En primer lugar: ¿cómo estás midiendo la tensión de salida? ¿y la de entrada? ¿la entrada también la has medido sobre 50ohm? ¿con un osciloscopio? ¿con qué sonda? ¿Vrms? ¿Vp? ¿Vpp? A 100MHz tienes que utilizar sondas buenas, a ser posible específica para RF, o al menos con el accesorio que suelen traer para tomar la masa en la misma punta. De lo contrario, el cable de masa con cocodrilo presenta una inductancia nada despreciable a alta frecuencia, por lo que medirás menos tensión de la real. Aparte, la impedancia de la sonda tiene que ser lo suficientemente alta a 100MHz como para no afectar al circuito bajo medida.
Los dispositivos de RF se suelen caracterizar mediante parámetros-S. El fabricante mide el dispositivo (a veces en wafer) colocado en un test jig o en un pcb de alta calidad, mediante un analizador vectorial que presenta 50ohm al dispositivo en todos los puertos. La alimentación al MMIC la puede proveer el propio analizador vectorial, o bien se realiza a través de un inyector de DC en la línea coaxial de salida (bias tee).
El parámetro de ganancia en potencia es el S21, y se mide presentando 50ohm al dispositivo, alimentándolo e inyectando una señal de muy baja potencia, midiendo la potencia en el puerto de salida. Es MUY importante el detalle de la baja potencia, porque son parámetros lineales, y por tanto se debe asegurar que el dispositivo está trabajando el régimen lineal o pequeña señal. De lo contrario los parámetros-S no son válidos. Una buena aproximación es al menos 10dB por debajo del punto de compresión a 1dB.
Se puede decir por tanto, que los datos que da el fabricante son del dispositivo funcionando en condiciones ideales, siendo el entorno de medida perfecto (digamos que invisible). A menudo se realizan compensaciones sobre la medida para anular o de-embeber los efectos indeseados de ese entorno necesario para realizar la medida que no puede ser tan perfecto, sobre todo cuando nos vamos a los GHz.
¿punto de compresión a 1dB? ¿Qué es eso?
Es otro parámetro más que se especifica en muchos dispositivos de RF. Una vez obtenida la ganancia de pequeña señal, se configura el analizador vectorial para que realice un barrido ascendente en la potencia de la señal que se aplica a la entrada del dispositivo, a medida que se comprueba la relación entre las potencias de entrada y salida (ganancia) hasta que se observa un punto en el que la ganancia a un nivel de señal de entrada determinado, es 1dB inferior a la ganancia de pequeña señal.
Ésto ocurre porque estamos acercándonos a la saturación del amplificador, y además de empezar a "comprimirse" la ganancia, los productos de intermodulación se disparan (distorsión). La distorsión se caracteriza normalmente mediante el IP3, pero no viene a cuento.
Te digo lo del punto de compresión, porque el ERA-2 tiene un OP1dB de 13dBm a 100MHz. Esto quiere decir, que si en pequeña señal tiene 16dB de ganancia, si le aplicamos 13-(16-1)=-2dBm a la entrada, no obtenemos 14dBm sino 13dBm porque estamos justo en el punto en el que la ganancia del dispositivo se comprime 1dB. Como veo que aún no te acostumbras a las potencias y unidades logarítmicas:
13dBm = 1Vrms = 1.412Vp
-2dBm = 0.177Vrms = 0.251Vp
Como ves, casi estás saturando el MMIC.
Por otro lado, dices que has medido la tensión a la salida con y sin terminación de 50ohm. ¿Pero y la entrada? ¿cómo has medido esos 0.2Vp? ¿en la salida del generador sin conectarle nada? Me da que si.
