circuitería análoga (transistores y opam) se alimenta con una fuente análoga de 24V, que es la más comúnmente usada para alimentar el motor de la válvula proporcional.

Este circuito también se puede utilizar con tarjetas Arduino, como se muestra en la siguiente figura, las cuales no tienen convertidor análogo a digital, pero utilizando las salidas PWM y un filtro pasabajos RC se puede obtener un voltaje análogo que depende del ciclo ON de la señal PWM. El valor de R y C del filtro depende de la frecuencia de la señal PWM generada, generalmente con una frecuencia de corte mínimo de 50 veces por debajo de la frecuencia configurada en el PWM. Si se usa un Arduino tener en cuenta que el voltaje del PWM debe tener un máximo de 3V, debido a que en el caso de estos dispositivos el voltaje pude ser máximo de 5V.

 

¿Por qué y dónde se utilizan bucles de corriente de 4-20 mA?

Transmitir la salida de un sensor como voltaje a largas distancias tiene varios inconvenientes. A menos que se utilicen dispositivos de muy alta impedancia de entrada, la transmisión de voltajes a largas distancias produce voltajes correspondientemente más bajos en el extremo receptor debido al cableado y las resistencias de interconexión. Sin embargo, los instrumentos de alta impedancia pueden ser sensibles a la captación de ruido, ya que los largos cables que transportan señales a menudo pasan muy cerca de otros cables del sistema eléctricamente ruidosos. Se pueden utilizar cables blindados para minimizar la captación de ruido, pero su alto costo puede resultar prohibitivo cuando se trata de distancias largas.

Enviar una corriente a largas distancias produce pérdidas de voltaje proporcionales a la longitud del cableado. Sin embargo, estas pérdidas de voltaje, también conocidas como “caídas de bucle”, no reducen la corriente de 4-20 mA siempre que el transmisor y el suministro de bucle puedan compensar estas caídas. La magnitud de la corriente en el circuito no se ve afectada por las caídas de voltaje en el cableado del sistema, ya que toda la corriente (es decir, electrones) que se origina en el terminal negativo (-) de la fuente de alimentación del circuito tiene que regresar a su terminal positivo (+).

El bucle de corriente de 4-20 mA que se muestra en la figura es un método común para transmitir información de sensores en muchas aplicaciones de monitoreo de procesos  industriales. Un sensor es un dispositivo utilizado para medir parámetros físicos como temperatura, presión, velocidad, caudales de líquido, etc. La transmisión de información del sensor a través de un bucle de corriente es particularmente útil cuando la información debe enviarse a una ubicación remota a largas distancias ( 300 metros o más). La operación del bucle es sencilla: el voltaje de salida de un sensor se convierte primero en una corriente proporcional, donde 4 mA normalmente representan la salida de nivel cero del sensor y 20 mA representan la salida de escala completa del sensor. Luego, un receptor en el extremo remoto convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que a su vez puede ser procesado por una computadora, un microcontrolador o un módulo de visualización.

 Componentes de un bucle de corriente

 Un circuito típico de bucle de corriente de 4-20 mA se compone de cuatro elementos individuales: un sensor/transductor; un convertidor de tensión a corriente (comúnmente denominado transmisor y/o acondicionador de señal); una fuente de alimentación de bucle; y un receptor/monitor. En aplicaciones alimentadas por bucle, los cuatro elementos están conectados en una configuración de circuito cerrado en serie Los sensores proporcionan un voltaje de salida cuyo valor representa el parámetro físico que se está midiendo. (Por ejemplo, un termopar es un tipo de sensor que proporciona un voltaje de salida de muy bajo nivel que es proporcional a su temperatura ambiente). El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor y luego convierte este voltaje a un voltaje proporcional de 4-20 mA de corriente continua que circula dentro del circuito cerrado en serie. El receptor/monitor, normalmente una subsección de un medidor de panel o sistema de adquisición de datos convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que puede procesarse y/o mostrarse posteriormente.

