Download A lifi d d RF Amplificadores de RF

Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009/2010
GR
C ít l 7
Capítulo
A lifi d
Amplificadores
d
de RF
Parámetros de un amplificador
Respuesta lineal
…Función
de transferencia.
„Banda de trabajo
„Ganancia
„Tiempo de retardo
…Impedancias de entrada y salida
„Impedancias nominales de
carga
„Pérdidas de retorno y relación
de onda estacionaria
vG
…Estabilidad
…Ruido
Respuesta no lineal
…
…
…
…
Punto de 1 dB de compresión.
compresión
Punto de cruce de
intermodulación de 3º orden.
Punto de cruce de
intermodulación de 2º orden.
Nivel de armónicos.
Z ENT
Z SAL
Z0
Salida
Entrada
Z0
2
Amplificadores
1
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Curso 2009/2010
Especificaciones de un amplificador
3
Tipos de amplificadores de RF
„
Amplificadores sintonizados
…
…
…
„
Amplificadores de banda ancha
…
…
„
Amplificadores de bajo ruido
Baja intermodulación
Amplificadores de banda estrecha (filtros)
Realimentados
Distribuidos
Amplificadores de potencia
…
…
…
Suelen ser sintonizados
Lineales
No lineales
4
Amplificadores
2
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Curso 2009/2010
Amplificadores sintonizados
VDC
Cb
L
Vin
C
Rce Cce
Vin
Cb
C
CL
L
RL
V0
V0
ZL
Circuito equivalente
Etapa amplificadora de sintonía simple
V0
gm
=
=
Vi g + jωCr + 1 jωL
Q=
ω 0Cr
gm g
⎛ω ω ⎞
1 + jQ⎜⎜ − 0 ⎟⎟
⎝ ω0 ω ⎠
ω0 =
g
1
LC r
CT = Cce + C + C L
g=
Función de transferencia
1
1
+
Rce RL
5
Redes de adaptación de impedancias
„
„
Red de
adaptación
Zg
vG
ZENT*
ZSAL
Red de
adaptación
ZENT
„
ZC
„
ZSAL*
Las redes de adaptación
deben presentar la
i
impedancia
d
i conjugada.
j
d
Adaptación en parte real
(máxima transferencia de
potencia)
Adaptación en parte
imaginaria (sintonía)
Redes de adaptación sin
pérdidas. Formadas p
p
por
elementos no disipativos.
…
„
L,C, transformadores,
líneas de transmisión.
Banda limitada.
6
Amplificadores
3
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Curso 2009/2010
Adaptación de impedancias
„
Adaptación de R1=50 a R2=1000
L
C
R1<R2
R1
C
R1
R2
L
R2
Red de adaptación LC
Q1 =
R 2 - 1 = 4.36 L1 = R1 Q1 = 34.7µH
ωo
R1
L1′ = L1
1 + Q12
= 36.5µH
C2 =
2
1
= 693pF
L1′ ωo
2
Q1
Respuesta en frecuencia
⎛
⎞
ωC R
R ′R
QT = ωo C2⎜ 1 2 ⎟ = o 2 2 = 2.18
⎜
⎟
2
⎝ R1′ + R 2 ⎠
f o = 460KHz
B-3dB =
QT
7
Circuitos de doble sintonía
R1
Ck
M
C1 L1
L2
k=
C2
C1 L1
L1
L2 C2
k=
C2
k=
R1
M
L1 L2
M
R1 C1
R2
R2
M
L1L2
Circuitos de
doble sintonía
Ck
C1 C2
R2
R1
L2
R2
C1
L1
k=
L2
Lk
C2
Lk
L1 L2
Respuesta de un circuito
de doble sintonía
8
Amplificadores
4
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Amplificadores multietapa
g p (f) = g p1 (f).g
(f) g p2 (f)...g
(f) g pn (f) =
„
g p1 (f 01 ) g p2 (f 02 ) g pn (f 0n )
.
...
