Guía de Estudio # 1 (Grupo 8CV4)

8/17/2019 Guía de Estudio # 1 (Grupo 8CV4)

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Electrónica Analógica deComunicaciones

Guía de estudio para examen parcial,correspondiente al grupo 8CV4

Prof. Heriberto E. González Jaimes Academia de Electromagnetismo de ICE Noviembre 2015 Página 1 de 5

GUÍA DE ESTUDIO, PARA EXAMEN PARCIAL DE “ ELECTRÓNICA ANALÓGICA DE COMUNICACIONES”

(Grupo 8CV4, Abri l 2016)

a) Contenido general temático que abarca el examen.

1) Filtros eléctricos. Definición general y conceptos básicos. Clasificaciones generales (por elintervalo de frecuencias en que se halla su “banda de paso”, de acuerdo al comportamiento desus “pérdidas de inserción” en dicha banda, etc). Parámetros relevantes de operación de losfiltros eléctricos: respuesta en frecuencia, tipo de aproximación, frecuencia(s) de corte, orden yfactor de rizado. Elementos básicos de diseño de filtros eléctricos pasivos (del tipo “LC”) yactivos (a base de Amp Op). Ejemplos.

2) Relaciones básicas de tensión y potencia, en redes eléctricas de dos puertos: pérdidas deinserción, ganancia, atenuación y estabilidad dinámica de una red de dos puertos. Parámetros dedispersión (o parámetros “S”), de una red de dos puertos. Cálculo de los parámetros “S” de un

cuadripolo, conocida su estructura. Condiciones de “simetría”, “reciprocidad”, “unilateralidad” y“estabilidad” de un cuadripolo, dados sus parámetros de dispersión. Ejemplos.

b) Ejemplos de preguntas y problemas vinculados a los temas del examen.

I.- Sección teórica:

1)

Defina qué es (en términos generales), un filtro eléctrico. A continuación, escriba cuales son las expresionesmatemáticas que describen – en forma genérica –, el comportamiento (en el dominio de Fourier o de lafrecuencia), de:

a)

Un filtro eléctrico “paso-altos” ideal . b)

Un filtro eléctrico “rechaza-banda” ideal .c)

¿Por qué se dice que las respuestas en frecuencia descritas por usted en los incisos anteriores, corresponden afiltros eléctricos ideales?.

2)

Defina todos y cada uno de los parámetros de operación de un filtro eléctrico cualquiera, que se citan acontinuación:

a)

Orden del filtro. b)

Banda de paso, banda de transición y banda de rechazo.c) Factor de rizado (o de “rizo”).

d)

Frecuencia(s) de corte.e)

Tipo de “aproximación” utilizada, para la síntesis del filtro en cuestión.

3)

Dibuje el diagrama eléctrico correspondiente:

a)

A un filtro eléctrico activo “paso-bajos”, de segundo orden. b) A un filtro eléctrico pasivo “pasa-banda” (del tipo LC), de cuarto orden.c)

¿Cuál es la diferencia principal entre un filtro pasivo y un filtro activo?.


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4)

Suponga que el comportamiento en frecuencia que se muestra a continuación:

|21()|filtro (dB)

( ⁄ )

1 2

3.9

0

0.9

-21.6

-45.6

En donde:

1) ω c = 4π x 105 ; es la frecuencia angular de corte del filtro.

2) ω 1 > ω c

3) ω 2 = 2ω 1 (es decir, “ω 2” está una octava

“arriba” de “ω 1”)

Describe el comportamiento de un filtro eléctrico, el cual (para ser diseñado y construido), empleó laaproximación “máximamente plana” o de Butterworth. Con base en la información ahí presentada:

a)

Diga si el filtro en cuestión es “paso-altos”, “pasa-banda”, “paso-bajos” o “rechaza-banda”. b)

Cuál es el valor de la frecuencia de corte (f c) del mismo, expresado en KHz.c)

Cuál es el intervalo de frecuencias (en Krad/s), correspondiente a la banda de paso del citado filtro.

d)

Obtenga los valores tanto del factor de rizado “ε” como del orden “n”, del mismo.e)

Determine si el filtro en cuestión, es de carácter activo o pasivo.

Para cada uno de los incisos de esta pregunta, proporcione una explicación breve y clara del porqué de susrespuestas.

5)

Mencione (al menos) DOS ventajas y DOS desventajas (o limitaciones) que poseen los filtros eléctricosACTIVOS, sobre los filtros eléctricos PASIVOS.

