Trabajo Electro Alt

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


POTENCIA DE EMISOR

RECEPTORES (DE RADIO FRECUENCIA SINTONIZADA)


Problema:

Filtro renovable para ajustar el canal deseado Selectividad varia con la frecuencia f selectividad


SUPERHETERODINO

MEZCLADOR

Se utiliza no linealidades para generar Info mfcl.

Segmento ms ruidoso de toda la cadena.


OSCILADOR LOCAL

ETAPA DE RADIO FRECUENCIA


RECEPTOR SUPERHETERODINO DDOBLE CONVERSIN


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


EN REALIDAD LA GANANCIA VARIABLE ES EN VARIAS ETAPAS


DISTORSIN NO LINEAL

DISTORSIN ARMNICA (X es una seal nica, a la salida hay armnicos)

CASO IDEAL


LEY CUADRTICA


CONCLUSIN

Armnico crece ms rpido con la entrada. Que el trmino fundamental.

En general el m-esimo armnico crece (en log) con pendiente m.


NOTA TRIGONOMTRICA

LEY CUBICA


POTENCIA DE SALIDA:

NOTA: se debe buscar sacar tener esta expresion

al sacar la potencia.

TERMINO FUNDAMENTAL: ya no es una recta

3 ARMONICO


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)


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)


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


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


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).


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)


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


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.


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)


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


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


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.


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)


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


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


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}

. .


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


.

.

.

+..

Aplicar la Esperanza E [ ] a cada uno . . = 0

.

+..

Podemos decir que los ruidos se suman en potencia y no en funcin

.

DISTORCION DE INTERMODULACION


Respuesta Fundamental

Respuesta Lineal

Trminos de Tercer Orden

Armnicos Productos de Intermodulacin


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)


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


. 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 +

=

=


|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) = (

)


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

)


OSCILADOR RUIDOSO

Pin eq = KTBF =

Vin =

Vin =

(1)

Vo analizando el Vo


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


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) = =

..

.


ESPECTRO DE RUIDOS

No = KTF Para ruido trmico

No = KTF Para ruido

trmico


No =

UTILIZACIN DE UN PLL PARA MEJORAR LA PUREZA ESPECTRAL


Solucin

Analizando el Ruido de Fase

PLL enganchado: modelo lineal como procesador de la fase.


. .

Despejamos

.

+

Por lo tanto

. alta pureza espectral.

H (s) Paso bajo

1 - H (s) Paso alto

1 H(s)


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?


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)


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


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


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)

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