Electrónica de Comunicaciones

ATE-UO EC piezo 00

CONTENIDO RESUMIDO:

1- Introducción.

2- Osciladores.

3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación.

4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos.

5- Amplificadores de pequeña señal para RF.

6- Amplificadores de potencia para RF.

7- Moduladores.

8- Demoduladores.

9- Tipos y estructuras de receptores de RF.

10- Tipos y estructuras de transmisores de RF.

11- Transceptores para radiocomunicaciones.

4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos

ATE-UO EC piezo 01

Idea fundamental:

Conseguir una respuesta en frecuencia de filtro ideal pasa-banda

vg

Rg

Filtro

+

RL

+

-

vs

+

-

vevg

Rg

Filtro

+

RL

+

-

vs

+

-

vs

+

-

ve

+

-

ve

vs/ve, vs/vg, [dB]

f [Hz]

ATE-UO EC piezo 02

Filtro pasa-banda elemental (I)

Notación:

r = 1/(LC)1/2

XL()= j·L

XC()= -j/(·C)

XLr = jr·L

XCr= -j/(r·C) = -XLr

QF = L·r/Rp

GV = vs/vg

vg

Rg

Filtro

+

RL

+

-

vs

LC Rp

QR, QF

f0,5·f 1,5·f

0

-20

-40

-60

GV [dB]

1, 20

1, 100

10, 20 10, 100

Supongamos:

RL = Rg = R

Definimos:

QR = L·r/R

QR, QF

f0,5·f 1,5·f

GV [dB]0

-20

-40

-60

-80ATE-UO EC piezo 03

Filtro pasa-banda elemental (II)

QF = L·r/Rp QR = L·r/R GV = vs/vg

100, 20

100, 100

¿Es físicamente posible tener

valores como QR =1000?

Ejemplo: R = 100 , fr = 10 MHz

QR 1 10 100 1000

L1,59

H

15,9

H

159

H

1,5

mH

C159

pF

15,9

pF

1,59

pF

0,15

pF

CP

C

L

No, porque

sería CP > C1000, 20

1000, 100

Ejemplo: cristal de P de 10 MHz

Rp = 20 L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF

Por tanto:

QF = L·r/Rp = 47.237 Es un valor altísimo, no alcanzable con componentes discretos.

Z(f)

200 Hz

10,0236 10,024 10,0244

0

f [MHz]

Im(Z) [M]1

-1

Solución: usar resonadores piezoeléctricos

CO

Rp

C

L

CO

Rp

C

L

ATE-UO EC piezo 04

Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos

Cristal de 10 MHz: R = 100 Rp = 20

L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (I)

ATE-UO EC piezo 05

vg

R

Filtro

+ R +

-

vsvg

R

Filtro

+ R +

-

vs vg

R

Filtro

+ R +

-

vs

LC

Rp

COvg

R

Filtro

+ R +

-

vs

LC

Rp

CO

f [MHz]

9,9

GV [dB]0

-20

-40

-60

-809,92 9,94 9,96 9,98 10

Cristal con su Co

Cristal sin su Co

¿Cómo podemos cancelar la capacidad parásita Co?

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (II)

ATE-UO EC piezo 06

vg

Rg

+RL

+

-

vs

Cext = CO

CO

LC Rp

1:n:n

iCo1

iCo2

Como Co y Cext = Co soportan

tensiones de igual magnitud y

de signo contrario, entonces:

iCo2 = -iCo1

Luego las dos corrientes se

cancelan y no llegan a la carga

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (III)

ATE-UO EC piezo 07

vg

Rg

+

RL

+

-

vs

LC Rp

1:n

Filtro

vg

Rg

+

RL

+

-

vs

+

-

vs

LC Rp

1:n

Filtro

Filtro

vg

Rg

+

RL

+

-

vs

LC Rp

1:n

LM

CR

Puede anularse la influencia de la inductancia magnetizante del transformador por resonancia

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (IV)

ATE-UO EC piezo 08

LM

CR

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext

1:n:n

Circuito final

Filtro en celosía con dos cristales (I)

ATE-UO EC piezo 09

Se eligen los cristales

de forma que: fRP1 = fRS2

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

1:n:n

XT1: fRS1, fRP1

XT2: fRS2, fRP2

10 f [MHz]

