trabajo electro alt
DESCRIPTION
trabajo de electronicaTRANSCRIPT
-
Electrnica de Alta Frecuencia Aplicacin de Electrnica de alta frecuencia
Conjunto de tcnicas utilizadas en el anlisis y diseo de circuitos
electrnicos que operan en alta frecuencia
2013
ING : DIEGO SAMANIEGO DOCENTE ESPOCH
1/1/2013
-
Ing. Diego Samaniego
TRANSMISORES Y RECEPTORES
TRANSMISORES (DIAGRAMAS DE BLOQUE)
ADEMAS A TENER EN CUENTA:
REDES DE ACOPLO (ADAPTAR IMPEDENCIAS)
MEDIDA DE POTENCIA SALIDA, ROE, SOBRECARGA
CAF. CONTROL AUTOMATICO FRECUENCIA
DUPLEX CIRCULADOR
-
Ing. Diego Samaniego
POTENCIA DE EMISOR
RECEPTORES (DE RADIO FRECUENCIA SINTONIZADA)
-
Ing. Diego Samaniego
Problema:
Filtro renovable para ajustar el canal deseado Selectividad varia con la frecuencia f selectividad
-
Ing. Diego Samaniego
SUPERHETERODINO
MEZCLADOR
Se utiliza no linealidades para generar Info mfcl.
Segmento ms ruidoso de toda la cadena.
-
Ing. Diego Samaniego
OSCILADOR LOCAL
ETAPA DE RADIO FRECUENCIA
-
Ing. Diego Samaniego
RECEPTOR SUPERHETERODINO DDOBLE CONVERSIN
-
Ing. Diego Samaniego
CONTROL AUTOMTICO DE GANANCIA CA. G.
MDdet Esta dado por las especificaciones de detector (Pdetmax Pdetmin).
MDrec Esta dado por los distintos casos de la ecuacin de transmisin balance de potencias
(Precmax Precmin).
NORMALMENTE RESULTA MDrec MDdet
Margen del C..G
MARGEN DINMICO
-
Ing. Diego Samaniego
EN REALIDAD LA GANANCIA VARIABLE ES EN VARIAS ETAPAS
-
Ing. Diego Samaniego
DISTORSIN NO LINEAL
DISTORSIN ARMNICA (X es una seal nica, a la salida hay armnicos)
CASO IDEAL
-
Ing. Diego Samaniego
LEY CUADRTICA
-
Ing. Diego Samaniego
CONCLUSIN
Armnico crece ms rpido con la entrada. Que el trmino fundamental.
En general el m-esimo armnico crece (en log) con pendiente m.
-
Ing. Diego Samaniego
NOTA TRIGONOMTRICA
LEY CUBICA
-
Ing. Diego Samaniego
-
Ing. Diego Samaniego
POTENCIA DE SALIDA:
NOTA: se debe buscar sacar tener esta expresion
al sacar la potencia.
TERMINO FUNDAMENTAL: ya no es una recta
3 ARMONICO
-
Ing. Diego Samaniego
la onda se encuentra ms lejos de la onda original (lejos en frecuencia) Pero el 3 armonico es poco importante, ya que ..fuera de la frecuencia de la seal
til filtro. El problema vendr en los productos de intermodulacin INTERMOLULACION: mescla de 2 ondas de frecuencias cercanas que generan un
sentido que podra aparecer ondas en frecuencia cercanas a las 2 ondas originales
REPRESENTACIN GRFICA
-Trmino Fundamental
y(t)TER FUND= (a1 A -
a3 ) cos wt = a1 A (1 -
)
PoTERM FUND =
(1 -
)2 Si: |a1|>>|a3|
PoTERM FUND =
=
= Pi
La respuesta fundamental igual a la respuesta lineal
PoTERM FUND(ulg)= 20 lg (a1) + Pi (ulg) + 20lg (1 -
)
Respuesta Lineal Si A este es nulo
Po 3 ARMONICO(ulg)= 20 lg a3 6 dB + 3Pi (ulg)
-
Ing. Diego Samaniego
PoTERM FUND(ulg)= 20 lg (a1) + Pi (ulg) + 20lg (1 -
)
= -1dB si sumo 1dB obtengo la respuesta lineal
Nos permite despejar A 20lg (1 -
) = -1dB
1 -
=
= 1-
Se despeja
DISTORSIN DE INTERMODULACIN
Suma de seales a la entrada.
