Pregunta principalmente para entendidos de amplificadores

[Aligreta]

Bueno, el caso es que he hecho un driver con un 2n3553 trabajando en clase C, para la banda de 50Mhz. Lo he simulado con AWR y el modelo spice del transistor para 20mW de entrada y que me entregue una potencia de unos 3w con un rendimiento del 80%, despues de adaptar la entrada y salida (load pull) mas o menos eso es lo que tendría.
Lo he montado sobre una placa FR4 de doble cara con plano de masa por los dos lados y rodeando las pistas, el caso es que he conseguido unos 2,9W pero he tenido que eliminar capacidad que en la simulación si necesitaba, supongo que al usar doble capa las capacidades se notan mucho más, pero realmente lo que veo es que el transistor coge calor, soy capaz incluso de sacar 4w de potencia pero se dispara el calor y el amperaje y el rendimiento se va a hacer puñetas. Probé con otro transistor más grande 2n3927aplicándole 1w pero es condicionalmente estable y se queda sólo transmitiendo y oscilando al minimo cambio de impedancia . Por ahora he conseguido que 2n3553 se temple y me entregue 2,5w aproximadamente pero no soy capaz de medir bien en el colector del transistor la forma de onda porque en cuanto le acerco la sonda la carga que mete lo desintoniza y j*de, por esto no se si realmente está en clase C (tengo un buen choque clásico en la base que lo deja bien al corte).No entiendo si realmente el transistor está viendo una impedancia de salida que no le gusta o realmente es que es normal y el rendimiento no puede superar para el transistor un determindao valor de fábrica .
¿Es normal este descenso del rendimiento en el transistor aun teniendo una adaptación buena en poténcia y el calor que es más propio de clase A/B?, ¿Cuál es la manera de diseñar las placas de este tipo de amplificadores para que se adapten mejor al modelo simulado?, y me gustaría saber si alguien dispone de modelos spice de transistores de potencia de series 2n mrf, 2sc clásicos.

[eb4fbz]

Según el datasheet la eficiencia de colector es del 50% a 28V. Si lo usas a 12V la eficiencia será menor.

Por otro lado, aún con una eficiencia del 50%, estás disipando la misma potencia que la que sacas en RF. La resistencia térmica unión-carcasa de ese encapsulado es de unos 15 a 25 grados por watio, pero unión-aire de 140. Si no estás poniendo disipador, el transistor se te va a quemar, ya que alcanzaría un delta de 350º!

Si pones disipador, los que yo conozco disponibles comercialmente andan entre 35 y 45C/W, así que terminarías con 50C/W unión-aire en condiciones ideales, yo diría que 60C/W es más realista. En tal caso, 2.5W te supondría un delta de 150º, que a 25ºC de ambiente significaría que la unión alcanzaría los 175ºC (el límite está en 200ºC). La carcasa del transistor se mantendría a unos 125ºC. Normal que te parezca que se pone muy caliente!

Tienes que tener en cuenta que los datos de un datasheet siempre son en condiciones ideales. Tanto las condiciones de contorno como las medidas.

Yo hace muchos años monté un kit de smartkit que daba 4W con ese transistor y un 2N2219 como driver, pero la temperatura que cogía era inadmisible. Le fabriqué un disipador enorme con lo que pude encontrar, y aún así se ponía a más de 70ºC.

Sobre no poder tocar con el osciloscopio es normal, en RF cualquier cosa que acerques afecta muchísimo debido a las capacidades parásitas y efectos de carga, por poco que sean.

Sobre los modelos, me temo que la RF es una de las áreas más inhóspitas en cuanto a la documentación y modelos. Con suerte encontrarás las impedancias de entrada y salidas equivalentes para un par de frecuencias y en el punto de trabajo recomendado del fabricante, a veces en formas de circuito equivalente... modelos de spice aún encontrarás para algunos dispositivos de VHF, pero para dispositivos modernos o frecuencias superiores, ni spice ni modelos de gran señal ni nada de nada "apañatelas como puedas".

