amplificadores de rf

Electrnica de Comunicaciones Curso 2009/2010

Amplificadores 1

GR

C t l 7Captulo 7

A lifi d d RFAmplificadores de RF

Parmetros de un amplificadorRespuesta lineal

Funcin de transferencia.Respuesta no lineal

Punto de 1 dB de compresinFuncin de transferencia.Banda de trabajoGananciaTiempo de retardoImpedancias de entrada y salidaImpedancias nominales de carga

Punto de 1 dB de compresin. Punto de cruce de

intermodulacin de 3 orden. Punto de cruce de

intermodulacin de 2 orden. Nivel de armnicos.

Z ENT Z SAL

2

Prdidas de retorno y relacin de onda estacionaria

EstabilidadRuido

Z 0

Z0Entrada

Salida

ENT SAL

vG


Amplificadores 2

Especificaciones de un amplificador

3

Tipos de amplificadores de RF

Amplificadores sintonizados Amplificadores de bajo ruido Amplificadores de bajo ruido Baja intermodulacin Amplificadores de banda estrecha (filtros)

Amplificadores de banda ancha Realimentados Distribuidos

Amplificadores de potencia

4

Amplificadores de potencia Suelen ser sintonizados Lineales No lineales


Amplificadores 3

VDCL

CbCb

V0Vin LCCceRce

CL RL

Amplificadores sintonizados

VinV0C ZL

Etapa amplificadora de sintona simpleCircuito equivalente

+

=++=

0

0

0

11

jQ

ggLjCjg

gVV m

r

m

i

5Funcin de transferencia LceRR

g 11 +=LceT CCCC ++=

gCQ r0=

rLC1

0 =

Redes de adaptacin de impedancias

Las redes de adaptacin deben presentar la i d i j dimpedancia conjugada.

Adaptacin en parte real (mxima transferencia de potencia)

Adaptacin en parte imaginaria (sintona)

Redes de adaptacin sin prdidas. Formadas por

Zg

ZC

vG

Red

de

adap

taci

n

Red

de

adap

taci

n

ZENT ZSAL

6

p pelementos no disipativos. L,C, transformadores,

lneas de transmisin. Banda limitada.

ZENT* ZSAL*


Amplificadores 4

CL R1


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 cascada Variables de diseo:

Ganancia de los amplificadores.

Frecuencia de sintona (fi) Factor de calidad (Qi)

ffQ 0i

donde

9

( i)

=ff

Qx 0i0i

ii

gp1 gp2 gpn

Amplificadores multietapa

Amplificadores de sintona 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


Amplificadores 6

Sintona escalonada Cada etapa tiene:

Amplificadores de sintona escalonada

Cada etapa tiene: Su frecuencia de

sintona (fi) Su factor de calidad

(Qi)

Se ajustan para Mximo ancho de

11

Respuesta de un amplificador de sintona escalonada

banda Rizado controlado en

la banda.

Amplificadores de banda ancha

Realimentados Permiten obtener una ganancia constante en bandas

grandes (una octava) Permiten adaptacin de impedancias en banda ancha La realimentacin puede ser disipativa

12

Red

de

adap

taci

n

Red

de

adap

taci

n

Red

de

adap

taci

n

Red

de

adap

taci

n


Amplificadores 7

Amplificadores distribuidos

Se comportan como una lnea de transmisin activa Consiguen bandas de trabajo muy grandes (ms de

d d )una dcada) Tienen poca ganancia

R0Entrada

13

R0Salida

Amplificadores de potenciaObjetivo

Mxima generacin deTipos de amplificadores Clase A Mxima generacin de

potencia con las limitaciones del dispositivo.

Especificaciones Parmetros adicionalesPotencia mxima a la salida

Clase A. Clase B y AB. Clase C. Clase D. Clase E

Z ENT Z SAL

14

Potencia mxima disipadaRendimientoLinealidad

Z 0

Z0Entrada

Salida

ENT SAL

vG


Amplificadores 8

Amplificador clase A no sintonizado

VVIIc0c0 VVcccc

LLcc

LLcc

CCbbCCbb

RRLLvvinin vvoutout

IIc0c0

ic

vc

Ic0

Vcc

i1

v1

15

VVbbbb=t0 2

Funciones de tensin y corrienteEsquema

Amplificador clase A. Recta de carga

ic

Ic0Recta de carga

i1

16

Vcc

gai1

v1 v1vcevsat


Amplificadores 9

Amplificador clase A. Rendimiento

P PDC

Pout(w)Pdis(w)

PDC

50%

P

Pdis

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

=t0 2cc

Funciones de tensin y corriente

Transistor al corte en el borde de la zona de conduccin

Ciclo de conduccin: medio periodo (180)


Amplificadores 10

Amplificador de clase B: Formas de onda

mIci

t0=2

2

0cI

1VccV

cv

19

0 2 2 t0=

Amplificador clase B. Recta de carga

iic

Recta de carim

20

Vcc

arga

v1 v1vcevsat


Amplificadores 11

Amplificador clase B. Rendimiento

P (w)Pout

Pout

(w)

Pdis(w)78%

out

Pdis

21

Pin(w)