g(x)= a1x+a2x2 ++amxm
m orden de la no Linealidad
coeficientes decrecientes
|a1|>|a2|>>|am|
SOLUCIN PARA n=2 m=3
g(x)= a1x+a2x2 +a3x3
y(t) = a1[x1(t)+x2(t)] + a2 [x1(t)+x2(t)]2+a3[x1(t)+x2(t)]
3
x1(t)= A1 cos W1t
x2(t)= A2 cos W2t
g(x)
g(x)
-
Ing. Diego Samaniego
CLCULOS PREVIOS
Cos2Wt =
cosWt . cos2 Wt =
.
=
[ ]
=
(cos wt + cos 3 wt)
Cosw1t.cosw2t =
[( ) + ( )]
=
[ ]
=
cos (w1+w2)t +
cos (w1-w2)t
Cosw1t cosw2t =
[( ) + ( )]
=
[ ]
=
cos (w1+2w2)t +
cos (w1-2w2)t
=
cos (w1+2w2)t +
cos (2w2-w1)t
Cos3wt = coswt cos2wt
= coswt (
)
=
cos wt +
cos wt cos 2wt
=
cos wt +
cos wt + cos3wt
=
cos wt +
cos 3wt
Cosw1t.cos2w2t = cosw1t .
=
cos w1t +
cos w1t cos 2w2 t
=
cos w1t +
cos (w1 + 2w2)t +
cos (2w2 + w1)t
-
Ing. Diego Samaniego
y(t) = a1[A1 cosw1t+A2cosw2t] + a2 [A1 cosw1t+A2cosw2t]2+a3[A1 cosw1t+A2cosw2t]
3
= a1 [A1 cosw1t+A2cosw2t] + a2 [A1cos2w1t + 2A1A2cosw1tcosw2t + A2
2cos2w2t]
+ a3 [A13cos3w1t + 2A1
2A2cos2w1tcosw2t + A1A2
2cosw1tcos2w2t + A1
2A2cos2w1t + 2A1A2
2
cosw1tcos2w2t + A2
3cos3w2t]
= a1[A1 cosw1t+A2cosw2t] + a2[
+
cos2w1t) + 2
cos(w1+w2)t + 2
cos (w1-w2)t
+
+
cos2w2t) ] + a3 [ (
A1
3cos w1t +
A1
3cos 3w1t) + 3(
cosw2t +
(w2 +
2w1) +
cos(2w1 w2)] + 3 (
cosw1t +
cos (w1+2w2) +
cos (2w2-w1)t )
+ (
A2
3 cosw2t +
A2
3 cos3w2t) ]
RESPUESTA FUNDAMENTAL
a1A1 cosw1t+ a1A2cosw2t + a3
A1
3cos w1t + a3
A2
3cos w2t +
a3 A1
3cos w1t A12A2 cosw2t +
RESPUESTA LINEAL TRMINOS DE DISTORSIN NO CRUZADOS
A12A2 cosw1t TRMINOS DE DISTORSIN CRUZADOS
TRMINOS DE 2do ORDEN
Armnicos a2
cos2w1t +
cos2w2t
Productos Intermodulacin a2 A1A2cos(w1 + w2)t + a2 A1A2cos(w2 w1)t
TRMINOS DE 3 ORDEN
Armnicos a3 A13 /4 cos3 w1t + a3 A2
3 /4 cos3w2t
Productos Intermodulacin a3 A12 cos(2w1 + w2)t + a3 A1
2 A2cos(2w1 - w2)t +
a3 A1 A22 A2cos(2w1 + w2)t + a3 A1 A2
2
cos(2w2 w1)
Puede caer en banda
A la salida se observa
Trminos de componentes continuas
-
Ing. Diego Samaniego
Trminos fundamentales a frecuencia Wi
o Respuesta Lineal: aiAicoswit
o Respuesta no Lineal: Trminos cruzados y no cruzados
Armnicos: 2Wi , 3Wi , ,mWI
Productos de Intermodulacin
|kWi rWj| productos de intermodulacin orden k + r
Los ms peligrosos son los |kWi - rWj| de orden impar ya que puede caer en landa.