[Aligreta]

He medido 80% de rendimiento "armónicos incluidos" 4 y pico W cc contra 4 W de RF medidos con el diamond para el 2n3927a 1W Pin y 70% para el 2n3553 con 20mW Pin.
El 2n3927 es a 1w Pin propenso a oscilar y se forman deltas al rededor de la portadora que se mezclan en el transistor y se las lleva de viaje a todos los armónicos . Por lo que he leído como la ganancia es alta en LF, si el Q es elevado en la adaptación, el amplificador puede ser inestable y oscilarte en LF, mas aún con un empujón de 1W y aun cuando sueltas el ptt, el PA sigue soltando basura hasta que quitas el conector o lo apagas. Este comportamiento no me aparece en el AWR con el balance armónico, yo creo que cuando en el simulador va a oscilar simplemente te dice "error, no converjo ni a la de tres en este LSS11/LSS22 (coefecientes de reflexión de gran señal) para esta o aquella potencia de entrada, salida. Por lo visto es necesario poner resistencias o choques con resistencias de padding en la base o el colector para limitar la ganancia en LF.
El rendimiento del que te hablo es en un ancho de banda pequeñito (Q alto) y como te descuides se vuelve inestable, con un simple toquecito de trimmer plass, oscilación o bien la corriente se dispara, o bien pasas de 50Mhz a 50,7 y ahí se j**dió todo. He visto también amplificadores de potencia en equipos de dos metros con realimentación resistencia+bobina del colector a la base.
Lo peor como te digo es no encontrar un buen modelo del transistor fiable, que no se por que narices no hay mas que de tres transistores o de los LDMOS modernos y ultra caros de las nuevas empresas. También se hecha en falta una explicación del diseño de la placa que haga que de lo simulado a la placa no tengas que quitar 100pf de cada condensador por parásitos e historias, y eso que me he preocupado de taladrarla y unir mallas arriba y abajo por nosceuántas vías. No se como hay tantos amplificadores clase c caseros propuestos por ahí así sin más debo de ser muy patán y tengo que tirar el awr.
Adjunto las fotos de la placa y de la tensión de colector medida a través de la sonda y 3,3pf "para no cargar". No me parece una clase C pura y dura y ¡ojo que hay un choque en la base del transistor !.

[Aligreta]

Bueno, tengo diversas dudas al respecto del amplificador clase c a 50MHz. ¿Por qué de 3w que me aparecen en el medidor luego en el analizador de espectros el 3 armonico es mayor que la propia fundamental!!?.
Alguien sabe cuál sería el valor más apropiado de la bobina del colector? (no el choque, si no la bobina que sirve para almacenar energía que se ve en todos los clase c).
Si el rendimiento del colector es de 50%, significa esto que no puedo obtener rendimientos de 705 o más típicos del clase C?....
No voy a preguntar por las oscilaciones porque eso se va de madre, me he fijado que a veces el amplificador se queda oscilando (depende de la adaptación entrada salida).

[manuelBCN]

Hola,

te recomiendo caracterizarlo con los parametros S y usar cartas de smith para realizar el acoplo de VSWR de entrada y de salida.

pero creo que con un condesador de 10 a 60 pf en la entrada a masa, otro de lo mismo en serie con una bobina de 5 vueltas de cobre de 0.75 y 10mm de diámetro, en la base del transistor un choque vk200 (tira verde), y un condensador de 100pF a masa. A la salida dado que la impedancia es mas baja pondría una bobina de 6 o 7 (pruebas)vueltas de hilo de 1mm sobre 10mm y un condensador de 10-60pf en serie y otro de 10-60pf a masa. Otra cosa es el filtro pasabajos de salida.

el 2n3553 a 12V y 20mW de entrada mal lo veo para que funcione en clase C, ya que necesitará mas excitación.

Segun el datasheet del fabricante, tiene 10 dB de ganancia, a 28V, a 12v si le sacas la mitad estará bién.

Además entrega 2.5W con una eficiencia del 50%.

Si 10 dB son 10 veces 2500mW/10=250mW. Necesitas 250mW en entrada para 2.5W de salida. No se de que nivel se señal partes,

Existe un "truco" del almendruco, para evitar que autooscile. Ponle entre colector y base, un condesador de 10nF y una resistencia de 220Ohm.(el condensador en el lado del colector). Con esto conseguiras que cuando intente autooscilar la señal se retroalimente fuera de fase hacia la base y se cancele.

