A lifi d d RFAmplificadores de RF - gr.ssr.upm.es · potencia con las limitaciones del dispositivo....
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Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 1
GR
C ít l 7Capítulo 7
A lifi d d RFAmplificadores de RF
Parámetros de un amplificadorRespuesta lineal
Función de transferencia.Respuesta no linealPunto de 1 dB de compresiónFunción de transferencia.
Banda de trabajoGananciaTiempo de retardo
Impedancias de entrada y salidaImpedancias nominales de carga
Punto de 1 dB de compresión.Punto de cruce de intermodulación de 3º orden.Punto de cruce de intermodulación de 2º orden.Nivel de armónicos.
Z ENT Z SAL
2
Pérdidas de retorno y relación de onda estacionaria
EstabilidadRuido
Z 0
Z0Entrada
Salida
ENT SAL
vG
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 2
Especificaciones de un amplificador
3
Tipos de amplificadores de RF
Amplificadores sintonizadosAmplificadores de bajo ruidoAmplificadores de bajo ruidoBaja intermodulación Amplificadores de banda estrecha (filtros)
Amplificadores de banda anchaRealimentadosDistribuidos
Amplificadores de potencia
4
Amplificadores de potenciaSuelen ser sintonizadosLinealesNo lineales
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 3
VDC
LCb
CbV0Vin LC
CceRceCL RL
Amplificadores sintonizados
VinV0C ZL
Etapa amplificadora de sintonía simpleCircuito equivalente
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
=++
=
ωω
ωωωω 0
0
0
11
jQ
ggLjCjg
gVV m
r
m
i
5Función de transferencia Lce RRg 11
+=
LceT CCCC ++=
gCQ r0ω
=rLC
10 =ω
Redes de adaptación de impedancias
Las redes de adaptación deben presentar la i d i j dimpedancia conjugada.Adaptación en parte real (máxima transferencia de potencia)Adaptación en parte imaginaria (sintonía)Redes de adaptación sin pérdidas. Formadas por
Zg
ZC
vG
Red
de
adap
taci
ón
Red
de
adap
taci
ón
ZENT ZSAL
6
p pelementos no disipativos.
L,C, transformadores, líneas de transmisión.
Banda limitada.
ZENT* ZSAL
*
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 4
CL R1<R2
Adaptación de impedanciasAdaptación de R1=50 a R2=1000
R1 R2R1 R2 LC
Red de adaptación LC
1Q+1
H34.7=QR=L4.36=1-R
R=Q
2
o
111
1
21
µω
7
Respuesta en frecuencia
693pF=L
1=CH36.5=Q
Q+1L=L
2o1
221
111
ωµ
′
′
460KHz=Q
f=B 2.18=2
RC=R+R
RRC=QT
o3dB-22o
21
212oT
ω⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ω
′
′
LL11 LL22RR11 RR22CC11 CC22
CCkk
LL11 LL22RR11 RR22CC11 CC22
MM
M
Circuitos de doble sintonía
Circuitos de doble sintonía
LL11 LL22
RR11 RR22
CC11 CC22
LLkkLL11 LL22
RR11 RR22CC11 CC22
MM
k ML L1 2
=
k LL L
k
1 2=k M
L L1 2=
k CC C
k
1 2=
8
Respuesta de un circuito de doble sintonía
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Amplificadores 5
Amplificadores multietapa
(f)(f) g(f) gg(f)g == Amplificadores
2N
0npn22
02p221
01p1
pnp2p1p
x1)(fg
...x1
)(fg.
