A lifi d d RF
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Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 GR C ít l 7 Capítulo A lifi d Amplificadores d de RF Parámetros de un amplificador Respuesta lineal Función de transferencia. Banda de trabajo Ganancia Tiempo de retardo Impedancias de entrada y salida Impedancias nominales de carga Pérdidas de retorno y relación de onda estacionaria vG Estabilidad Ruido Respuesta no lineal Punto de 1 dB de compresión. compresión Punto de cruce de intermodulación de 3º orden. Punto de cruce de intermodulación de 2º orden. Nivel de armónicos. Z ENT Z SAL Z0 Salida Entrada Z0 2 Amplificadores 1 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Especificaciones de un amplificador 3 Tipos de amplificadores de RF Amplificadores sintonizados Amplificadores de banda ancha Amplificadores de bajo ruido Baja intermodulación Amplificadores de banda estrecha (filtros) Realimentados Distribuidos Amplificadores de potencia Suelen ser sintonizados Lineales No lineales 4 Amplificadores 2 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificadores sintonizados VDC Cb L Vin C Rce Cce Vin Cb C CL L RL V0 V0 ZL Circuito equivalente Etapa amplificadora de sintonía simple V0 gm = = Vi g + jωCr + 1 jωL Q= ω 0Cr gm g ⎛ω ω ⎞ 1 + jQ⎜⎜ − 0 ⎟⎟ ⎝ ω0 ω ⎠ ω0 = g 1 LC r CT = Cce + C + C L g= Función de transferencia 1 1 + Rce RL 5 Redes de adaptación de impedancias Red de adaptación Zg vG ZENT* ZSAL Red de adaptación ZENT ZC ZSAL* Las redes de adaptación deben presentar la i impedancia d i conjugada. j d Adaptación en parte real (máxima transferencia de potencia) Adaptación en parte imaginaria (sintonía) Redes de adaptación sin pérdidas. Formadas p p por elementos no disipativos. L,C, transformadores, líneas de transmisión. Banda limitada. 6 Amplificadores 3 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Adaptación de impedancias Adaptación de R1=50 a R2=1000 L C R1<R2 R1 C R1 R2 L R2 Red de adaptación LC Q1 = R 2 - 1 = 4.36 L1 = R1 Q1 = 34.7µH ωo R1 L1′ = L1 1 + Q12 = 36.5µH C2 = 2 1 = 693pF L1′ ωo 2 Q1 Respuesta en frecuencia ⎛ ⎞ ωC R R ′R QT = ωo C2⎜ 1 2 ⎟ = o 2 2 = 2.18 ⎜ ⎟ 2 ⎝ R1′ + R 2 ⎠ f o = 460KHz B-3dB = QT 7 Circuitos de doble sintonía R1 Ck M C1 L1 L2 k= C2 C1 L1 L1 L2 C2 k= C2 k= R1 M L1 L2 M R1 C1 R2 R2 M L1L2 Circuitos de doble sintonía Ck C1 C2 R2 R1 L2 R2 C1 L1 k= L2 Lk C2 Lk L1 L2 Respuesta de un circuito de doble sintonía 8 Amplificadores 4 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificadores multietapa g p (f) = g p1 (f).g (f) g p2 (f)...g (f) g pn (f) = g p1 (f 01 ) g p2 (f 02 ) g pn (f 0n ) . ... 1 + x12 1 + x 22 1 + x 2N = Amplificadores sintonizados en cascada Variables de diseño: donde ⎛ f f ⎞ x i = Q i ⎜⎜ − 0i ⎝ f 0i f ⎠ gp1 gp2 Ganancia de los amplificadores. Frecuencia de sintonía (fi) Factor de calidad ((Qi) gpn 9 Amplificadores multietapa Amplificadores de sintonía fija. (f0i=f0, Qi=Q) ⎛ 1 ⎞ g p (f) = g p1 (f 0 ).g p2 (f 0 )...g pn (f 0 )⎜ 2 ⎟ ⎝1+ x ⎠ n g p (f 0 ) = g p1 (f 0 ).g p2 (f 0 )...g pn (f 0 ) B−3dB = 1 f0 2 n −1 Q g1 g2 gN 10 Amplificadores 5 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificadores de sintonía escalonada Sintonía escalonada Cada etapa tiene: Su frecuencia de sintonía (fi) Su factor de calidad (Qi) Se ajustan para Máximo ancho de banda Rizado controlado en la banda. Respuesta de un amplificador de sintonía escalonada 11 Amplificadores de banda ancha Realimentados Red de adaptación Red de adaptación Permiten obtener una ganancia constante en bandas grandes (una octava) Permiten adaptación de impedancias en banda ancha La realimentación puede ser disipativa Red de adaptación Red de adaptación 12 Amplificadores 6 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificadores distribuidos Se comportan como una línea de transmisión activa Consiguen bandas de trabajo muy grandes (más de una década) dé d ) Tienen poca ganancia Entrada R0 Salida R0 13 Amplificadores de potencia Objetivo Tipos de amplificadores Máxima generación de potencia con las limitaciones del dispositivo. Especificaciones Parámetros adicionales Potencia máxima a la salida Potencia máxima disipada Rendimiento Linealidad Clase A A. Clase B y AB. Clase C. Clase D. Clase E Z ENT Z SAL Z0 vG Salida Entrada Z0 14 Amplificadores 7 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador