Parámetros de un amplificador

Transcripción

1 GR Capítulo 7 Amplificadores 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 Estabilidad Ruido v G Respuesta no lineal Punto de 1 db de compresión. Punto de cruce de intermodulación de 3º orden. Punto de cruce de intermodulación de º orden. Nivel de armónicos. Z 0 Entrada Z ENT Z SAL Salida Z 0 Amplificadores 1

2 Especificaciones de un amplificador 3 Tipos de amplificadores de RF Amplificadores sintonizados Amplificadores de bajo ruido Baja intermodulación Amplificadores de banda estrecha (filtros) Amplificadores de banda ancha Realimentados Distribuidos Amplificadores de potencia Suelen ser sintonizados Lineales No lineales 4 Amplificadores

3 Amplificadores sintonizados V DC C b L R ce C ce V in C L C L R L V 0 C b V V 0 in C Z L Etapa amplificadora de sintonía simple Función de transferencia Circuito equivalente V0 gm gm g = = Vi g + jωcr + 1 jωl ω ω 0 1+ jq ω0 ω C Q = ω 0 g C = C + C + C T ce L = g r R ce R L ω = 1 0 LC r 5 Redes de adaptación de impedancias v G Z g Red de adaptación Z ENT Z SAL Z ENT * Z SAL * Red de adaptación Z C Las redes de adaptación deben presentar la impedancia i conjugada. Adaptación en parte real (máxima transferencia de potencia) Adaptación en parte imaginaria (sintonía) Redes de adaptación sin pérdidas. Formadas por elementos no disipativos. L,C, transformadores, líneas de transmisión. Banda limitada. 6 Amplificadores 3

4 Adaptación de impedancias Adaptación de R1=50 a R=1000 L R 1 <R C R 1 C R R 1 L R Red de adaptación LC Q = 1 R Q R1 1-1 = 4.36 L1 = = 34.7µ H R1 ωo 1+ Q1 L1 = L1 = 36.5µ H Q 1 R R C = R Q = 1 ωo T ωo C =.18 R1 + R 1 C = = 693pF L1 ωo B -3dB f o = = 460KHz Q T Respuesta en frecuencia 7 Circuitos de doble sintonía M R 1 C L 1 L R 1 C C k R 1 C L 1 L R 1 C Circuitos de doble sintonía k = M LL 1 M R 1 C 1 C R R 1 k = Ck C C 1 C 1 L 1 L C R L 1 L L k k = M LL 1 k = Lk LL 1 Respuesta de un circuito de doble sintonía 8 Amplificadores 4

5 Amplificadores multietapa g p (f) = gp1 (f).g p (f)...g pn (f) = Amplificadores gp1(f01) gp(f0) gpn (f0n ) sintonizados en cascada = x1 1+ x 1+ x Variables de diseño: N Ganancia de los donde amplificadores. Frecuencia de sintonía (f i ) f f 0i Factor de calidad (Q i x i) i = Qi f0i f g p1 g p g pn 9 Amplificadores multietapa Amplificadores de sintonía fija. (f 0i =f 0, Q i =Q) g (f) = g p p1 (f 0 ).g f 1 0 n = 1 Q p (f 0 )...g pn gp (f0) = gp1(f0).gp(f0)...gpn (f0) B 3dB 1 (f0) 1+ x n g 1 g g N 10 Amplificadores 5

6 Amplificadores de sintonía escalonada Sintonía escalonada Cada etapa tiene: Su frecuencia de sintonía (f i ) Su factor de calidad (Q i ) 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 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 Red de adaptación Red de adaptación 1 Amplificadores 6

7 Amplificadores distribuidos Se comportan como una línea de transmisión activa Consiguen bandas de trabajo muy grandes (más de una década) d Tienen poca ganancia Entrada R 0 R 0 Salida 13 Amplificadores de potencia Objetivo Máxima generación de potencia con las limitaciones del dispositivo. Especificaciones Parámetros adicionales Potencia máxima a la salida Potencia máxima disipada Rendimiento Linealidad v G Tipos de amplificadores Clase A. Clase B y AB. Clase C. Clase D. Clase E Z 0 Entrada Z ENT Z SAL Salida Z 0 14 Amplificadores 7

8 Amplificador clase A no sintonizado Ic0 V Vcc Lc i c i 1 Cb Cb I c0 vinin Lc RL vout v c v 1 Vbb 0 π π θ=ωt Esquema Funciones de tensión y corriente 15 Amplificador clase A. Recta de carga i c i 1 I c0 Recta de carga ga i 1 v sat v 1 v 1 v ce 16 Amplificadores 8