x1)(fg
(f)(f)...g(f).gg(f)g
+++=
== Amplificadores sintonizados en cascadaVariables de diseño:
Ganancia de los amplificadores.Frecuencia de sintonía (fi)Factor de calidad (Qi)⎞
⎜⎜⎛ ffQ 0i
donde
9
( i)⎠
⎜⎜⎝
−=ff
Qx 0i
0iii
gp1 gp2 gpn
Amplificadores multietapa
Amplificadores de sintonía fija. (f0i=f0, Qi=Q)n
20pn0p20p1p x11)(f)...g(f).g(fg(f)g ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+
=
12fB n10 −=
)(f)...g(f).g(fg)(fg 0pn0p20p10p =
10
12Q
B 3dB −=−
g1 g2 gN
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Amplificadores 6
Sintonía escalonadaCada etapa tiene:
Amplificadores de sintonía escalonada
Cada etapa tiene:Su frecuencia de sintonía (fi)Su factor de calidad (Qi)
Se ajustan paraMáximo ancho de
11
Respuesta de un amplificador de sintonía escalonada
bandaRizado controlado en la banda.
Amplificadores de banda ancha
RealimentadosPermiten obtener una ganancia constante en bandas grandes (una octava)Permiten adaptación de impedancias en banda anchaLa realimentación puede ser disipativa
12
Red
de
adap
taci
ón
Red
de
adap
taci
ón
Red
de
adap
taci
ón
Red
de
adap
taci
ón
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 7
Amplificadores distribuidos
Se comportan como una línea de transmisión activa Consiguen bandas de trabajo muy grandes (más de
dé d )una década)Tienen poca ganancia
R0Entrada
13
R0Salida
Amplificadores de potenciaObjetivo
Máxima generación deTipos de amplificadores
Clase AMáxima generación de potencia con las limitaciones del dispositivo.
EspecificacionesParámetros adicionalesPotencia máxima a la salida
Clase A.Clase B y AB.Clase C.Clase D.Clase E
Z ENT Z SAL
14
Potencia máxima disipadaRendimientoLinealidad
Z 0
Z0Entrada
Salida
ENT SAL
vG
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Amplificadores 8
Amplificador clase A no sintonizado
VVIIc0c0 VVcccc
LLcc
LLcc
CCbb
CCbb
RRLLvvininvvoutout
IIc0c0
ic
vc
Ic0
Vcc
i1
v1
15
VVbbbb
θ=ωt0 π 2π
Funciones de tensión y corrienteEsquema
Amplificador clase A. Recta de carga
ic
Ic0
Recta de carga
i1
16
Vcc
gai1
v1 v1
vcevsat
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Amplificadores 9
Amplificador clase A. Rendimiento
P ηPDC
Pout(w)Pdis(w)
PDC
50%
η
P
Pdis
η
17
Pin(w)
Pout
Amplificadores clase BVVcccc
LLcc
IIc0c0
Esquemaic
vce
Ic0
Vcc
im
v1
VVbbbb
cc
LLcc
CCbbCCbb
LL CC RRLLvvininvvoutout
q
Vbb=0Transistor al corte en el
18
θ=ωt0 π 2π
cc
Funciones de tensión y corriente
Transistor al corte en el borde de la zona de conducción
Ciclo de conducción: medio periodo (180º)
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Amplificadores 10
Amplificador de clase B: Formas de onda
mI ci
t0ω=θ
2π
2π
−
0cI
1VccV
cv
19
0π− π π2π− 2t0ω=θ
Amplificador clase B. Recta de carga
iic
Recta de carim
20
Vcc
arga
v1 v1
vcevsat
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Amplificadores 11
Amplificador clase B. Rendimiento
P (w) ηPout
Pout
(w)
Pdis(w)
78%out
Pdis
η
21
Pin(w)
Rendimiento y potencia de salida
Amplificadores clase B en contrafase
22
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Amplificadores 12
Amplificador clase C
ic imVVcccc
LL
IIc0c0
Esquema
vce
V v1
Ic0
m
2θ0
VVbbbb
LLcc
LLcc
CCbbCCbb
LL CC RRLLvvininvvoutout
Esquema
23
θ=ωt0 π 2π
VccVbb<0
Funciones de tensión y corriente
La tensión de base hace que el punto de reposo esté fuertemente al corte
Amplificador de clase C: Formas de onda
0VV
bv
tω=θ
mI
t0ω=θ
ci
θ
0cI
bbV t0ω=θ
θ
24
00θ
0π− π π2π− 2
1V
ccV
cv
t0ω=θ
0θ−
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Amplificadores 13
I-V en amplificadores clase C
