Explorando los componentes clave de alta frecuencia en el diseño de PCB

El diseño de circuitos de alta frecuencia impulsa gran parte de la tecnología avanzada actual, desde sistemas de comunicación hasta radares sofisticados y equipos de nivel militar.

Los sistemas de alta frecuencia no son fundamentalmente diferentes de otros tipos de circuitos eléctricos. Las mismas leyes de la física se aplican y los fundamentos de la electrónica permanecen iguales en ese punto también.

Pero, ¿qué hace que estos circuitos puedan procesar señales tan rápidas? Son los componentes especializados, cada uno con roles únicos en estabilizar y amplificar señales mientras minimizan la distorsión. El diseño de alta frecuencia implica un conjunto particular de desafíos y objetivos, y se deben tomar algunas consideraciones especiales al trabajar con ellos.

Habitualmente, se clasifican los componentes como activos o pasivos, y este enfoque es igualmente válido en el ámbito de radiofrecuencia (RF). A continuación, encontrará una guía de referencia sobre los tipos de componentes de alta frecuencia que se pueden identificar en el diseño de circuitos.

Condensadores en alta frecuencia:

Como sabemos de los fundamentos de los elementos de circuito, el condensador es básicamente una pequeña unidad de almacenamiento de energía. Bloquea la corriente continua (DC) y permite el paso de la señal de corriente alterna (AC). Idealmente debería comportarse igual para todos los tipos de señales AC, pero eso no es correcto. La función cambia a medida que cambia la frecuencia AC aplicada. Aquí está el modelo que representa el comportamiento eléctrico real de un condensador.

"C" corresponde al condensador ideal, el cual está enterrado entre muchos elementos parásitos. Estos incluyen resistencia no infinita entre las placas (RD), resistencia en serie (RS), inductancia en serie (LS) y capacitancia paralela (CP) entre los pads de PCB y el plano de tierra.

Inductores en alta frecuencia:

El inductor, por otro lado, tiene propiedades opuestas a las del condensador. Según los fundamentos, sabemos que es básicamente una bobina de cobre que funciona conforme a la ley de inducción electromagnética (EMI) de Faraday, almacenando energía en forma de un campo magnético. Bloquea la señal AC y deja pasar fácilmente la DC, podemos decir que se opone al cambio de señal. Un inductor proporciona impedancia que aumenta constantemente a medida que aumenta la frecuencia de la señal AC. Se muestra a continuación un circuito equivalente para un inductor, un modelo que representa el comportamiento eléctrico real de este componente.

Comportamiento parásito de condensadores e inductores: Cuando se trabaja con altas frecuencias, los elementos de circuito parásitos están en todas partes. No importa lo simple o ideal que sea un elemento resistivo, siempre necesita ser empaquetado y soldado a una PCB, lo que genera la presencia de estos parásitos.

Se espera que la impedancia de un condensador disminuya infinitamente a medida que aumenta la frecuencia, pero la presencia de la inductancia parásita hace que la impedancia disminuya en la frecuencia de resonancia propia y luego comience a aumentar. De manera similar, la capacitancia entre los cables en el caso de inductores provoca un fenómeno de resonancia.

Diodos: Detectores y moduladores en altas frecuencias:

Los diodos en circuitos de alta frecuencia operan como moduladores y detectores. Los diodos Schottky, conocidos por su bajo voltaje directo y conmutación rápida, se utilizan comúnmente en aplicaciones RF para la demodulación y mezcla de señales, funciones críticas en receptores y transmisores de radio.

Los diodos varactores también desempeñan un papel en el ajuste de frecuencia al ajustar la capacitancia, permitiendo un control dinámico de la frecuencia de oscilación. La capacitancia interna de un diodo es función del voltaje de polarización a través de él. Y la frecuencia es función de la capacitancia, por lo que estos pueden usarse para generar diferentes señales cambiando el voltaje a través de ellos.