1 + x12 1 + x 22
1 + x 2N
„
=
Amplificadores
sintonizados en cascada
Variables de diseño:
…
donde
…
⎛ f f ⎞
x i = Q i ⎜⎜ − 0i
⎝ f 0i f ⎠
gp1
…
gp2
Ganancia de los
amplificadores.
Frecuencia de sintonía (fi)
Factor de calidad ((Qi)
gpn
9
Amplificadores multietapa
„
Amplificadores de sintonía fija. (f0i=f0, Qi=Q)
⎛ 1 ⎞
g p (f) = g p1 (f 0 ).g p2 (f 0 )...g pn (f 0 )⎜
2 ⎟
⎝1+ x ⎠
n
g p (f 0 ) = g p1 (f 0 ).g p2 (f 0 )...g pn (f 0 )
B−3dB =
1
f0
2 n −1
Q
g1
g2
gN
10
Amplificadores
5
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Amplificadores de sintonía escalonada
„
„
Sintonía escalonada
Cada etapa tiene:
…
…
„
Su frecuencia de
sintonía (fi)
Su factor de calidad
(Qi)
Se ajustan para
…
…
Máximo ancho de
banda
Rizado controlado en
la banda.
Respuesta de un amplificador de sintonía escalonada
11
Amplificadores de banda ancha
Realimentados
Red de
adaptación
…
Red de
adaptación
…
Permiten obtener una ganancia constante en bandas
grandes (una octava)
Permiten adaptación de impedancias en banda ancha
La realimentación puede ser disipativa
Red de
adaptación
…
Red de
adaptación
„
12
Amplificadores
6
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Amplificadores distribuidos
„
„
„
Se comportan como una línea de transmisión activa
Consiguen bandas de trabajo muy grandes (más de
una década)
dé d )
Tienen poca ganancia
Entrada
R0
Salida
R0
13
Amplificadores de potencia
Objetivo
Tipos de amplificadores
Máxima generación de
potencia con las limitaciones
del dispositivo.
…
…
…
…
…
Especificaciones
…
Parámetros adicionales
„Potencia máxima a la salida
„Potencia máxima disipada
„Rendimiento
„Linealidad
…
Clase A
A.
Clase B y AB.
Clase C.
Clase D.
Clase E
Z ENT
Z SAL
Z0
vG
Salida
Entrada
Z0
14
Amplificadores
7
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Amplificador clase A no sintonizado
Ic0
Vcc
ic
Lc
i1
Ic0
Cb
Cb
vc
vout
RL
vin
v1
Vcc
Lc
π
0
Vbb
2π θ=ωt
Funciones de tensión y corriente
Esquema
15
Amplificador clase A. Recta de carga
ic
i1
Rec
ta d
e
Ic0
car
ga
i1
vsat
v1
Vcc
v1
vce
16
Amplificadores
8
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Amplificador clase A. Rendimiento
PDC
PDC
η
Pdis
Pdis(w)
Pout(w)
50%
η
Pout
Pin(w)
17
Amplificadores clase B
Ic0
Esquema
q
Vcc
Lc
L
vin
ic
Cb
Cb
C
Lc
Vbb
Vbb=0
Transistor al corte en el
borde de la zona de
conducción
Ciclo de conducción:
medio periodo (180º)
RL
vout
im
Ic0
vce
v1
Vcc
0
π
2π θ=ωt
Funciones de tensión y corriente
18
Amplificadores
9
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Amplificador de clase B:
Formas de onda i
c
Im
Ic0
−
V1
π
2
θ = ω0t
π
2
vc
Vcc
− 2π
−π
π
0
2π
θ = ω0t
19
Amplificador clase B. Recta de carga
ic
Re
cta
de
ca
rg
a
im
vsat
v1
Vcc
v1
vce
20
Amplificadores
10
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Amplificador clase B. Rendimiento
P
P (w)
out
dis
78%
P (w)
out
η
η
P
dis
P (w)
Rendimiento y potencia de salida
in
21
Amplificadores clase B en contrafase
22
Amplificadores
11
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Amplificador clase C
Ic0
Vcc
ic
Lc
L
vin
Ic0
Cb
Cb
im
Esquema
C
RL
vout
2θ0
Lc
vce
Vbb
v1
Vcc
Vbb<0
π
0
La tensión de base
hace que el punto de
reposo esté fuertemente
al corte
2π θ= ωt
Funciones de tensión y corriente
23
Amplificador de clase C:
Formas de onda
vb
V0
θ = ω0t
Vbb
ic
Im
Ic0
V1
θ = ω0t
θ0
− θ0
vc
Vcc
− 2π
Amplificadores
−π
0
π
2π
θ = ω0t
24
12
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I-V en amplificadores clase C
