Amplificador NORTON

Amplificador Norton

El amplificador Norton es un gran desconocido a pesar de sus magníficas características. Quizás esto se deba que su patente ha estado vigente hasta hace bien poco. Parece ser que ya se extinguió, pero no se ha popularizado como debiera.
Atendiendo a su diseño, este amplificador presenta gran ancho de banda, bajo ruido, magnífica linealidad ya que es fácil conseguir IP3 muy por encima de lo que se obtiene con una amplificador clase A trabajando en alta corriente.

Para saber más en profundidad sobre el amplificador norton hay múltiples artículos disponibles, por lo que no vamos a entrar en detalles teóricos.

Circuito de prueba

El amplificador consta de dos etapas que pueden colocarse en cascada, mediante un puente entre J1-1 y J1-3 o se pueden dejar aisladas y mediante transformadores externos montar un amplificador P&P que proporciona 6dB más de IP3.
Cada etapa tiene su propia polarización de tal forma que es posible ajustar la corriente de trabajo de forma independiente. El circuito de polarización es un limitador de corriente controlado por el transistor PNP. La resistencia de emisor determina el valor de la corriente de reposo del amplificador. La caída de tensión en al resistencia R3 o R6 es de 0,6Vcc aproximadamente. La corriente de reposo por tanto es 0,6/Remisor mA. El valor óptimo se obtiene por medios experimentales y depende del tipo de transistor. Llegado un punto por más corriente que tengamos en el amplificador no mejora el IP3, por tanto el punto óptimo es el que produce un mínimo de intermodulación para el máximo de señal posible.
En las pruebas realizadas se ha determinado experimentalmente que el valor mejor para el primer amplificador es de 12mA y para el segundo 18mA. Claro esta que al estar polarizados de forma distinta no es posible usarlos en P&P. Para usarlos en P&P tiene que ser ambos amplificadores idénticos en ganancia y polarización.
El amplificador se ha probado con transistores BC550 y  SS9018. EL primero es de propósito general con frecuencia de corte fT = 300MHz mientras que el segundo tiene fT = 1100MHz. Aparentemente solo nos valdría el segundo transistor pero ¡este amplificador sorprendentemente no presenta diferencias apreciables entre uno y otro!. Solamente hay una pequeña mejora de 1dB a 50MHz para el SS9018. A partir de 50MHz ya si que el SS9018 es superior al BC550 o similar de propósito general. La realimentación mejora enormemente la respuesta y para unos mínimos del transistor, éste no es determinante.
Evidentemente la cifra de ruido si está determinada por el transistor usado. Aunque la realimentación mejora la cifra de ruido, a menor ruido debido al transistor amplificador mejores resultados obtendremos en el amplificador.

Ganancia

La ganancia de este amplificador no viene determinada por el transistor. Solamente cuando la frecuencia de trabajo es muy alta, respecto de la fT del transistor usado, la ganancia total está afectada por las características de éste.
El material usado para los transformadores determina principalmente la respuesta en frecuencia. Según el tipo de material será éste el que limite o será el transistor o una combinación de ambos elementos.
En el esquema podemos ver la ganancia para varios casos típicos de relaciones de transformación. La ganancia mínima es de 6dB y la máxima de 14dB. Para las pruebas se ha usado la ganancia d e 9,5dB. Puestos ambos amplificadores en cascada la ganancia es de 19dB, pero en la práctica se ha medido una ganancia de 18dB.

Intermodulación

Para un amplificador de RF nos interesa que funcione bien con las señal más fuerte que sea posible, pero ¿cuanto es lo adecuado?. Vamos a trabajar con una señal de S9+60dB que corresponde a -13dBm. En la imagen adjunta podemos ver la salida del amplificador con dos señales de -13dB a la entrada de éste. La salida es de 5dBm y el producto de intermodulación peor está a -55dBc. El IP3 de salida es por tanto 55/2+5= 32,5dBm. La frecuencia de prueba corresponde a la banda de 160m. Para otras bandas el IP3 mejora en 2,5dB y vuelve a ser 32,5dBm en 50MHz.
Como la ganancia del amplificador es de 18dB, el IP3 a la entrada será por tanto 14,5dB aproximadamente. El circuito de polarización permite usar el amplificador en una amplio margen de tensión de alimentación sin que haya una merma apreciable en al intermodulación, ganancia o impedancia de entrada. Se ha probado entre 10Vc y 13,8Vcc. Solamente en 50MHz se ha observado una ligera disminución del IP3 con 10Vcc de alimentación.

Respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia del amplificador es magnífica. La ganancia está en 18+/-0,5dB y la ROE es mejor a 1,5:1 desde la banda de 80m a 6m y mejor que 2:1 en 160m. El SS9018 va realmente bien como amplificador de RF de baja señal.

La impedancia de entrada del amplificador, cargado con 50 ohmios, como se ha visto antes, es muy próxima a 50 ohmios en toda la banda de paso.
Este amplificador tiene la característica que refleja a la entrada la impedancia de carga a la salida. Si se le conecta a una etapa que no sea de 50 ohmios, a la entrada no tendremos 50 ohmios tampoco. Esta característica es importante tenerla en cuenta. Hay filtros que su respuesta viene muy determinada por la impedancia de carga. Así que un preselector, recomendado, irá bien o mal dependiendo que el amplificador esté cargado con 50 ohmios u otra impedancia muy distinta.

Conclusiones

A falta de hacer otras pruebas, este amplificador, con solo 30mA de corriente de alimentación, tiene un magnífico comportamiento.

• Buena ganancia, 18dB.
• Buena IP3 de entrada: más de 14,5 dBm
• Gran ancho de banda, 1,5 a 100MHz.
• Buena adaptación de impedancia, ROE mejor que 1,5:1 de 3 a 100MHz y mejor que 2:1 en 1,8MHz.
• Bajo consumo, 30mA.
• Máxima potencia de salida 10dBm antes de compresión.

Resulta un amplificador ideal para poner delante de un mezclador a diodos de alta potencia. Con un mezclador normal de 7dBm, tiene un IP3 de 15dBm típico, la cadena total tendría un IP3 de 10dBm.

Ref:
VHF Communications 1-1978 pg 30-36
IP3