Baluns

Un balun (acrónimo de balance-unbalance) es un dispositivo de tres puertos que transforma una señal equilibrada (balanced), es decir, una señal diferencial, en una no equilbrada (unbalanced o single-end). Desde el punto de vista eléctrico esto significa que la potencia en entrada se reparte entre dos canales con igual magnitud pero en oposición de fase (es decir, con un desfase de 180º). 

Este tipo de dispositivo es necesario en casi toda clase de transceptores RF. Tradicionalmente, los baluns se han realizado utilizando componentes distribuidos. No obstante, las técnicas distribuidas, que se caracterizan por sus excelentes prestaciones, no son adecuadas para diseños que operan a las bajas frecuencias debido a su gran tamaño. Por ello, a las bajas frecuencias es preferible utilizar implementaciones badasas en dispositivos concentrados (típicamente inductores, condensadores y transformadores) que llevan a diseños muy compactos en detrimento, pero, de las prestaciones y del ancho de banda operativo. De hecho, las implementaciones con dispositivos concentrados suelen padecer de un desequilibrio de amplitud que depende de la frecuencia. Asimismo, los baluns implementados con transformadores pueden utilizarse para conectar líneas con impedancias diferentes.

Los baluns pueden dividirse en baluns de banda ancha y de banda estrecha. Todos aquellos dispositivos diseñados para telefonía celular, GPS, aplicaciones en la banda ISM de 2.4 GHz (por ejemplo, WLANs y WPANs) son de banda estrecha y tienen bandas operativas que varian entre 60 y 100 MHz y bandas porcentuales (es decir, la relación entre el ancho de la banda de paso y la frecuencia inferior de dicha banda) que varian entre un 3 y un 5%.

Fig. 1. Posibles implementaciones de un balun basado en transformador

La Figura 1 muestra dos posibles implementaciones de baluns que utilizan transformadores para realizar la conversión entre modo equilibrado y modo no equilibrado. Haciendo referencia a la Figura 1, observe que, el circuito de la izquierda realiza una conversión de modo no equilibrado a modo diferencial (es decir, equilibrado). La impedancia Z_L es una impedancia diferencial, por lo que, si cada puerto de la etapa diferencial tiene una impedancia igual a la impedancia Z_S del generador, será Z_L = 2Z_S. 

El número de espiras del transformador se encuentra a partir de la siguiente expresión:

Por consiguiente si Z_L=200 Ω y Z_S=50 Ω la relación de transformación entre primario y secundario es:

La Figura 2 muestra una posible realización monolítica de un balun.

Fig. 2. Implementación monolítica de un balun

Finalmente, la Figura 3 muestra una implementanción alternativa de un balun mediante una bobina de ``T''. La capacidad  C_P  representa la capacidad parásita de acoplamiento entre los terminales A y B del dispositivo.

Fig. 3. Implementación alternativa de un balun mediante una bobina de "T"

Se trata de un único inductor con una toma central X, formado por dos inductores idénticos mutuamente acoplados con coeficiente de acoplamiento k definido como:

donde M es la inductancia mútua.

Tal y como se ha mencionado de antemano, los baluns realizados con elementos concentrados tienen un ancho de banda operativo inferior al de una implementación con elementos distribuidos. De todas maneras, en aplicaciones de banda estrecha como telefponía celular (bandas requeridas entre 20 MHz y 75 MHz) y redes inalámbricas (WLANs) en la banda ISM de 2.4 GHz (banda requerida 100 MHz) son la opción preferida debido a su tamaño muy compacto. 

Debido a su tamaño reducido, es viable implementar estos dispositivos de forma monolítica apoyándolos sobre el substrato del circuito integrado creando sistemas complejos llamados System on Package en los que un cierto número de circuitos integrados y dispositivos son encapsulados apilándolos en un mismo módulo. Sin embargo, esto comporta una serie de restricciones a las que ceñirse durante el diseño del sistema integrado:

1. El grosor de un balun debe mantenerse lo más pequeño posible para reducir el grosor del sistema completo después del ensamblado. Esto excluye la utilización de implementaciónes multicapa para el balun. Con la restricción de utilizar una única capa de material dieléctrico para el balun, el tamaño del dispositivo es directamente proporcional a la constante dieléctrica K del material. Para reducir el tamaño del dispositivo de manera que el dispositivo sea físicamente realizable, es necesario utilizar substrato dieléctricos con K elevada.
2. Los materiales que se utilizan para sellar el encapsulado suelen ser diélectricos con pérdidas elevadas y elevado coefciente de absorbción de humedad. Para prevenir variaciones de las prestaciones del dispositivo con la temperatura, es necesario apantallarlo, lo que excluye su implementación mediante microstrip.  

La topología de enrejado (lattice) tal y como la que se muestra en la Figura 4 es la que se utiliza comúnmente para realizar baluns compactos con elementos concentrados (inductores y condensadores).

Fig. 4. Balun con topología de enrejado

Una combinación de dos redes, una paso-alto y otra paso-bajo dividen la señal en entrada en el puerto 1 in dos señales de salida, en los puertos 2 y 3, con la misma potencia pero con un desfase de 180º. Las dos redes paso-bajo y paso-alto pueden implementarse con un número mínimo de elementos pasivos (dos condensadores y dos inductores), que llevan a una implementación muy compacta pero con una respuesta en frecuencia de banda estrecha (típico de redes con topologías de "L"). Observe que la topología de la Figura 4 se presta también para realizar transformaciones de impedancia.

Las ecuaciones que permiten diseñar el dispositivo de la Figura 4 son:

donde R_S es la resistencia de la fuente de señal, R_L es la resistencia de la carga y ω₀=2πf₀ es la frecuencia operativa del dispositivo.

Si las restricciones de proceso, coste y área impiden de poder optar a una implementación de un balun pasivo, existe la posibilidad de implementar un balun utilizando circuitos activos. La forma más sencilla de implementar un balun activo es utilizando una etapa diferencial. Otra alternativa, que se muestra en la Figura 5, consiste en combinar una etapa inversora de tipo common source con una no inversora de tipo common gate.

Fig. 5. Una posible implementación de un balun activo

El transistor M1 es una etapa amplificadora common gate, mientras que el transistor M2 es una etapa common source. Ambos amplificadores están polarizados con la misma tensión DC VB. Las resistencia de carga RL1 y RL2 están dimensionadas para alcanzar la ganancia deseada; de hecho, esta es la principal ventaja de un balun activo respecto a su controparte pasiva. Otra ventaja es un comportamiento de banda ancha; es decir, la capacidad de generar en su salida señales con un desfase de 180º para un rango muy amplio de frecuencias.

El problema de una implementación con circuitos activos es el ruido térmico inyectado en el sistema por parte de los transistores y un desequilibrio de fase y de amplitud mayor respecto a una implementación con elementos pasivos.