Im(Z) [k]

0

50

-50

10,005

fRP1fRS1

fRP2fRS2

XT1: fRS1, fRP1

XT2: fRS2, fRP2

Filtro en celosía con dos cristales (II)

ATE-UO EC piezo 10

CO1

Rp1

C1

L1

CO2

Rp2

C2

L2

ZXT1 ZXT2

QXT1 = L1·r/Rp1

QXT2 = L2·r/Rp2

Supongamos:

n = 1; Rg = RL = R

GV = vs/vg =R(ZXT2 – ZXT1)

4·R2 + ZXT2·ZXT1 + 2·R·(ZXT2 + ZXT1) (aquí no demostrada)

Filtro en celosía con dos cristales (III)

ATE-UO EC piezo 11

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-vs

1:n:n

XT1: fRS1, fRP1

XT2: fRS2, fRP2

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-vs

1:n:n

XT1: fRS1, fRP1

XT2: fRS2, fRP2

Supongamos:

n = 1

Rg = RL = R

QXT = L·r/Rp =105

GV [dB]0

-20

-40

-6010 f [MHz]10,010

Qfiltro = L·r/R

103

5·103

200Filtro

vs

vg

Rg

+ RL

+

-

1:n:n

XT1

XT2LM

CR

Filtro

vs

vg

Rg

+ RL

+

-

1:n:n

XT1

XT2LM

CR

LM

CR

Transformadorresonante

Filtro

vg

Rg

+ 1:1

RL

+

-vs

XT2: fRS2, fRP2

XT3: fRS2, fRP2XT1: fRS1, fRP1

XT4:fRS1, fRP1

Filtro en celosía con cuatro cristales (I)

ATE-UO EC piezo 12

Realización física 1

XT1: fRS1, fRP1

XT2: fRS2, fRP2

XT3: fRS2, fRP2

XT4: fRS1, fRP1

Filtro en celosía con cuatro cristales (II)

ATE-UO EC piezo 13

Realización física 2

Filtro

vg

Rg

+

RL

+

-vs

XT2

XT3

XT1

XT4

Filtro en celosía con cuatro cristales (III)

ATE-UO EC piezo 14

Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)

Supongamos:

XT1 = XT4; XT2 = XT3; Rg = RL = R

R·(ZXT2 – ZXT1)2

4·R·ZXT2 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT2)·(ZXT2 + ZXT1) Y1 =

R·(ZXT2 – ZXT1)2

4·R·ZXT1 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT1)·(ZXT2 + ZXT1) Y2 =

R·(ZXT2 – ZXT1)

2·R + ZXT1Y3 =

GV = vs/vg = R·(Y1 + Y2) + ZXT1·Y1 + ZXT3·Y3 + 1

1

Definimos:

Entonces:

ATE-UO EC piezo 15

Supongamos: QXT = L·r/Rp =105

Transformadorresonante

Filtro en celosía con cuatro cristales (IV)

Filtro

vg

Rg

+ 1:1

RL

+

-vs

XT2

XT3XT1

XT4

Filtro

vg

Rg

++ 1:1

RL

+

-vs

XT2

XT3XT1

XT4

GV [dB]0

-20

-40

-6010

f [MHz]10,010

Qfiltro = L·r/R

4·103

1333,3

2000Filtro

vg

Rg

+ 1:1

RL

+

-vs

XT2

XT3XT1

XT4

LMCR

Filtro

vg

Rg

++ 1:1

RL

+

-vs

XT2

XT3XT1

XT4

LMCR

GV [dB]0

-20

-40

-6010

f [MHz]10,010

Qfiltro = L·r/R

ATE-UO EC piezo 16

Comparación de los filtro con uno, dos y cuatro cristales

1XT, Qfiltro = 10000

1XT, Qfiltro = 2000

2XT, Qfiltro = 2000

4XT, Qfiltro = 2000

Filtro en escalera con dos cristales (I)

ATE-UO EC piezo 17

Inconveniente de los filtros en celosía: los cristales tienen que

ser de dos frecuencias

Solución: filtros en escalera. Los cristales son de la misma

frecuencia

Filtro

vg

Rg

+ RL+

-vsCP

XT1 XT2

XT1 = XT2

Filtro en escalera con dos cristales (II)