6)

Explique qué son (en términos generales), los parámetros “S” (o de dispersión) de una red de dos puertos.Acto seguido, cite brevemente cual es el comportamiento que deben experimentar dichas cantidades, si la reda la cual están asociados estos parámetros es de carácter o comportamiento: a) simétrico, b) recíproco, c)

unilateral y d) estable.

7)

Defina qué se entiende por: a) pérdidas de inserción, b) ganancia disponible y c) estabilidad dinámica de unared de dos puertos; procediendo a explicar brevemente de qué manera el valor de dichas cantidades estávinculado a los parámetros “S” de la red en cuestión.

II.- Sección de problemas.

Problema No. 1.- Considere la situación recreada en la siguiente figura:

Dado lo anterior, determine:

a)

El valor de la potencia disponible del generador.

Generador

sinusoidalCarga


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b)

La potencia promedio suministrada a la carga.c)

La pérdida de inserción (en forma adimensional y en dB), que produce la red “LC” mostrada en la figura.

Nota.- Para resolver este problema, se sugiere obtener primero las impedancias de cada elemento de la red, ala frecuencia mencionada anteriormente. Acto seguido, recuerde que:

= {� ̃∗}; � á 0.5{� ̃∗}; � á

Problema No. 2.- Tomando ahora como punto de partida lo descrito en la figura correspondiente al problemaanterior, calcule ahora los CUATRO parámetros de dispersión de la citada red:

a) Bajo las condiciones de operación indicadas en dicha figura (i.e. 1 = 2 = 50 Ω. @ f = 1 MHz). b)

Suponiendo ahora que – sin modificar las impedancias de referencia especificadas anteriormente –, la f oper esde 200 KHz y 4 MHz.

c)

Repita el inciso “b”, si ahora se hacen las modificaciones pertinentes para que 1 = 75 Ω y 2 = 100 Ω.d)

Según los resultados obtenidos por usted, la red del Problema No. 1…¿es simética?¿es recíproca?. En cada

caso, explique brevemente el por qué de su respuesta.

Problema No. 3.- El análisis por computadora del filtro activo RC que se muestra en la siguiente figura, arrojalos resultados que se muestran en la tabla que aparece en la parte inferior de la misma:

Dado lo anterior, determine:

a)

El valor que posee la “constante de Rollet” asociada a dicho circuito, a las frecuencias indicadas en la figura. b)

¿Cuál sería la máxima ganancia disponible de potencia (MAG) – en decibeles – que poseería dicha red, encada una de las frecuencias señaladas anteriormente?.

c)

Para ambas frecuencias…¿el circuito aludido en la figura NO sería capaz de actuar como un oscilador?.Justifique de manera breve pero clara, el porqué de su respuesta.

Problema No. 4.- Diseñe un filtro pasivo del tipo “paso-bajos” de QUINTO orden, cuyas características deoperación sean las siguientes:

a) Frecuencia de corte “f c”: 12 MHz.


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b) Factor de rizado “ε”: 3 dB.c)

Aproximación requerida: Butterworth o “máximamente plana”.d)

Impedancia de generador: 100 Ohms.

Problema No. 5.- Diseñe ahora un filtro pasivo “paso-altos” (con respuesta Chebychev o “equirizo”), cuyo

funcionamiento satisfaga los siguientes requisitos de operación:

a) Frecuencia de corte: 24 MHz.

b) Factor de rizado “ε”: 3 dB.

c)

Atenuación “α” requerida a una frecuencia f 1 = 0.7f c: No inferior a 30 dB.d)


Problema No. 6.- Diseñe un filtro pasivo “pasa-banda” (con aproximación Butterworth o “máximamente plana”), cuyas características de operación sean las siguientes:

a)

Frecuencia central “f 0”: 45 MHz.

b) Ancho de banda “∆f”: 5% de “f 0”.

c) Factor de rizado “ε”: 3 dB.

d)

Atenuación “α” requerida a una frecuencia f 1 = 1.5f 0: No inferior a 30 dB.

e) Impedancia de generador: 75 Ohms.

Problema No. 7.- Diseñe ahora un filtro pasivo “LC” del tipo “rechaza-banda”, cuyas especificaciones técnicasse proporcionan a continuación:

a)

Aproximación requerida: Chebychev b)

Frecuencias de corte inferior “f ci” y superior “f cs”: 88 MHz y 108 MHz, respectivamente.

c)

Factor de rizado “ε”: 3 dB.

d)

Atenuación “α” solicitada: No inferior a 70 dB/década, en las bandas de transición y rechazo del mismo.

e)


Problema No. 8.- Diseñe un filtro “paso-bajos” del tipo activo (a base de Amp Op), que sea capaz de satisfacerlos siguientes requisitos de operación:

a) Aproximación requerida: Butterworth. b)

Frecuencia de corte inferior “f c”: 1.6 MHz.

c)

Factor de rizado “ε”: 3 dB.d)

Atenuación mínima requerida: 16 dB @ f = 2.0f c.e)

Ganancia máxima de tensión: No mayor a 10 dB.

