High Frequency Electronics EN/ES

10 months ago

So far all the circuits that we have simulated in our more than one hundred articles dedicated to this blog, have been made without frequency considerations except in the use of crystals for the oscillation of microcontrollers.

The truth is that when a manufacturer creates a component takes into account many factors under which its performance can be affected, these parameters are always found in the data sheets of the component and include some such as temperature and frequency among many others often represented with numerical and graphical data.

When we design in many cases we can ignore these parameters because we know that the component will never be subjected to values of these magnitudes that can affect and therefore we choose our components ignoring these parameters.

Hasta ahora todos los circuitos que hemos simulado en nuestros más de cien artículos dedicados a este blog, se han hecho sin consideraciones de frecuencia salvo en el uso de los cristales para la oscilación de los microcontroladores.

Lo cierto es que cuando un fabricante crea un componente toma en cuenta muchos factores bajos los cuales su rendimiento puede verse afectado, estos parametros siempre los encontramos en las hojas de datos del componente e incluyen algunos como temperatura y frecuencia entre muchos otros a menudo representados con datos numéricos y gráficos.

Cuando nosotros diseñamos en muchos casos podemos ignorar estos parametros porque sabemos que el componente nunca sera sometido a valores de estas magnitudes que puedan afectar y por lo tanto escogemos nuestros componentes ignorando estos parametros.

^Pixabay

In the case of frequency we have been using low frequency discrete and analog signals, all components are effective in those cases and therefore we did not take into account that parameter when selecting.

But now we have touched the subject of modulation and radio frequency telecommunications which implies that we will work at frequencies that are not suitable for all components and that aspect must take into account the capabilities of the components in terms of their frequency limitations.

En el caso de la frecuencia hemos estado usando señales discretas y analogicas de baja frecuencia, todos los componentes son efectivos en esos casos y por ello no tomábamos en cuenta ese parámetro a la hora de seleccionar.

Pero ahora hemos tocado el tema de la modulación y las telecomunicaciones por radio frecuencia lo cual implica que trabajaremos a frecuencias que no son aptas para todos los componentes y ese aspecto se debe tomar en cuenta las capacidades de los componentes en cuanto a sus limitaciones de frecuencia.

^Pixabay

Switching speed

If we remember the parameters of a signal we can take into account mainly the period T which is the time it takes to complete a cycle, but with respect to the frequency T=1/f where f is the frequency of the signal, from the formula we can deduce that as the frequency increases the cycle time decreases.

The semiconductor components work by switching under certain conditions, if we consider a silicon diode this will not conduct (switch) until it reaches a voltage above 0.7V approximately, at that time it goes from cut to conduction.

But the speed at which this change occurs is not unlimited, for an illustrative example suppose a diode that takes 1ms to change from cutoff to conduction, this time represents a frequency of 1kHz, ie if we submit to a frequency of 2kHz when the diode enters conduction and half the cycle or period will have elapsed and consequently half of the signal will be lost.

This is why diodes are classified into different types, some are rectifiers and others are switching, the latter have higher speed response at high frequencies and are the ones used in these circuits because if we put a rectifier diode in a high frequency circuit it will not work properly.

This same principle applies not only to the diode but to all semiconductors, so it is important to consult the datasheet of the component to be used in order to ensure that it will work without problems at the frequency of our design.

Si recordamos los parametros de una señal podemos tomar en cuenta principalmente el periodo T que es el tiempo que dura la completación de un ciclo, pero respecto a la frecuencia T=1/f donde f es la frecuencia de dicha señal, de la fórmula podemos deducir que a medida que la frecuencia aumenta el tiempo de duración del ciclo disminuye.

Los componentes semiconductores trabajan por conmutación bajo ciertas condiciones, si consideramos un diodo de silicio este no conducirá (conmutará) hasta que se alcance un voltaje superior a 0.7V aproximadamente, en ese momento pasa de corte a conducción.

Pero la velocidad con la que ocurre este cambio no es ilimitada, para un ejemplo ilustrativo supongamos un diodo que tarda 1ms en cambiar de corte a conducción, este tiempo representa una frecuencia de 1kHz, es decir que si lo sometemos a una frecuencia de 2kHz cuando el diodo entre en conducción ya habra transcurrido la mitad del ciclo o periodo y como consecuencia la mitad de la señal se perderá.

Es por esto que los diodos se clasifican en distintos tipos, algunos son rectificadores y otros son de conmutación, los segundos tienen mayor velocidad de respuesta a altas frecuencias y son los usados en estos circuitos ya que si ponemos un diodo rectificador en un circuito de alta frecuencia no funcionará correctamente.

Este mismo principio aplica no solo al diodo sino a todos los semiconductores, por eso es importante consultar el datasheet del componente a utilizar con la finalidad de asegurar que funcionara sin problemas a la frecuencia de nuestro diseño.

^Pixabay

Effect on passive components

Passive components such as coils and capacitors present an impedance that is directly proportional to the frequency in the case of coils (XL=2pifL) and inversely proportional in the case of capacitors (XC=1/(2pifL)).

These equations define the resistive behavior of the mentioned components according to the frequency to which they are subjected, in the case of a coil for very high frequencies will present large impedances and therefore there will be less current at the output. In the case of the capacitor is the opposite.

These principles are used in the generation and conditioning of signals because they can be adapted to filter the frequencies and obtain the desired signals eliminating the unwanted ones.

Los componentes pasivos como bobinas y capacitores presentan una impedancia que es directamente proporcional a la frecuencia en caso de las bobinas (XL=2pifL) e inversamente proporcional en el caso de los condensadores (XC=1/(2pifL)).

Esas ecuaciones definen el comportamiento resistivo de los componentes mencionados segun la frecuencia a la que sean sometidos, en el caso de una bobina para muy altas frecuencias presentaran grandes impedancias y por lo tanto habrá menos corriente a la salida. En el caso del capacitor es todo lo contrario.

Estos principios son aprovechados en la generación y acondicionamiento de señales porque se pueden adecuar para filtrar las frecuencias y obtener las señales deseadas eliminando las no deseadas.

^openstax

Parasitic components.

When we work at high frequencies the transmission lines begin to suffer phenomena that result in the appearance of passive components, two nearby lines begin to act as if they were a capacitor, this is called parasitic capacitance because there is no real component that provides that capacity, the same happens with the inductance.

Then a transmission line can have many LC circuits formed only by parasitic components distributed fragments of the cable.

All this theory can be deepened detailing each particular phenomenon, but for now I want to focus only on the limitations of the components at high frequencies.

Cuando trabajamos a altas frecuencias las líneas de transmisión comienzan a sufrir fenómenos que se traducen en la aparición de componentes pasivos, dos líneas cercanas comienzan a actuar como si fuesen un capacitor, a esto se le llama capacitancia parasita porque no existe un componente real que brinde esa capacidad, lo mismo pasa con la inductancia.

Luego una línea de transmisión puede presentar muchos circuitos LC conformados solo por componentes parásitos distribuidos fragmentos del cable.

Toda esta teoría puede ser profundizada detallando cada fenómeno en particular, pero quiero por ahora que solo nos enfoquemos en las limitaciones de los componentes a altas frecuencias.

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