La fuente de alimentación del bucle generalmente proporciona toda la energía operativa al transmisor y al receptor, y a cualquier otro componente del bucle que requiera un voltaje de CC bien regulado. En aplicaciones alimentadas por bucle, los elementos internos de la fuente de alimentación también proporcionan un camino para cerrar el bucle en serie. +24 V sigue siendo el voltaje de fuente de alimentación más utilizado en aplicaciones de monitoreo de procesos de 4-20 mA.

Debido a que los cables de cobre exhiben una resistencia de CC (efecto de la resistencia en el cableado) directamente proporcional a su longitud y calibre (diámetro), las aplicaciones en las que dos o más dispositivos de monitoreo de bucle están conectados a distancias de cableado bidireccionales muy largas (300 a 600 metros) normalmente usan suministros de +24 V porque muchos transmisores requieren un suministro mínimo de 8 V para un funcionamiento adecuado. Cuando este mínimo de 8 voltios se suma a los típicos 3 a 4 voltios que cae cada monitor de proceso y los 2 a 4 voltios que caen en el cableado y las interconexiones del sistema, el voltaje de suministro mínimo requerido puede exceder fácilmente los 16 V.

La caída de voltaje desarrollada a lo largo de una determinada longitud de cable se encuentra multiplicando la resistencia total del cable por la corriente que lo atraviesa. La resistencia total del cable se encuentra buscando su resistencia (generalmente expresada en ohmios por 1000 pies) en una tabla de especificaciones 

¿Qué es la resonancia de antena?

Las antenas de radio tienen un ancho de banda sobre el cual pueden funcionar eficazmente; Incluso antenas de banda ancha. Muchas antenas funcionan en modo resonante y esto les da un ancho de banda relativamente estrecho sobre el cual pueden proporcionar un rendimiento excelente.

Una antena es una forma de circuito sintonizado que consta de inductancia y capacitancia y, como resultado, tiene una frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia se produce en el punto donde las reactancias capacitiva e inductiva se cancelan entre sí. En este punto la antena parece puramente resistiva, siendo la resistencia una combinación de la resistencia a las pérdidas y la resistencia a la radiación.

La capacitancia y la inductancia de una antena de RF están determinadas por sus propiedades físicas y el entorno donde se encuentra la antena. La característica principal del diseño de la antena son sus dimensiones. Se ha descubierto que cuanto más grande es la antena o, más estrictamente, los elementos de la antena, menor es la frecuencia de resonancia.

Por ejemplo, las antenas para televisión terrestre UHF tienen elementos relativamente pequeños, mientras que las de transmisión de sonido FM en VHF tienen elementos más grandes que indican una frecuencia más baja. Las antenas para aplicaciones de onda corta son aún más grandes.

 

Ancho de banda de impedancia

La característica de impedancia de la antena y el ancho de banda son particularmente importantes cuando se trata de transmisores de radio. Si la impedancia varía de manera que se obtiene una mala coincidencia de impedancia entre el alimentador y la antena misma, esto dará como resultado un alto nivel de potencia que se reflejará desde la antena hacia el transmisor.

La potencia se refleja y genera ondas estacionarias cuando las impedancias del alimentador y de la carga no coinciden. La potencia se refleja cuando las impedancias del alimentador y de la carga no coinciden. Si el nivel de potencia reflejada es alto, esto puede causar daños en la etapa de salida del transmisor si no hay protección. Puede destruir totalmente los dispositivos de salida si el nivel de VSWR es tan alto que el voltaje pico supera la capacidad de los dispositivos.

En vista de este riesgo significativo, la mayoría de los transmisores emplean circuitos de protección. Esto reduce la potencia de salida del transmisor en presencia de un alto nivel de VSWR, de modo que la potencia reflejada no sea tan alta como para causar daños. El resultado es que operar un transmisor con un alto nivel de potencia reflejada puede reducir la potencia del transmisor y, por lo tanto, su eficacia. También pueden surgir otros problemas.

Para fines de recepción, el rendimiento de la antena es menos crítico en algunos aspectos. Puede funcionar fuera de su ancho de banda normal sin temor a dañar el equipo. Incluso una longitud aleatoria de cable captará señales y es posible recibir varias estaciones distantes. Sin embargo, para obtener la mejor recepción, es necesario garantizar que el rendimiento del diseño de la antena de RF sea óptimo.