clase A no sintonizado Ic0 Vcc ic Lc i1 Ic0 Cb Cb vc vout RL vin v1 Vcc Lc π 0 Vbb 2π θ=ωt Funciones de tensión y corriente Esquema 15 Amplificador clase A. Recta de carga ic i1 Rec ta d e Ic0 car ga i1 vsat v1 Vcc v1 vce 16 Amplificadores 8 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador clase A. Rendimiento PDC PDC η Pdis Pdis(w) Pout(w) 50% η Pout Pin(w) 17 Amplificadores clase B Ic0 Esquema q Vcc Lc L vin ic Cb Cb C Lc Vbb Vbb=0 Transistor al corte en el borde de la zona de conducción Ciclo de conducción: medio periodo (180º) RL vout im Ic0 vce v1 Vcc 0 π 2π θ=ωt Funciones de tensión y corriente 18 Amplificadores 9 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador de clase B: Formas de onda i c Im Ic0 − V1 π 2 θ = ω0t π 2 vc Vcc − 2π −π π 0 2π θ = ω0t 19 Amplificador clase B. Recta de carga ic Re cta de ca rg a im vsat v1 Vcc v1 vce 20 Amplificadores 10 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador clase B. Rendimiento P P (w) out dis 78% P (w) out η η P dis P (w) Rendimiento y potencia de salida in 21 Amplificadores clase B en contrafase 22 Amplificadores 11 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador clase C Ic0 Vcc ic Lc L vin Ic0 Cb Cb im Esquema C RL vout 2θ0 Lc vce Vbb v1 Vcc Vbb<0 π 0 La tensión de base hace que el punto de reposo esté fuertemente al corte 2π θ= ωt Funciones de tensión y corriente 23 Amplificador de clase C: Formas de onda vb V0 θ = ω0t Vbb ic Im Ic0 V1 θ = ω0t θ0 − θ0 vc Vcc − 2π Amplificadores −π 0 π 2π θ = ω0t 24 12 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 I-V en amplificadores clase C ic a arg ec ta d Rec im v1(1-cos(θ)) Vcc vce v1 25 Clase C: Ganancia V 100% 80% Clase A Clase B GV g m RL 60% Clase C 40% Clase AB 20% 0% 0º 20º 40º 60º 80º 100º 120º 140º 160º 180º θ0 26 Amplificadores 13 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Clase C: Rendimiento Clase C 100% Clase B η 90% Clase AB 80% Clase A 70% θ0 60% 50% 0º 20º 40º 60º 80º 100º 120º 140º 160º 180º 27 Amplificador clase C. Rendimiento P P (w) out dis η P (w) out η 90% P dis P (w) Rendimiento y potencia de salida in 28 Amplificadores 14 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Amplificador clase D. Alto rendimiento vc2 Vcc θ=ωt Vcc i0 L C θ=ωt i1 Vin ZL V0 θ=ωt i2 θ=ωt Esquema Funciones de tensión y corriente 29 Amplificador clase E vb Vcc i0+ic0 θ=ωt θ=ωt L ic C icp Vin Cp RL V0 θ=ωt θ=ωt vc Esquema Funciones de tensión y corriente 30 Amplificadores 15 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Problema 2: Sept. 2007 Se q quiere analizar un sistema transceptor p ((transmisor y receptor) p ) de Bluetooth para comunicaciones inalámbricas entre ordenadores portátiles. El sistema propuesto está basado en el circuito integrado ML7050LA de OKI Semiconductors, y su esquema de bloques es el siguiente: ML7050LA DEMOD PLL Modulador FSK BB (RX) BB (TX) 31 Problema 2: Sept. 2007 El funcionamiento del dispositivo p es el siguiente: g el sistema tiene una única antena y un único filtro que funcionan tanto en transmisión como en recepción. • El conmutador de salida del circuito ML7050LA selecciona la rama de transmisión o la de recepción. • El receptor es superheterodino siendo el primer elemento un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA), al que le sigue un mezclador con rechazo de banda imagen (IRM). A continuación están el filtro de frecuencia intermedia y el amplificador de ganancia i variable. i bl L La señal ñ ld de oscilador il d llocall d de entrada t d all mezclador IRM la genera el propio PLL de la rama de transmisión, activando el conmutador de la rama de transmisión. • El transmisor es homodino, y consta de un modulador FSK basado en un VCO estabilizado con un PLL sintetizador de frecuencia, un amplificador de baja señal y un amplificador de potencia. 