Osciladores de cristal y filtros:

Los circuitos resonantes, incluidos osciladores y filtros, son la columna vertebral del ajuste de señales en diseños de alta frecuencia. Los cristales son un medio fundamental para generar una referencia de frecuencia estable. Esta frecuencia especificada se utiliza como esencial para los relojes en sistemas inalámbricos, mientras que los filtros seleccionan y bloquean frecuencias, permitiendo caminos de señal claros y aislando el ruido.

Los osciladores de cristal son los circuitos guardianes del tiempo, utilizados para proporcionar relojes estables en diseños digitales. Consisten en un cristal piezoeléctrico en su interior, que resuena a una tasa cuando se le aplica voltaje. La frecuencia de oscilación de un cristal ordinario es sensible a las variaciones de temperatura. La inestabilidad de frecuencia resultante genera problemas para los sistemas de RF, especialmente los sistemas que estarán expuestos a grandes variaciones en la temperatura ambiente.

Los filtros pueden ser de dos tipos: activos o pasivos, y se utilizan para suprimir una banda de frecuencia particular según los requisitos del circuito. Según el tipo de frecuencia que bloquean, hay los siguientes tipos de filtros:

• Filtro Pasa Bajos
• Filtro Pasa Altos
• Filtro Pasa Banda
• Filtro Rechaza Banda
• Filtro Notch

Componentes de orificio pasante en alta frecuencia:

Hemos visto los diagramas equivalentes de alta frecuencia de diferentes componentes. Los parásitos juegan un papel importante a medida que aumenta la frecuencia de operación del circuito. Los componentes de orificio pasante no son de ninguna manera inadecuados en entornos de alta frecuencia, por otro lado, el encapsulado (packaging) de montaje en superficie (SMT) es inherentemente superior cuando se trabaja con señales de alta frecuencia. Con componentes pequeños de SMT y longitudes cortas de pines, la inductancia parásita en en alta frecuencia se minimiza. Las patas más largas tienen más inductancia, y en consecuencia se prefiere el encapsulado de SMT.

Amplificadores en alta frecuencia:

Los amplificadores se construyen con un sistema basado en transistores discretos o amplificadores operacionales (OP-AMP). Estos dispositivos tienen una banda media, que permite que solo algunas frecuencias pasen y se amplifiquen. En los sistemas RF, hay dos tipos fundamentales de amplificadores: amplificadores de potencia y amplificadores de bajo ruido. En aplicaciones de alta frecuencia, los amplificadores tienen la función principal de aumentar la señal que se transmitirá a través de la antena.

Amplificadores de potencia

Aumenta el nivel de potencia de una señal, una situación similar se encuentra en circuitos de audio. Se necesita un amplificador de potencia para suministrar grandes cantidades de corriente a la bobina del altavoz para producir más sonido. De manera similar, algunos circuitos requieren una etapa de amplificación de potencia al transmitir/recibir una señal.

Amplificadores de bajo ruido (o LNA, por sus siglas en inglés)

Tal como indica su nombre, los amplificadores de bajo ruido trabajan a frecuencias más altas para amplificar la señal con mínima distorsión. El bloque LNA se utiliza en sistemas de comunicación mientras se recibe la señal de baja magnitud desde una antena que también lleva mucho ruido ambiental. Por lo tanto, un amplificador de bajo ruido está diseñado para proporcionar una alta ganancia de voltaje mientras contribuye con un ruido mínimo. El rendimiento de ruido se indica mediante la figura de ruido (NF), que ayuda a determinar la máxima relación señal/ruido (SNR) del sistema. Idealmente necesitamos NF=0 y SNR= infinito.

Mezcladores en circuitos de alta frecuencia:

No es un tipo de mezclador de audio que se utiliza para producir señales moduladas desde la base, sino que un mezclador de alta frecuencia toma dos frecuencias de entrada y genera una tercera frecuencia de salida mediante multiplicación. En otras palabras, un mezclador realiza una traducción de frecuencia.

Los mezcladores desplazan señales a frecuencias más altas o más bajas sin modificar los detalles originales. Por ejemplo, una señal de banda base que transporta información (señal modulada) puede desplazarse a una frecuencia más alta, haciéndola adecuada para transmisión inalámbrica. Este desplazamiento de frecuencia mantiene todos los detalles críticos de modulación de la señal original, lo que permite una transmisión y recepción precisas.