En términos del funcionamiento de la antena y su especificación para el ancho de banda de impedancia, una forma de especificar esto es trazar la relación de ondas estacionarias. El ancho de banda para el cual se obtiene una ROE o ROE variable aceptable se considera entonces como el ancho de banda operativo.

Normalmente, el ancho de banda operativo puede ser un ancho de banda entre el cual el VSWR máximo sea menor que 2:1, o cualquier otro límite elegido.  Para aumentar el ancho de banda de una antena se pueden tomar varias medidas. Una de ellas es el uso de conductores más gruesos. Otra es el tipo de antena que se utilice. Por ejemplo, un dipolo plegado tiene un ancho de banda mayor que uno no plegado. De hecho, si observamos una antena de televisión estándar, es posible ver que ambas características están incluidas.

También es posible utilizar diseños de antena de banda ancha, como antenas disconoidales o antenas logarítmicas periódicas. Ambos tipos de antenas son de banda ancha y funcionan en un ancho de banda amplio. Sin embargo, los tipos de antena de banda ancha pueden no satisfacer los requisitos del sistema de radio que se esté utilizando y, por lo tanto, puede ser necesario considerar el ancho de banda en términos de otros factores.

 

Patrón de radiación y ancho de banda de ganancia

Otra característica de una antena que cambia con la frecuencia es su diagrama de radiación. En el caso de una antena direccional o de haz, esto es especialmente notable.

A veces, los parámetros clave asociados con el rendimiento direccional de la antena pueden verse afectados por la frecuencia. En particular, la ganancia directa puede verse afectada negativamente en un ancho de banda determinado. Para antenas direccionales o de haz como la Yagi, el ancho de banda del patrón de radiación se define como el rango de frecuencia en el que la ganancia del lóbulo principal está a 1 dB de su máximo. Otro parámetro que se ve afectado es la relación de adelante hacia atrás. Se trata de la relación entre la señal en la dirección de avance y la señal en la dirección de retorno. Esto puede ser importante en algunas situaciones en las que la interferencia es un problema y es necesario minimizar la recepción de señales en la dirección de retorno.

La relación de frente a fondo caerá rápidamente fuera de un ancho de banda determinado, y lo mismo ocurrirá con la ganancia. En una antena como una Yagi, esto se debe a una reducción de las corrientes en los elementos parásitos a medida que la frecuencia de funcionamiento se aleja de la resonancia.

Para muchas antenas de haz, especialmente las de alta ganancia, se encontrará que el ancho de banda de impedancia es más amplio que el ancho de banda del patrón de radiación, aunque los dos parámetros están interrelacionados en muchos aspectos.

El ancho de banda de la antena es un aspecto clave para cualquier antena de radio. Si bien la mayoría de las antenas funcionan en modo resonante, muchas otras no lo hacen. Cualquiera que sea la antena de radio, tiene una banda limitada en la que puede funcionar de manera efectiva y dentro de los parámetros establecidos para ella.

Al comprender el ancho de banda de la antena, y también las razones de las especificaciones de ancho de banda para una antena en particular, ya sea VSWR, ganancia u otro factor, es posible elegir la antena para cumplir con sus requisitos operativos reales y obtener el mejor rendimiento para una situación determinada.

¿Cuál es el principio básico de un JFET?

Básicamente, un transistor de efecto de campo o FET consta de una sección de semiconductor cuya conductancia está controlada por un campo eléctrico. La sección de silicio a través de la cual fluye la corriente se llama canal y consta de un tipo de silicio, ya sea de tipo N o de tipo P.

Las conexiones en cada extremo del dispositivo se conocen como fuente y drenaje. El campo eléctrico para controlar la corriente se aplica a un tercer electrodo conocido como puerta. Como sólo el campo eléctrico controla la corriente que fluye en el canal, se dice que el dispositivo funciona con voltaje y tiene una alta impedancia de entrada, generalmente muchos megaohmios. 

Esto puede ser una clara ventaja sobre el transistor bipolar que funciona con corriente y tiene una impedancia de entrada mucho menor. El espesor de un área de agotamiento donde no hay portadores de carga varía de acuerdo con la magnitud de una polarización inversa en la unión.