Ya que |a1| > |a2|>>|am| El ms problemtico es el de orden 3
DISTORSIN DE INTERMODULACIN VISIN GENERAL
A la Salida
y(t)= a1A1 [ 1 -
A1
2 -
( A2
2 + A32) cos W1t] Trmino Fundamental
Resp Lineal Compresin Desencibilizacin
+ a3
Ai
2 Aj cos (2Wi - Wj) Producto intermodulacin de orden 3 que cae en fc
Tal que Wc
2fi fj = fc
++ otras funciones que podemos filtrar si representamos las 2 seales que aparecen a fc
(Seal til y productos de intermodulacin de orden 3).
-
Ing. Diego Samaniego
Pout |m=1 = (
)2 = a1 (
)
= a1Pin
Pout |m=1 = 20 lg a1 + Pin (ulg) INTERMODULACIN DE 3 ORDEN
Pout |m=3 = (
)2 = (a3
) (
)
Pout |m=3 (ulg)= 20lg a3 + 20lg (
2 Zin ) + 3Pin(ulg)
De aqu las 2 rectas para la respuesta lineal y productos de
intermodulacin de 3er orden en 2wi - wj
En dBm
Pout (dBm) = 20lg a3 + 20 lg (
2 Zin) 60 + 3 Pin (dBm)
-
Ing. Diego Samaniego
DESENCIBILIZACIN
x(t) = A1 cosW1 + A2 cosW2t
Trmino Fundamental
y(t) = a1A1 [ 1 -
A1
2 -
A2
2] cos W1t + otros trminos
MODULACIN CRUZADA
PUNTO DE INTERCEPCIN PARA PRODUCTO INTERMODULACIN ORDEN m
Trmino Fundamental
Po(ulg) = Pi(ulg) + G
Orden m
Po(ulg) = mPi (ulg) + Gm
Ambos coinciden en IP
IPo = G + IPi = Gm + mIPi
-
Ing. Diego Samaniego
RELACIN DE RECHAZO A LA SALIDA (URR |Po dB)
RELACIN DE RECHAZO A LA ENTRADA URr | Po
Las seales interferentes a la entrada para que las interferencias a la frecuencia de entrada
til, la salida tengan la misma potencia que la salida til.
URr =
URr =
[IPo - Po] dB
Un URR y URr se puede definir o bien
Po o bien Pi.
-
Ing. Diego Samaniego
MARGEN DINMICO LIBRE DE ESPREOS SFDR
Pni = Potencia de ruido exclusivamente trmico M = KTB
K = Constante de Boltzmann = [w/Hz]
To = 290k
B = ancho de banda Hz
En el caso de dispositivos reales y sobre todo si es activo se produce un ruido mayor
que M es decir Pn.
Pn = KTB T = Ts + Te
Te temperatura equivalente (de ruido) es la temperatura en la que un cuerpo produce una
potencia de ruido igual a la de nuestro dispositivo en el ancho de banda de inters.
SFDR Margen de entrada, por encima de la potencia de ruido equivalente, dentro del
cual las interferencias a la salida estn por debajo del ruido, y por tanto es como si no hubiera.
SFDR = URr |Po=Pn = URr |Pi=Pn
= (
) [IPo Pno] = (
) [IPi Pn] (dB)
-
Ing. Diego Samaniego
SINAD (SIGNAL AND NOISE DISTORSION)
SINAD =
Es como un (
) teniendo en cuenta la distorsin
Se usa en ruido.
MARGEN DINMICO
Intervalo de potencia en el que el sistema funciona.