Rendimiento y potencia de salida

Amplificadores clase B en contrafase

22


Amplificadores 12

Amplificador clase C

ic imVVcccc

LL

IIc0c0

Esquema

vceV v1

Ic0m

20

VVbbbb

LLcc

LLcc

CCbbCCbb

LL CC RRLLvvininvvoutout

Esquema

23

=t0 2Vcc

Vbb


Amplificadores 13

I-V en amplificadores clase C

icc

Recta de carg

im

25

Vccga

v1(1-cos()) v1vce

Clase C: Ganancia V

100%

40%

60%

80%

Lm

V

RgG

Clase B Clase A

Clase ABClase C

26

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800%

20%

0


Amplificadores 14

Clase C: Rendimiento

100%

Clase C

70%

80%

90%

100% Clase B

Clase A

Clase AB

27

0 20 40 60 80 100 120 140 160 18050%

60%0

Amplificador clase C. Rendimiento

P (w)Pout

Pout

(w)

Pdis(w)

90%

out

Pdis

28

Pin(w)

Rendimiento y potencia de salida


Amplificadores 15

Amplificador clase D. Alto rendimiento

v

Vin V0

L C

ZL

Vcc

vc2 Vcc

i0=t

i1

=t

29

i2

=t

=t


Esquema

Amplificador clase E

vb

L C

Vcci0+ic0

=t

icp

ic

=t

=t

30

Vin V0RLCp =tvc


Esquema


Amplificadores 16

Problema 2: Sept. 2007

Se quiere analizar un sistema transceptor (transmisor y receptor) de q p ( y p )Bluetooth para comunicaciones inalmbricas entre ordenadores porttiles. El sistema propuesto est 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 gnica antena y un nico filtro que funcionan tanto en transmisin como en recepcin.

El conmutador de salida del circuito ML7050LA selecciona la rama de transmisin o la de recepcin.

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 continuacin estn el filtro de frecuencia intermedia y el amplificador de

i i bl L l d il d l l d t d l

32

ganancia variable. La seal de oscilador local de entrada al mezclador IRM la genera el propio PLL de la rama de transmisin, activando el conmutador de la rama de transmisin.

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 seal y un amplificador de potencia.


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. Ntese

que en transmisin y en recepcin 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 caractersticas de los componentes del receptor son las siguientes:

Temperatura de antena : 290 K

33

Temperatura de antena : 290 K Conmutador sin prdidas. Mezclador IRM: L = 8 dB, F = 8 dB y rechazo de banda imagen de 30

dB Filtro FI sin prdidas 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 prdidas del filtro de RF de entrada, a temperatura To, de 3 dB. (To=290K y k=1.3810-23 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 compresin a 1 dB del amplificador de RF para que el amplificador no se sature en el margen de potencias de trabajo (3p)


Amplificadores 18

Preguntas de Test

P7 1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintona simple el ancho de bandaP7.1 En un amplificador sintonizado con un circuito de sintona simple, el ancho de bandamedido a 3dB viene dado por:

a) El factor de calidad dividido por la frecuencia de sintona.b) El producto del factor de calidad y la frecuencia de sintona.c) La frecuencia de sintona dividida por el factor de calidad.d) El inverso del producto del factor de calidad y la frecuencia de sintona.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.

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) g q g pd) No oscila incluso si la carga tiene parte real negativa.P7.3 La relacin de onda estacionaria (ROE VSWR) en un amplificador es una medida dea) La potencia reflejada a su entrada y salida.b) El nivel de los productos de intermodulacin a la salida.c) La ganancia disponible del amplificador.d) La estabilidad del amplificador

Preguntas de Test

P7.4 La ganancia disponible o relacin 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 tensin con la salida en circuito abierto.d) La ganancia del cuadripolo cuando est 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 prximo a la unidad para cualquier seal.b) Tener una respuesta lineal aunque utilice dos transistores para conseguirlo.c) Tener una respuesta lineal con un nivel bajo de armnicos

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c) Tener una respuesta lineal con un nivel bajo de armnicos.d) No disipar apenas potencia en el dispositivo amplificador.P7.6 Qu rendimiento puede esperar de un amplificador clase B en contrafase para una

seal de entrada que corresponde a una portadora modulada en AM al 100% por unasinusoide?

a) 10%b) 50%c) 75%d) 90%


Amplificadores 19

Preguntas de Test

P7 7 N d tili lifi d l C l d l dP7.7 No se puede utilizar un amplificador clase C con seales moduladas enamplitud porque:

a) Genera armnicos de la portadora y se mezclan con la seal principal.b) La ganancia depende del nivel de seal a la entrada.c) Necesita un filtrado estrecho a la salida y elimina la banda de modulacin.d) El rendimiento baja mucho cuando la modulacin es de AM.

P7.8 El amplificador clase E de alto rendimiento consigue disipar poca potenciaporque:

a) El transistor trabaja slo en saturacin o en corte

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a) El transistor trabaja slo en saturacin o en corte.b) La resistencia de carga es muy alta y la corriente muy pequea.c) El circuito resonante serie elimina las componentes armnicas de corriente.d) La tensin 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. Qu potencia disipa cuando no hay seal 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. Cul essu potencia mxima de salida?

38

a) 90 Wb) 40 Wc) 18 Wd) 9 W

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