Baluns:

Un componente común en sistemas de alta frecuencia, especialmente presente en sistemas de antena de televisión. El término proviene de “balanceado a no balanceado,” lo cual resume perfectamente su función: convertir señales diferenciales a señales de terminación simple o viceversa. Tienen aplicaciones principales en el emparejamiento de impedancia de la línea de transmisión y la unidad receptora.

En circuitos de baja frecuencia se utilizan amplificadores para convertir entre terminación simple y diferencial. Pero una decisión común en alta frecuencia es usar componentes pasivos simples cuando se trabaja con frecuencias muy altas.

Antenas:

Las antenas son dispositivos pasivos recíprocos que se utilizan para convertir una señal eléctrica RF en radiación electromagnética (EMR), o viceversa. Mientras que en el diseño de alta frecuencia minimizar la fuga de ondas electromagnéticas, en el caso de las antenas ocurre lo contrario. La antena ideal debería emitir toda la potencia eléctrica como ondas electromagnéticas al espacio.

A frecuencias más altas, el tamaño de los componentes y la antena se reduce. Hoy en día es común usar antenas chip, que se sueldan a la PCB como componentes típicos de montaje superficial, o antenas PCB, que se crean incorporando pistas especialmente diseñadas en el diseño de la PCB.

Bucles de enganche de fase:

Un bucle de enganche de fase (PLL) contiene un detector de fase, un filtro de paso bajo, un oscilador controlado por voltaje (VCO) y un divisor de frecuencia. Puede generar una amplia gama de frecuencias a partir de una frecuencia, minimizando el error de fase entre las señales. Un oscilador combinado con un PLL se denomina sintetizador, es decir, un componente que puede generar un rango de frecuencias. Esta capacidad de ajustar la frecuencia del oscilador es muy importante en el diseño de alta frecuencia. Además, el espaciado de frecuencia entre canales adyacentes puede ser relativamente pequeño, y por lo tanto los ajustes deben ser precisos.

Circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC):

Al igual que en los circuitos de baja frecuencia, los transistores son los componentes activos esenciales en los circuitos integrados de RF. Sin embargo, el término "componente" aquí a menudo se refiere a dispositivos complejos compuestos por múltiples transistores. La ingeniería de RF práctica se centra en integrar estos componentes prefabricados en circuitos funcionales, así como en resolver las complejidades únicas que surgen en el diseño de alta frecuencia.

Debido a que a nivel de circuito integrado, el tamaño de los componentes es bastante pequeño y adecuado para aplicaciones de alta frecuencia, se puede avanzar hacia frecuencias muy altas, lo que aumenta la capacidad de procesamiento general, manteniendo los requisitos de energía al mínimo.

Conclusión:

A nivel de fabricación, el silicio sigue siendo el material predominante en la industria de los semiconductores. Sin embargo, existen otros materiales que ofrecen una mayor compatibilidad con frecuencias de señal más altas. Entre los más utilizados en semiconductores para radiofrecuencia (RF) se encuentran el nitruro de galio (GaN), el arseniuro de galio (GaAs) y el germanio de silicio (SiGe), cada uno capaz de garantizar un funcionamiento eficiente a frecuencias superiores. Las tecnologías avanzadas en semiconductores permiten fabricar dispositivos que operan eficazmente incluso por encima de los 100 GHz, abriendo así la puerta a aplicaciones robustas en el ámbito de la alta frecuencia.

El diseño moderno de circuitos de alta frecuencia se basa en la combinación de componentes cuidadosamente seleccionados, cada uno cumpliendo una función clave para optimizar la estabilidad, eficiencia y claridad de la señal. Desde elementos pasivos como condensadores e inductores hasta circuitos integrados avanzados, estos componentes proporcionan la estabilidad y precisión necesarias para que los sistemas RF cumplan con las exigencias de la tecnología más avanzada.