ATE-UO EC piezo 18

vg

R

+ R +

-vsZCP

ZXT ZXT

Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)

Supongamos: Rg = RL = R

GV = vs/vg =R·ZCP

(R + ZXT)·(R + ZXT + 2·ZCP)

Filtro en escalera con dos cristales (III)

ATE-UO EC piezo 19

Definimos:

QXT = L·r/Rp;

Qfiltro = L·r/R;

QCP = R·CP·r

Supongamos:

QXT =105

GV [dB]0

-20

-40

-6010

f [MHz]10,010

QCP; Qfiltro

1; 5000

1; 10000

0,5; 5000

0,5; 10000

Filtro en escalera con cuatro cristales

ATE-UO EC piezo 20

vg

R

+ R +

-

vs

ZXT

ZCP ZCP ZCP

ZXT ZXT ZXT

ZCP

ZCP

Filtro a cristal del Iler 40 Filtro a cristal del Iler 20

Ejemplos de otros filtros en escalera

Cristales de 8 MHz

Transformadores para adaptar impedancias

Cristales de 8,467 MHz

Kit KN-Q7ATE-UO EC piezo 21

GV/GV max [dB]0

-20

-40

-60

f 60dB

Parámetros de definición de filtros a cristal

ATE-UO EC piezo 22

• Rizado

Factor de forma a 60 dB == B/F60dB

B

6 dB

Rizado

• Ancho de banda (B)

• Frecuencia central

• Pérdidas de inserción.

• Impedancia de terminación (R y C)

• Atenuación final

• Factor de forma a 60 o a 80 dB

Otros filtros basados en materiales piezoeléctricos

ATE-UO EC piezo 23

• Los filtros a cristal de cuarzo son muy efectivos, pero son caros

• Se pueden usar otros materiales piezoeléctricos artificiales de precios muy inferiores

• Se comportan de una forma similar, pero con peores características

Otros tipos de filtros piezoeléctricos:

• Filtros cerámicos f 0,45-60 MHz; Qdispositivo 800-2000; Pinserción

3-4dB

• Filtros de ondas acústicas superficiales (Surface Acustic Waves,

SAW) f 20-1000 MHz; f/B 2-100; B/F60dB 1:1,5; Pinserción

10-30dB

Filtros cerámicos (I)

ATE-UO EC piezo 24

• Los materiales piezoeléctricos cerámicos usados son del tipo titanato-circonato de plomo o niobato de sodio-potasio

• La forma característica es de un disco de material cerámico con electrodos depositados

• Ejemplo: resonador cerámico para amplificador de Frecuencias Intermedias (FI) de 455 kHz:

5,6 mm

0,4 mmGV [dB]

0

-20

-40

-60400 f [kHz] 500

Circuito equivalente:

Rp = 20

L = 8,7 mH

C = 14 pF y

CO = 180 pF

Qresonador =1000

Circuito externo:

Rg = RL = R = 100

Con CO

Sin CO

Filtros cerámicos (II)

ATE-UO EC piezo 25

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Filtro

vg

Rg

+ RL

+

-

vs

Cext = CO

1:n:n

Filtro de un único resonador cerámico y circuito resonante (híbrido):

Filtro

PZ1 PZ4

vg

Rg

+

RL

+

-vsCP CPCP

PZ2 PZ3

Filtro

PZ1 PZ4

vg

Rg

+

RL

+

-vsCP CPCP

PZ2 PZ3

Filtro de varios resonadores cerámicos:

Aspecto

Filtros cerámicos (III)

ATE-UO EC piezo 26

Filtro cerámico monolítico:

Aspecto

Conexión

Símbolos

Filtros de ondas acústicas superficiales, SAW

ATE-UO EC piezo 27

• Se basan láminas finas de materiales piezoeléctricos tipo

niobato de litio (LiNbO3) que actúan como sustrato

• En los extremos se depositan electrodos de aluminio en forma de “dedos”

+

-vs

RLvg

+Rg

“Dedos”

Substrato piezoeléctrico

• La frecuencia de filtrado depende de las dimensiones

• La onda acústica superficial generada se traslada por el substrato, alcanza los “dedos” de salida y genera tensión en la carga

Ejemplos de filtros SAWs

ATE-UO EC piezo 28