Pongamos que el generador es perfecto, los coaxiales no tienen pérdidas, y los 50ohm son 50ohm de verdad: a la entrada del MMIC tendrías 0.1Vp (-10dBm o 70.71mVrms) al haber cargado el generador con 50ohm. Y has dicho que en la salida cargada con 50ohm tenías 0.55Vp (unos 5dBm). Obviemos que he puesto la potencia en dBm, valores de los que directamente extraemos una ganancia de 15dB, y hagamos 20*log(Vout/Vin) = 20*log(0.55/0.1) = 14.8dB. Sinceramente: ¡no me parece un valor tan malo para lo que parece tu primer amplificador de RF!
Veamos de donde pueden venir las pérdidas:
- Apostaría a que no has colocado ninguna bobina o choque de RF en la alimentación. Ese RFC "optional" según el datasheet, hace que el MMIC vea una impedancia muy alta en ese camino a la frecuencia de funcionamiento (como si fuera un abierto). Con ésto se consiguen minimizar las pérdidas que pudiera ocasionar tu resistencia de 220ohm, pues si te fijas, es como si estuviera en paralelo a la salida, ya que Cbypass debería presentar una bajísima impedancia a la frecuencia de funcionamiento (como si fuera un corto).
Por el valor de la resistencia no te preocupes, 213 o 220ohm funcionarán bien. La diferencia es que el amplificador está polarizado con algo menos de corriente que los 40mA típicos, lo cual apenas impactará en la ganancia de pequeña señal, aunque sí bajará un poco el punto de compresión a 1dB, ya que al estar polarizado con menos corriente tiene menos capacidad de dar potencia.
- Condensadores: Cblock y Cbypass, ¿qué valores tienen y de qué tipo son? en RF huir de X7R e Y5V, hay que usar NP0 o similares, pues otros tienen más pérdidas en el dieléctrico a alta frecuencia.
Por si fueran pocos los problemas que se presentan en los circuitos de RF, los condensadores del mundo real son reales, y no ideales, por lo que hay que tener mucho cuidado con la elección del valor, encapsulado, y condensador en concreto. Tanto Cblock como Cbypass tienen que ser resonantes a la frecuencia de uso. Si necesitamos cubrir un rango muy grande de frecuencias, habrá que poner diferentes condensadores en paralelo de forma que unos vayan compensando los comportamientos indeseados de otros según la frecuencia.
Por otro lado, Cbypass también tiene que hacer la función de estabilizar la alimentación para evitar ruido y posibles oscilaciones. Mi sugerencia es: 470pF y 100pF (0603) en paralelo para Cblock y Cbypass, más 1uF en Cbypass para estabilizar la alimentación y evitar oscilaciones de baja frecuencia. - Choque de RF (RFC): si pudieras colocar uno, mejor que mejor, pero construirlo con bobina/s es un tema aún mas complejo que el de los condensadores. Minicircuits tiene un choque de banda ancha genial, pero es caro (ADCH-80A). Como requieres un gran ancho de banda y no puedes complicarte demasiado, olvidemoslo por ahora.
- Vías de tierra: Importantísimo reducir al máximo la inductancia parásita en la conexión de los pines de masa del MMIC hacia el plano de tierra. Coloca tantas vías como te sea posible, y lo más importante, muy cercanas al dispositivo. Normalmente se ponen incluso debajo. Ésto es una gran fuente de pérdidas de ganancia cuando entramos en los GHz. Lo mismo en los condensadores de desacoplo (Cbypass), sobre todo los encargados de proveer baja impedancia en RF (470pF y 100pF). De lo contrario en vez de un C tenemos un LC...
- Por otro lado, estaría bien echarle un vistazo al PCB. ¿Qué sustrato has usado? ¿has dimensionado correctamente las pistas de RF para que se comporten como microstrip con 50ohm de impedancia característica?.
Ten claro que jamás podrás construir un amplificador que tenga la misma ganancia que el MMIC caracterizado en laboratorio por razones obvias. Si consigues perder menos de 0.5dB date por satisfecho.
En tu caso seguro que aún puedes mejorarlo, y parte de la ganancia que parece que te falta seguro que son debidos al equipo y metodología de medida, posiblemente no acertados para RF.