32 Amplificadores 16 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Prob. 2: Sept. 2007: Amplificador LNA Los datos generales del sistema son: • Banda de paso del filtro de entrada: 22.4 4 a 22.5 5 GHz • Frecuencias portadoras: 2402 a 2480 MHz con saltos de 1 MHz. Nótese que en transmisión y en recepción se utiliza la misma banda de frecuencia. • Frecuencia intermedia: 2 MHz • El sistema de espectro ensanchado funciona en modo salto de frecuencia con una velocidad de salto de 1600 saltos/sg Las características de los componentes del receptor son las siguientes: • Temperatura de antena : 290 K • Conmutador sin pérdidas. • Mezclador IRM: L = 8 dB, F = 8 dB y rechazo de banda imagen de 30 dB • Filtro FI sin pérdidas con una banda de paso de 1 MHz • Amplificador de FI de ganancia variable: Gmax = 60 dB. F= 6 dB y ∆CAG=30 dB • Demodulador FSK: S/Nmin = 25 dB. Pmin = -20 dBm. Pmax = 10 dBm 33 Prob. 2: Sept. 2007: Amplificador LNA 1. Calcule la ganancia del amplificador de entrada para que el receptor tenga una sensibilidad (limitada por ganancia) de -80 dBm. Para este ejercicio considere unas pérdidas del filtro de RF de entrada, a temperatura To, de 3 dB. (To=290K y k=1.38⋅10-23 W/Hz/K) (3p) 2. Calcule la figura de ruido del amplificador anterior para mantener la misma sensibilidad limitada p por ruido de -80 dBm ((4p) p) 3. Calcule el punto de compresión a 1 dB del amplificador de RF para que el amplificador no se sature en el margen de potencias de trabajo (3p) 34 Amplificadores 17 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Preguntas de Test P7 1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintonía simple, P7.1 simple el ancho de banda medido a –3dB viene dado por: a) El factor de calidad dividido por la frecuencia de sintonía. b) El producto del factor de calidad y la frecuencia de sintonía. c) La frecuencia de sintonía dividida por el factor de calidad. d) El inverso del producto del factor de calidad y la frecuencia de sintonía. P7.2 Se dice que un amplificador es incondicionalmente estable cuando: a) No oscila en sus condiciones normales de trabajo. b) No oscila aunque dejemos los terminales en circuito abierto o cortocircuito. c)) No oscila con sus terminales cargados g con cualquier q carga g reactiva p pura. d) No oscila incluso si la carga tiene parte real negativa. P7.3 La relación de onda estacionaria (ROE ó VSWR) en un amplificador es una medida de a) La potencia reflejada a su entrada y salida. b) El nivel de los productos de intermodulación a la salida. c) La ganancia disponible del amplificador. d) La estabilidad del amplificador 35 Preguntas de Test P7.4 La ganancia disponible o relación entre las potencias disponibles de salida y entrada de un cuadripolo es: a) La ganancia que se mide con el amplificador entre impedancias nominales. b) La ganancia que debemos utilizar en las ecuaciones de ruido de un receptor. c) Igual a la ganancia de tensión con la salida en circuito abierto. d) La ganancia del cuadripolo cuando está a una temperatura de 290k. P7.5 Un amplificador de potencia clase A tiene la ventaja respecto de otros tipos de amplificadores de potencia: a) Tener un rendimiento muy alto y próximo a la unidad para cualquier señal. b) Tener una respuesta lineal aunque utilice dos transistores para conseguirlo. c) Tener una respuesta lineal con un nivel bajo de armónicos. armónicos d) No disipar apenas potencia en el dispositivo amplificador. P7.6 ¿Qué rendimiento puede esperar de un amplificador clase B en contrafase para una señal de entrada que corresponde a una portadora modulada en AM al 100% por una sinusoide? a) 10% b) 50% c) 75% d) 90% 36 Amplificadores 18 Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010 Preguntas de Test P7 7 N P7.7 No se puede d utilizar tili un amplificador lifi d clase l C con señales ñ l moduladas d l d en amplitud porque: a) Genera armónicos de la portadora y se mezclan con la señal principal. b) La ganancia depende del nivel de señal a la entrada. c) Necesita un filtrado estrecho a la salida y elimina la banda de modulación. d) El rendimiento baja mucho cuando la modulación es de AM. P7.8 El amplificador clase E de alto rendimiento consigue disipar poca potencia porque: a) El transistor trabaja sólo en saturación o en corte. corte b) La resistencia de carga es muy alta y la corriente muy pequeña. c) El circuito resonante serie elimina las componentes armónicas de corriente. d) La tensión en drenador-fuente del transistor es siempre nula. 37 Preguntas de Test P7.9 Un amplificador p clase A tiene un rendimiento del 50% con una p potencia de salida de 10w. ¿Qué potencia disipa cuando no hay señal a su entrada? a) b) c) d) 0W 5W 10 W 20 W P7.10 Un amplificador clase C tiene un rendimiento del 90% y puede disipar 2w. ¿Cuál es su potencia máxima de salida? a) b) c) d) 90 W 40 W 18 W 9W 38 Amplificadores 19