9 Amplificador clase A. Rendimiento P DC P dis (w) P out (w) P DC P dis η 50% η P out P in (w) 17 Amplificadores clase B Esquema I c0 L c v in C b L c C b L C R L v out i c I c0 i m V bb =0 V bb Transistor al corte en el borde de la zona de conducción Ciclo de conducción: medio periodo (180º) v ce v 1 0 π π θ=ωt Funciones de tensión y corriente 18 Amplificadores 9

10 Amplificador de clase B: Formas de onda i I c m I c0 π π θ = ω 0 t V 1 v c π π 0 π π θ = ω 0 t 19 Amplificador clase B. Recta de carga i c Recta de car i m arga v sat v 1 v 1 v ce 0 Amplificadores 10

11 Amplificador clase B. Rendimiento P (w) dis P (w) out η P out η 78% P dis Rendimiento y potencia de salida P in (w) 1 Amplificadores clase B en contrafase Amplificadores 11

12 Amplificador clase C I c0 L c Esquema i c i m C b I c0 C b v in L c L C R L v out θ 0 v ce V bb V bb <0 La tensión de base hace que el punto de reposo esté fuertemente al corte v 1 0 π π θ= ωt Funciones de tensión y corriente 3 Amplificador de clase C: Formas de onda V bb V v b 0 θ = ω 0 t I m i c I c0 θ 0 θ 0 θ = ω 0 t 0 V 1 v c π π 0 π π θ = ω 0 t 4 Amplificadores 1

13 ga Electrónica de Comunicaciones Curso 009/010 I-V en amplificadores clase C i c Recta de carg i m v 1 (1-cos(θ)) v 1 v ce 5 Clase C: Ganancia V 100% GV g R m L 80% 60% 40% Clase C Clase B Clase AB Clase A 0% 0% 0º 0º 40º 60º 80º 100º 10º 140º 160º 180º θ 0 6 Amplificadores 13

14 Clase C: Rendimiento Clase C 100% Clase B 90% η Clase AB 80% Clase A 70% 60% θ 0 50% 0º 0º 40º 60º 80º 100º 10º 140º 160º 180º 7 Amplificador clase C. Rendimiento P (w) dis P (w) out η P out η 90% P dis Rendimiento y potencia de salida P in (w) 8 Amplificadores 14

15 Amplificador clase D. Alto rendimiento v c Vcc θ=ωt L C i 0 θ=ωt V in Z L V0 i 1 θ=ωt Esquema i θ=ωt Funciones de tensión y corriente 9 Amplificador clase E v b i 0 +i c0 θ=ωt θ=ωt L C i c i cp θ=ωt V C in p R L V 0 Esquema v c θ=ωt Funciones de tensión y corriente 30 Amplificadores 15

16 Problema : Sept. 007 Se quiere analizar un sistema transceptor (transmisor y receptor) 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 BB (RX) PLL Modulador FSK BB (TX) 31 Problema : Sept. 007 El funcionamiento del dispositivo es el siguiente: 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 variable. La señal lde oscilador local lde 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. 3 Amplificadores 16

17 Prob. : Sept. 007: Amplificador LNA Los datos generales del sistema son: Banda de paso del filtro de entrada:.4 a.5 GHz Frecuencias portadoras: 40 a 480 MHz con saltos de 1 MHz. Nótese que en transmisión y en recepción se utiliza la misma banda de frecuencia. Frecuencia intermedia: 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 : 90 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 = 5 db. Pmin = -0 dbm. Pmax = 10 dbm 33 Prob. : Sept. 007: 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=90K y k= W/Hz/K) (3p). Calcule la figura de ruido del amplificador anterior para mantener la misma sensibilidad limitada por ruido de -80 dbm (4p) 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 17

18 Preguntas de Test P7.1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintonía 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. 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. 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 90k. 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. 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

19 Preguntas de Test P7.77 No se puede utilizar un amplificador clase C con señales moduladas 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. 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 clase A tiene un rendimiento del 50% con una potencia de salida de 10w. Qué potencia disipa cuando no hay señal a su entrada? a) 0 W b) 5 W c) 10 W d) 0 W P7.10 Un amplificador clase C tiene un rendimiento del 90% y puede disipar w. Cuál es su potencia máxima de salida? a) 90 W b) 40 W c) 18 W d) 9 W 38 Amplificadores 19