Existen diversos criterios; por ejemplo
MARGEN DINMICO DEL NIVEL DE COMPRESION A 1 dB MD P1dB
MDP1dB (dB)= Pi 1dB - Ps Pot de sensibilidad Nivel de
compresin
a 1dB
No participan distorsiones de orden m, slo la
respuesta fundamental
-
Ing. Diego Samaniego
MARGEN DINMICO DEL PUNTO DE INTERSECCIN MDIP
MD IP = URr |Pi = Ps = SCA (dB)
MD IP =
[IPi Ps ]
Margen de entrada por encima de la potencia de sensibilidad en el cual las seales
interferentes pueden estar sin superar a la salida la potencia de la seal til cuando a la
entrada de la seal til esta a Ps.
PUNTO DE INTERSECCIN EQUIVALENTE DE CUADRIPOLOS EN CASCADA
2 Puertos
Se considera como caja negra
Caracterizado por una serie de parmetros
Relacionados con las impedancias que presenta en cada uno de los puentes
-
Ing. Diego Samaniego
EN LINEAL
Geq = G1 . G2 GN
IPo = GIPi
IPi =
IPi |TOTAL =
q =
q +
q + +
q
q =
q +
q + +
.
q
Siendo q =
EFECTO DE LA SELECTIVIDAD SOBRE EL PUNTO DE INTERSECCIN
Atenuamos las seales interferentes antes de meter en el elemento: antes de que bajen su
indeseado defecto.
-
Ing. Diego Samaniego
Donde el punto de vista del extremo equivalente, parece obvio que hay que trasladar la recta
del producto de modulacin en el eje de entrada.
URr= URr + (dB)
(
) (IPiPi ) = (
) (IPi Pi ) +
Despejamos IPi
IPi= IPi +
(dB)
Si el fallo presenta periodos de
insercion (tanto Wo como el
resto)
-
Ing. Diego Samaniego
IPi
DISEO DE MINIMO RUIDO EN AMPLIFICADORES DE RF
Los transistores son dispositivos activos de amplificacin en pequea seal para todas las
bandas de frecuencia
Dentro de los transistores , son los bipolares sobre silicio o los FET sobre silicio los mas
utilizados para frecuencia entre LF Y UHF (100KHz a 1GHz)
Se llaman transistores o cuadripolos
Dos formas de definirles las caractersticas de un cuadripolo son
Definicion matricial de cuadripolos lineales se realiza mediante el anlisis de sus parmetros
excitables [Z],[Y],[A],[H],[S] para frecuencia: f
-
Ing. Diego Samaniego
RUIDO TERMICO: Se genera en las resistencias de cualquier tipo es causado por el
movimiento aleatorio de los portadores de la carga en materiales conductores y siempres se
produce en temperaturas sobre del cero absoluto (273 K) (0 C).
RUIDO SHOT: Este ruido esta causado por la llegada aleatoria de portadores en el elemento de
salidaen un dispositivo electrnico.
Ambos se consideran ruido blanco tiene un aspecto de frecuencia plano tambin tiene una
distribucin de amplitud gausianna y se encuentran presentes en todas las frecuencias audibles
MODELO RUIDOSO
Ruido Terrnico de la resistencia de la fuente
Ruido Terrnico de la resistencia de base
Ruido shot de la corriente de base
Ruido shot de la corriente de colector
Ruido Terrnico de la resistencia de colector
-
Ing. Diego Samaniego
CUADRIPOLO NO RUIDOSO
Factor de ruido
Ahora el objetivo es calcular la coriiente que le llega a la carga Rl. Para esto usamos la corriente
de Norton, el equivalente de Norton a la salida o ambos circuitos.
CUADRIPOLO RUIDOSO
Divisor de Corriente}
. .
-
Ing. Diego Samaniego
Por lo tanto
CUADRIPOLO NO RUIDOSO
DIVISOR DE CORRIENTE
Proceso Aleatorio
.
.
No es fcil de hallar que Ino es una gran suma de trminos que hay que elevar al
cuadrado
-
Ing. Diego Samaniego
.