En otras palabras, cuando hay una pequeña polarización inversa, la capa de agotamiento sólo se extiende un poco hacia el interior del canal y hay un área grande para conducir la corriente. Cuando se coloca una gran polarización negativa en la puerta, la capa de agotamiento aumenta, extendiéndose más hacia el interior del canal, reduciendo el área sobre la cual se puede conducir la corriente.

Con un sesgo creciente, la capa de agotamiento eventualmente aumentará hasta el punto de extenderse a lo largo del canal, y se dice que el canal está cortado. Cuando fluye una corriente por el canal, la situación se vuelve ligeramente diferente. Sin voltaje de compuerta, los electrones en el canal (suponiendo un canal de tipo n) serán atraídos por el potencial positivo en el drenaje y fluirán hacia él, permitiendo que fluya una corriente dentro del dispositivo y, por lo tanto, dentro del circuito externo.

La magnitud de la corriente depende de varios factores e incluye el área de la sección transversal del canal, su longitud y conductividad (es decir, el número de electrones libres en el material) y el voltaje aplicado.

Resistencia de montaje en superficial

Las resistencias discretas más comunes en la actualidad son las resistencias de montaje superficial de película gruesa, también conocidas como resistencias de chip por sus ordenados paquetes rectangulares, que carecen de conductores. Anualmente se producen miles de millones de resistencias de chip y se encuentran en todo tipo de productos electrónicos de consumo producidos en masa. 

Se trata de resistencias de montaje en superficie, diseñadas para soldar directamente a la superficie de una placa de circuito, a diferencia de soldar cables que pasan a través de orificios en la placa de circuito. Están construidos de forma muy parecida a las resistencias de los conjuntos de película gruesa, hasta el corte por láser.

¿Qué es una matriz de resistencias de película gruesa?

Muchos circuitos requieren múltiples resistencias idénticas. Por ejemplo, un bus de datos digitales o los pines de E/S de un microcontrolador podrían necesitar resistencias de terminación conectada en serie con cada línea de datos. 

Una matriz de resistencias elimina la necesidad de múltiples resistencias discretas ahorrando espacio en una tarjeta de circuito impreso. 

En la foto se muestra un conjunto de películas gruesas, llamados así por la tecnología de fabricación, que utiliza un material conductor y resistivo, colocado sobre un sustrato cerámico.

Se trata de un único conjunto de resistencias en línea, El componente de la foto tiene cuatro resistencias independientes. Después de instalar y soldar las terminales metálicas, un láser quema parte del material resistivo para ajustar cada resistencia individual a su especificación correcta.  Finalmente, la matriz se sumerge en una capa de epoxi para protegerla.

¿Cómo funciona una resistencia de potencia?

A medida que la corriente fluye a través de una resistencia, ésta convierte una cierta cantidad de energía eléctrica en calor. La mayoría de las resistencias de uso general tienen poca capacidad para disipar el calor, ya que no pueden soportar temperaturas elevadas. Esto limita la cantidad de energía que pueden manejar.

Las resistencias de potencia como ésta se fabrican sin materiales que limiten la temperatura, como soldadura o epoxi, lo que les permite manejar más potencia. Algunas fuentes de alimentación los utilizan para limitar el flujo de corriente que ocurre cuando los enchufas.

El elemento activo es un cable metálico resistivo enrollado alrededor de un núcleo aislante. El conjunto resistivo se coloca en una carcasa de cerámica resistente al calor y se rellena con lechada de cemento.

¿Qué es un analizador de redes vectoriales (VNA) y cómo funciona?

Los analizadores de redes de RF son elementos vitales de la instrumentación de prueba para los laboratorios de diseño de RF, así como para muchas áreas de fabricación y servicio. 

 

Los analizadores de redes de RF pueden proporcionar información vital sobre el funcionamiento y el rendimiento de redes de RF de todo tipo.El analizador de redes de RF proporciona un estímulo a la red y luego monitorea la respuesta. De esta manera, se puede ver y evaluar el funcionamiento y el rendimiento para determinar su idoneidad. Los analizadores de red de RF se pueden utilizar para todas las frecuencias de RF y microondas; algunos analizadores de red pueden funcionar bien en la región de microondas.