ic
a
arg
ec
ta d
Rec
im
v1(1-cos(θ))
Vcc
vce
v1
25
Clase C: Ganancia V
100%
80%
Clase A
Clase B
GV
g m RL
60%
Clase C
40%
Clase AB
20%
0%
0º
20º
40º
60º
80º
100º
120º
140º
160º
180º
θ0
26
Amplificadores
13
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Clase C: Rendimiento
Clase C
100%
Clase B
η
90%
Clase AB
80%
Clase A
70%
θ0
60%
50%
0º
20º
40º
60º
80º
100º
120º
140º
160º
180º
27
Amplificador clase C. Rendimiento
P
P (w)
out
dis
η
P (w)
out
η
90%
P
dis
P (w)
Rendimiento y potencia de salida
in
28
Amplificadores
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Amplificador clase D. Alto rendimiento
vc2
Vcc
θ=ωt
Vcc
i0
L
C
θ=ωt
i1
Vin
ZL
V0
θ=ωt
i2
θ=ωt
Esquema
Funciones de tensión y corriente
29
Amplificador clase E
vb
Vcc
i0+ic0
θ=ωt
θ=ωt
L
ic
C
icp
Vin
Cp
RL
V0
θ=ωt
θ=ωt
vc
Esquema
Funciones de tensión y corriente
30
Amplificadores
15
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009/2010
Problema 2: Sept. 2007
Se q
quiere analizar un sistema transceptor
p ((transmisor y receptor)
p ) de
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
PLL
Modulador FSK
BB (RX)
BB (TX)
31
Problema 2: Sept. 2007
El funcionamiento del dispositivo
p
es el siguiente:
g
el sistema tiene una
única 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
ganancia
i variable.
i bl L
La señal
ñ ld
de oscilador
il d llocall d
de entrada
t d all
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.
32
Amplificadores
16
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009/2010
Prob. 2: Sept. 2007: Amplificador LNA
Los datos generales del sistema son:
• Banda de paso del filtro de entrada: 22.4
4 a 22.5
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
• 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
33
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 p
por ruido de -80 dBm ((4p)
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)
34
Amplificadores
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Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009/2010
Preguntas de Test
P7 1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintonía simple,
P7.1
simple el ancho de banda
medido 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
g
con cualquier
q
carga
g reactiva p
pura.
d) 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 de
a) 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
35
Preguntas de Test
P7.4 La ganancia disponible o relación entre las potencias disponibles de salida y entrada
de 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.
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 una
sinusoide?
a) 10%
b) 50%
c) 75%
d) 90%
36
Amplificadores
18
Electrónica de Comunicaciones
Curso 2009/2010
Preguntas de Test
P7 7 N
P7.7
No se puede
d utilizar
tili
un amplificador
lifi d clase
l
C con señales
ñ l moduladas
d l d en
amplitud 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 potencia
porque:
a) El transistor trabaja sólo en saturación o en corte.
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.
37
Preguntas de Test
P7.9 Un amplificador
p
clase A tiene un rendimiento del 50% con una p
potencia de salida de
10w. ¿Qué potencia disipa cuando no hay señal a su entrada?
a)
b)
c)
d)
0W
5W
10 W
20 W
P7.10 Un amplificador clase C tiene un rendimiento del 90% y puede disipar 2w. ¿Cuál es
su potencia máxima de salida?
a)
b)
c)
d)
90 W
40 W
18 W
9W
38
Amplificadores
19