icc
Recta de carg
im
25
Vccga
v1(1-cos(θ)) v1
vce
Clase C: Ganancia V
100%
40%
60%
80%
Lm
V
RgG
Clase B Clase A
Clase ABClase C
26
0º 20º 40º 60º 80º 100º 120º 140º 160º 180º0%
20%
0θ
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Amplificadores 14
Clase C: Rendimiento
100%
Clase C
70%
80%
90%
100% Clase B
Clase A
Clase ABη
27
0º 20º 40º 60º 80º 100º 120º 140º 160º 180º50%
60%0θ
Amplificador clase C. Rendimiento
P (w) ηPout
Pout
(w)
Pdis(w)
90%
out
Pdis
η
28
Pin(w)
Rendimiento y potencia de salida
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Amplificadores 15
Amplificador clase D. Alto rendimiento
v
Vin V0
L C
ZL
Vcc
vc2 Vcc
i0θ=ωt
i1
θ=ωt
29
i2
θ=ωt
θ=ωt
Funciones de tensión y corriente
Esquema
Amplificador clase E
vb
L C
Vcci0+ic0
θ=ωt
icp
ic
θ=ωt
θ=ωt
30
Vin V0RLCp θ=ωt
vc
Funciones de tensión y corriente
Esquema
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 16
Problema 2: Sept. 2007
Se quiere analizar un sistema transceptor (transmisor y receptor) de q p ( y p )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 BB (RX)
ML7050LA
DEMOD BB (RX)
31
PLL Modulador FSK
BB (TX)PLL Modulador FSK
BB (TX)
Problema 2: Sept. 2007
El funcionamiento del dispositivo es el siguiente: el sistema tiene una p gúnica 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
i i bl L ñ l d il d l l d t d l
32
ganancia variable. La señal de oscilador local de entrada al 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.
Electrónica de Comunicaciones Curso 2009/2010
Amplificadores 17
Prob. 2: Sept. 2007: Amplificador LNA
Los datos generales del sistema son:• Banda de paso del filtro de entrada: 2 4 a 2 5 GHz• Banda de paso del filtro de entrada: 2.4 a 2.5 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
33
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
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 por ruido de -80 dBm (4p)
34
p ( 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)
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Amplificadores 18
Preguntas de Test
P7 1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintonía simple el ancho de bandaP7.1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintonía simple, el ancho de bandamedido 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 con cualquier carga reactiva pura.
35
) g q g pd) 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 dea) 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
Preguntas de Test
P7.4 La ganancia disponible o relación entre las potencias disponibles de salida y entradade 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
36
c) Tener una respuesta lineal con un nivel bajo de 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 unasinusoide?
a) 10%b) 50%c) 75%d) 90%
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Amplificadores 19
Preguntas de Test
P7 7 N d tili lifi d l C ñ l d l dP7.7 No se puede utilizar un amplificador clase C con señales moduladas enamplitud 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 potenciaporque:
a) El transistor trabaja sólo en saturación o en corte
37
a) El transistor trabaja sólo en saturación o en 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.
Preguntas de Test
P7.9 Un amplificador clase A tiene un rendimiento del 50% con una potencia de salida dep p10w. ¿Qué potencia disipa cuando no hay señal a su entrada?
a) 0 Wb) 5 Wc) 10 Wd) 20 W
P7.10 Un amplificador clase C tiene un rendimiento del 90% y puede disipar 2w. ¿Cuál essu potencia máxima de salida?
38
a) 90 Wb) 40 Wc) 18 Wd) 9 W