Problema No. 9.- Por último, diseñe otro filtro activo (que haga uso de Amp Op), cuyas especificacionestécnicas son:

a)

Tipo de respuesta en frecuencia requerida: Pasa-altas de segundo orden. b)

Frecuencia de corte: 2.5 MHz.c)

Aproximación solicitada: Chebychev, con factor de rizado de 3 dB.d) Ganancia máxima de tensión: No menor a 6 dB.

c) Bibliografía recomendada:

Pozar, David M.; Microwave Engineering (4th edition); John Wiley and Sons, Inc., USA, 2013 (Chapter 8:

Microwave Filters - sections 8.3 and 8.4 -, pp 399 to 415).


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Wait, John D., Huelsman, Lawrence P. and Korn, Granino A.; Introduction to Operational Amplifiers Theoryand Applications (2

nd edition); McGraw-Hill, Inc., Singapore, 1992 (Chapter 4: Active RC Filters, pp 239 to

284).

Sierra Pérez, Manuel, et al; Electrónica de Comunicaciones, Prentice Hall/Pearson Educación, S.A., España,2003 (Capítulo 8: Filtros pasivos de RF, pp 194 a 198 y 204 a 208).

Misra, Devendra K.; Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits: analysis and design (2nd

edition); John Wiley and Sons, Inc., USA, 2004 (Chapter 8: Two-Port Networks, pp 304 to 322).

Ellinger, Frank; Radio Frequency Integrated Circuits and Technology (2nd

edition); Springer Verlag, GmbH,Germany, 2008 (Chapter 3: S-Parameters and Impedance Transformation, pp 68 to 71; Chapter 4: RF Basics, pp 83 to 85 and 87 to 92).

Las notas de clase y los ejercicios resueltos en el aula, correspondientes a los temas que contempla esta guía.

Nota importante.- Para determinar cuál debería ser el orden mínimo que debe poseer CUALQUIER filtro

(i.e. pasivo o activo) con aproximación Butterworth o Chebychev de factor de rizado “ε” (dB) – sin importar si

dicho filtro es “paso-bajos”, “´paso-altos”, “pasa-banda” o “rechaza-banda” –, para conseguir que la atenuaciónofrecida por el mencionado filtro a una frecuencia “f 1” que se ubique FUERA de su(s) banda(s) de “paso”, NOsupere un valor mínimo preestablecido; se sugiere revisar el Ejemplo 8.3 del libro de Pozar (pp 410-411), asícomo los Ejemplos 8.1 y 8.2 del libro de Sierra Pérez (pp 198 y 204 a 205, respectivamente).

d) Observaciones, comentarios y recomendaciones generales.

1. El contenido de este documento, NO necesariamente corresponde al formato que tendrán las preguntasy los problemas que serán incluidos en el examen para el cual se ha elaborado la presente Guía.

2. Se aconseja (en los casos en que esto sea posible), el llevar a cabo la simulación por computadora delos circuitos que se le solicita en su caso sean diseñados y propuestos por usted para dar solución a

algunos de los problemas formulados en este documento, con el fin de establecer si su respuesta seajusta o no a lo requerido en su oportunidad.

3.

Puesto que el propósito fundamental de esta Guía es el de orientar un poco más el estudio de aquéllostemas que darán forma al examen que ha motivado la realización del presente manuscrito, esconveniente hacer las siguientes precisiones y sugerencias:

•

La resolución de esta Guía, es completamente OPCIONAL.• Debido a lo anterior, NO se otorgará NINGÚN estímulo adicional (i.e. “puntos

extra”), a quien presente la solución completa o parcial de la misma.• Siéntase en libertad de consultar OTRAS fuentes o referencias istint s a las

sugeridas en la sección anterior de esta Guía (si así lo juzga conveniente), al

momento de estudiar cualquiera de los tópicos mencionados al inicio de la misma.• El profesor de este Curso procurará atender (en la medida de lo posible), las dudas

que desee plantearle en torno a los temas antes citados, en los términos que dichapersona mencione en su oportunidad.

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