 

Tipos de analizadores de redes RF

Dentro del amplio espectro de analizadores de redes de RF, existen varios tipos de instrumentos que se pueden comprar y utilizar. Estos tipos de analizadores de redes de RF son muy diferentes, pero todos pueden medir los parámetros de los componentes y dispositivos de RF de diferentes maneras:

·         Analizador de redes escalares (SNA):   El analizador de redes escalares, SNA, es una forma de analizador de redes de RF que mide únicamente las propiedades de amplitud del dispositivo bajo prueba, es decir, sus propiedades escalares. Por este motivo, es el más simple de los diversos tipos de analizador.

·         Analizador de red vectorial (VNA):   el analizador de red vectorial es una forma más útil de analizador de red de RF que el SNA, ya que puede medir más parámetros sobre el dispositivo bajo prueba. No solo mide la respuesta de amplitud, sino que también analiza la fase. Como resultado, el analizador de red vectorial también puede denominarse medidor de ganancia-fase o analizador automático de red.

·         Analizador de redes de señales grandes (LSNA):   el analizador de redes de señales grandes, LSNA, es un tipo de analizador de redes de RF altamente especializado que puede investigar las características de los dispositivos en condiciones de señales grandes. Puede observar los armónicos y las no linealidades de una red en estas condiciones, lo que proporciona un análisis completo de su funcionamiento. Una versión anterior del analizador de redes de señales grandes, LSNA, se conocía como analizador de transición de microondas, MTA.

 Diferencia entre analizadores de redes RF y analizadores de espectro

Aunque existen muchas similitudes entre los analizadores de redes de RF y los analizadores de espectro, también existen varias diferencias importantes, especialmente en los tipos de mediciones que se realizan. En particular, realizan tipos de mediciones muy diferentes. En primer lugar, un analizador de espectro está destinado a analizar la naturaleza de las señales que se le introducen. Un analizador de red, por otro lado, genera una señal y la utiliza para analizar una red o un dispositivo.

Los analizadores de redes de RF se utilizan para medir componentes, dispositivos, circuitos y subconjuntos. Un analizador de redes de RF contendrá tanto una fuente como varios receptores. Mostrará información de amplitud y, a menudo, de fase (barridos de frecuencia o potencia) y normalmente en formato de relación. Un analizador de redes de RF busca una señal conocida, es decir, una frecuencia conocida, en la salida del dispositivo bajo prueba, ya que es un sistema de respuesta a estímulos. Con la corrección de errores vectoriales, los analizadores de redes proporcionan una precisión de medición mucho mayor que los analizadores de espectro.

 

A diferencia de los analizadores de redes de RF, los analizadores de espectro se utilizan normalmente para medir las características de una señal en lugar de un dispositivo. Los parámetros medidos pueden incluir: nivel de señal o portadora, bandas laterales, armónicos, ruido de fase, etc. Se suelen configurar como un receptor de un solo canal, sin fuente. Debido a la flexibilidad necesaria para analizar señales, los analizadores de espectro suelen tener un rango mucho más amplio de anchos de banda de FI disponibles que la mayoría de los analizadores de redes de RF.

Los analizadores de espectro se pueden utilizar para probar redes como filtros. Para lograrlo, necesitan un generador de seguimiento. Cuando se utilizan de esta manera, los analizadores de espectro se pueden utilizar para probar componentes escalares (magnitud versus frecuencia, pero no mediciones de fase). Con los analizadores de espectro, es fácil obtener un trazo en la pantalla, pero interpretar los resultados puede ser mucho más difícil que con un analizador de red.

El elemento clave del analizador de redes vectoriales, VNA, es que puede medir tanto la amplitud como la fase. Mientras que una medición de solo amplitud es mucho más sencilla de realizar y puede llevarse a cabo con instrumentos menos complicados. Esto puede ser suficiente para muchos casos. Por ejemplo, cuando la única consideración es la ganancia de un amplificador en un cierto ancho de banda o se necesita la respuesta de amplitud de un filtro.

Sin embargo, una medición que incluya tanto la fase como la amplitud permite descubrir mucho más sobre el dispositivo en prueba, ya que la fase es un elemento crítico en el análisis de redes. Esto se debe a que una caracterización completa de dispositivos y redes implica la medición de la fase y la magnitud.