[Aligreta]

Jejeje, gracias por la aportación, estoy usando 100mW de entrada aunque lo tengo algo avandonado... contruí otro amplificador que si quieres lo puedo postear por aquí, que recibe 100mw de entrada y saca unos diez en una banda estrecha, para 70MHz.. tuve que poner resistencias de padding en la base y en el colector para evitar oscilaciones de baja frecuencia. Si, lo que dices de la red r-c de realimentación lo veo en muchos finales jejeje, es muy usado.
El tema con la simulación es que es no lineal y los parámetros s no me dan una buena idea del funcionamiento, además no los tengo, solo tengo el modelo spice.

[eb4fbz]

Los Parametros-S son parámetros de pequeña señal y sólo son validos en régimen lineal. En clase C, la impedancia de salida es una función dependiente de la tensión de salida. De hecho la máxima potencia nunca se obtiene con una adaptación conjugada.

Es un fallo común el abrir un datasheet de un transistor de potencia de RF y utilizar los parámetros S que a veces publican. Éstos parámetros sólo sirven como orientación, para analizar la estabilidad o para extraer los componentes parásitos y construir un modelo según la técnica de Steve C. Cripps basado en la linea de carga o load-line (te recomiendo su libro).
Normalmente, además de los parámetros S, encontrarás valores de ZS* y ZL recomendados por frecuencia, sobre todo en el caso de amplificadores en clase C o AB "baja". Mira los datasheets de los transistores típicos de emisoras de V/UHF.

Si adaptas con parámetros S, suponiendo que estén medidos con una corriente tal que el transistor esté trabajando en clase A o AB y lo polarizas igual, conseguirás una buena adaptación y una ganancia máxima a potencias bajas, pero a medida que ésta aumente se deteriorará, y jamás conseguirás sacarle todo el partido al transistor.

Antiguamente se hacía a mano: el fabricante buscaba a mano la mejor adaptación para la aplicación a la que ese transistor estuviera orientado y tú intentabas acercarte. Si tenias mala suerte y tu aplicación no era idéntica (diferente punto de polarización o frecuencia), te tocaba perder unos días tocando la adaptación y midiendo hasta quedar satisfecho. En frecuencias bajas es factible, pero cuando pasamos de 1GHz, potencias muy altas o los requerimientos de linealidad se complican (como ocurre con las modulaciones multiportadora OFDM) simplemente no es posible.

Un método que a menudo se usa en laboratorios de diseño de semiconductores, consiste e someter al transistor (en la oblea incluso) a un test de load-pull, en el que utilizando unos carisimos equipos, se realiza un barrido presentandole un conjunto de impedancias de fuente y carga mientras se miden los parámetros de interés resultantes (P1dB, IP3, G, NF, e incluso ACLR, MER o EVM). Con ésto es bien fácil visualizar en una carta de smith los contornos de las figuras de merito elegidas y determinar la impedancia óptima que tenemos que presentarle a transistor para sacarle todo el jugo en las condiciones de polarización elegidas.

Por último, lo ideal sería que los fabricantes ofrecieran modelos no lineales de los transistores, o los modernos parametros-X, pero muchos ni siquiera los tienen. Con éstos modelos en teoría puedes simular el comportamiento del transistor bajo cualquier condición, pero no es nada trivial de obtener.

[Aligreta]

Yo utilizo el fummel poon del transistor, basicamente lo que hago es hacer un load pull multiarmónico y dibujar en la carta de smith los contornos de máxima potencia y PAE.. en la entrada hago adaptación conjugada..
El problema como dije al principio es que el modelo no linear es de "un fabricanmte", y de unos a otros hay variaciones grandes. Como dives eb4fbz, no hay disponibles modelos fiables no lineales o de parámetros x de los transistores de este tipo, o yo no los encuentro y no voy a buscar mas... El ultimo amplificador de 70mhz lo hice medio a ojo... ajuste entrada para minima roe y salida para máxima potencia... ocurre que cuando en la entrada la roe es muy buen, el peligro es que tambien puede oscilar facilmente... resistencias de padding, o bobina y resistencia o realimentación rc colector base.
La forma de onda no es muy clase C... vuelvo a afirmar.. puede que lo que se vea ya sea la onda filtrada en parte por la red de salida..