.
.
+..
Aplicar la Esperanza E [ ] a cada uno . . = 0
.
+..
Podemos decir que los ruidos se suman en potencia y no en funcin
.
DISTORCION DE INTERMODULACION
-
Ing. Diego Samaniego
-
Ing. Diego Samaniego
Respuesta Fundamental
Respuesta Lineal
Trminos de Tercer Orden
Armnicos Productos de Intermodulacin
-
Ing. Diego Samaniego
En RF se sacrifica la adaptacin a cambio de menor ruido.
Punto de trabajo ptimo
Haciendo el
.
DISEO PTIMO
Y PARA (Rs) PTIMO
2.- OSCILADOR DE RF = AMPLIFICADOR RF + sede de alimentacin
Vi Vo
fo
luego deja
de hacer falta
sede RLC pasiva
(f)
-
Ing. Diego Samaniego
factor de realimentacin
Vo = Av ( Vi + Vo (f) )
Vo Av Vo (f) = Av Vi
Q fo se ampl Av (fo) = 1
IMPLEMENTACIN:
PARA HABER ADAPTACIN:
.
Vo = gm Vi ( || = gm Vi
Vo = gm Vi
= n
Av =
Vo = gm Vi
Av =
= gm
CONDICIN DE OSCILACIN
Carga que se debe ver
desde la salida del
amplificador
-
Ing. Diego Samaniego
. Av = 1
n . gm
= 1
EJEMPLO: El siguiente circuito es un oscilador.
a) Hallar ganancia Av y el factor de alimentacin . b) Determinar las condiciones para que oscile.
GANANCIA Av Vf = Vo
Vo = Vi (1 +
) Z2 =
; Z1 = R +
Av =
= 1 +
=
=
-
Ing. Diego Samaniego
|Av| = 1 +
WRC = 1
Av . = 1 Condicin Wo=
fo =
1 +
.
= 1 (Wo) .=
R2 = 2 R1 Wo frecuencia de oscilacin
RUIDO DE FASE.
La seal entregada por un oscilador.
Vo (t) = A cos (Wot + ) + n (t)
RUIDO
n(t) = nx (t) cos (Wot + ) componente fase
+ ny (t) sen (Wot + ) componente en cuadratura
Vo(t) =
Vo(t) = +
Ruido de Fase
RUIDO DE FASE: (t) = (
)
-
Ing. Diego Samaniego
A>>nx (t) , ny (t)
DENSIDAD ESPECTRAL DEL RUIDO DE FASE
G (f) Go (f) =TF{ } = TF [{ (t) . (t - ) }]
f = + f origen en = TF [
.
]
=
TF [ { . ] ( )
Depende de la componente en cuadratura.
Go (f) =
[ Hz -1 ]
En frecuencia SIN RUIDO
Salida del oscilador
fo f
CON RUIDO ( Mo
)
-
Ing. Diego Samaniego
OSCILADOR RUIDOSO
Pin eq = KTBF =
Vin =
Vin =
(1)
Vo analizando el Vo
-
Ing. Diego Samaniego
fo =
R =
Z (jw) =
=
=
=
(
)
=
.
(
)
=
.
=
.
. .
=
=
=
Sustituyo f = fo + f y despus a (
Z( f ) =
fo =
Q =
Vo = m Vi Z(f)
Ahora tomamos en cuenta el Ruido y la Realimentacin
Vi = n Vo + Vin
-
Ing. Diego Samaniego
Vo =m (n Vo + Vin). Z (f)
Vo = .
. Vin =
Vo =
Vin
CONDICIN DE OSCILACIN
Vo =
Vin [V/Hz]
ruido equivalente
a la entrada Vin =
Calculemos ahora el ruido total a la salida
No =
= _ _ _ =
Normalizado por la Potencia de la seal utilizada por la carga P=
=
.
la mitad de Potencia de ruido
entregado por un oscilador es
ruido de fase.
Densidad espectral del ruido de fase
G (f) = =
..
.