Solo con el conocimiento de la fase y la magnitud de un analizador de redes vectoriales se pueden desarrollar modelos de circuitos que permitan realizar simulaciones completas. Esto permitirá diseñar circuitos de adaptación basados ​​en técnicas de adaptación conjugada. La caracterización en el dominio del tiempo requiere información de magnitud y fase para realizar la transformada inversa de Fourier. Además, se requieren datos de fase para realizar la corrección de errores vectoriales.

Diagrama de bloques del analizador de red vectorial

Para comprender mejor cómo funciona un analizador de redes vectoriales, es útil ver un diagrama de bloques básico del instrumento de prueba. El diagrama muestra los bloques más básicos del VNA, incluidos los puertos de señal, los bloques de separación de señal, el detector receptor y, finalmente, el procesador y la pantalla.

·         Procesador y pantalla:   esta área del analizador de redes de RF actúa como interfaz hombre-máquina y muestra los resultados de la forma requerida. Es posible mostrar los resultados del análisis de red en una variedad de formatos, incluidos diagramas de Smith, formato cartesiano y valores reales e imaginarios. La salida más común de un analizador de redes vectoriales es en formato de diagrama de Smith, ya que muestra de manera concisa los atributos de la red.

·         Fuente de señal:   Las fuentes de señal del analizador vectorial proporcionan el estímulo para la red de RF. Estos osciladores están contenidos dentro del analizador vectorial y pueden recorrer el rango de frecuencia del instrumento de prueba.

·         Receptor y detector:   Este bloque del analizador de redes de RF recibe las señales de los separadores de señales y las procesa en términos de ondas reflejadas y transmitidas en comparación con la onda incidente. Estos resultados se pasan al procesador y se muestran en la pantalla.

·         Puertos:   Son los elementos del analizador vectorial de redes que se conectan directamente al dispositivo bajo prueba. Por lo general, tienen dos conexiones al dispositivo bajo prueba, una en la entrada y otra en la salida, etc. Algunos analizadores vectoriales de redes pueden tener más puertos para su uso con sistemas que tienen múltiples conexiones.

El analizador vectorial de redes tiene conectores de precisión en el panel frontal de la unidad y luego se utilizan cables de precisión para conectarlos al dispositivo bajo prueba. Los cables de precisión son necesarios porque la fase y la pérdida de un cable estándar variarían demasiado incluso con un movimiento leve, etc.

Para probar el dispositivo, se genera una señal de frecuencia variable dentro del analizador de redes vectoriales y se conmuta la salida para probar el dispositivo bajo prueba en una u otra dirección. En este caso, se selecciona el lado izquierdo del diagrama. La señal pasa al divisor, donde una salida se utiliza como señal de referencia para el receptor y el otro lado pasa a un acoplador de dirección y luego al dispositivo bajo prueba a través de la conexión externa en el analizador de redes vectoriales y los cables de precisión.

La potencia pasa a través del acoplador direccional (acoplador direccional 1) al DUT, pero el tercer puerto detecta la potencia reflejada y ésta se conecta nuevamente al receptor. La potencia que pasa a través del dispositivo bajo prueba es muestreada por el acoplador direccional 2 y esta señal se conecta al receptor.

Además de generar una señal para alimentar el dispositivo bajo prueba, la fuente de señal también tiene una salida que está conectada al receptor. Esto permite obtener información de fase de las señales detectadas. En la actualidad, los analizadores de redes vectoriales harán un uso significativo del procesamiento de señales digitales, y gran parte de la sección del receptor y del detector se realizará en formato digital.

Las señales son procesadas por el receptor y luego enviadas al procesador y a la pantalla. En esta sección se hará nuevamente un uso intensivo de la tecnología de microprocesadores para proporcionar el control, la funcionalidad y las pantallas fáciles de usar que se necesitan para la instrumentación de prueba moderna.

Aunque este ejemplo muy simplificado de un analizador de red RF muestra dos puertos, algunos analizadores de red vectoriales pueden usar más puertos para sistemas donde existen muchas rutas de señales diferentes.