-
Ing. Diego Samaniego
ESPECTRO DE RUIDOS
No = KTF Para ruido trmico
No = KTF Para ruido
trmico
-
Ing. Diego Samaniego
No =
UTILIZACIN DE UN PLL PARA MEJORAR LA PUREZA ESPECTRAL
-
Ing. Diego Samaniego
Solucin
Analizando el Ruido de Fase
PLL enganchado: modelo lineal como procesador de la fase.
-
Ing. Diego Samaniego
. .
Despejamos
.
+
Por lo tanto
. alta pureza espectral.
H (s) Paso bajo
1 - H (s) Paso alto
1 H(s)
-
Ing. Diego Samaniego
W Wo
MEZCLADOR DE PUENTE DE DIODOS
Seal de RF Fs (comn) Seno con informacin
Calculo Vo(t),expresin terica sin distorsin
Vo(t)= -
Si: RF=Vs (t)=G (t) cos (2 fst)
Seal de informacin
Vo(t)=
Tenemos FI cuando n=0, separado por filtro
Adems no aborrecen folni Frf
Vo(t)FI =
rs=rl=50
Vo(t)FI =
Vo(t)FI =
GANANCIA DE CONVERSION
GC=
=
=
X X FILTRO
Ffi=fol-fs Vo?
-
Ing. Diego Samaniego
GC=
Si rs=rl>>
Gc
, entonces, Gc(db)
= -4db
ANALISIS DE DISTORSION
Ejemplo:
Vs(t)=g(t) cos(2 fst)+[Va cos(2 fat)+Vb cos(2 fbt)]interferencia
Se tiene a la salida
2fa-fb=fs
Vo(t)=
cos(2 (fs-fo)t)}termino a
+
cos(2 ((2fa-fb)-fo)t)}producto de intermodulacin de tercer orden + . .
El
se obtiene de multiplicar el cos.cos
ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO NO LINEAL
CALCULAR
URR(db)=10
20
Despejamos
URR(db)=(m-1)[ ]
=
URR(db)+ (dbm)
X g(X) fo
x Cos(fs)
Vs(t)
MEZCLADOR
RS g(t)/2 Rs g(t)
-
Ing. Diego Samaniego
Siendo la potencia de entrada
URR(db)=
(dbm)=10
+30 dbm
=
;
Se obtiene:
=
+10
=10
(Rx )
Gc=20
Siendo Rx=2[rs+rl+
]
Determine la corriente de colector del amplificador de bajo ruido
Datos:
Rs=70 rbb`= 100; rbe=800
Re=
; =80
=gm rbe Rb>>Rs
Pi 3
1
Ip3
URRI Pi
-
Ing. Diego Samaniego
F=1+
=0; Rs optimo
Para Rs fijo, Ic ptimo es:
=0; Ic optimo =
=
.
. =3.01mA
Hallar Famp=1+
re=
=
.
. . .
Famp=1+
.
=2.495
Como resultado de un anlisis de comportamiento no lineal en un mezclador basado
en puente de diodos, se ha obtenido el siguiente resultado para el voltaje de salida
sobre una carga Rl.
Vo(t)=-
2 Rl [
]cos
Dela forma general
Vo(t)= Vs(t)+ +. . . ] cos
=
;
En el ceso de fc la seal de entrada ocurre RF de la forma Vs (t)=g (t) cos(2 fst)+Va cos(2
fat)+Vb cos(2 fbt) esta es, una seal til a frecuencia de canal fs, mas seales interferentes a
frecuencias.
fA=fs+
fB=fs+2
VS
RS
RL
-
Ing. Diego Samaniego
Identificar los diferentes componentes de voltaje de salida a frecuencias intermedias (fFI= fol-
fs), como su efecto en la respuesta siguen el tnel de la seal til a la entrada a el nivel de las
seales interferentes
Usar: cos(a )=cos a cos b
-Vo(t)=
+
cos(2 ((fol+fb)-2fa)t
Donde fb-2fa =-fs
((fol+fb)-2fa)=fFI
X g(X) fo
x Cos(fs)
Vs(t)