electrónica de comunicaciones
DESCRIPTION
Electrónica de Comunicaciones. CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 7- Amplificadores de potencia para RF. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Electrónica de Comunicaciones
CONTENIDO RESUMIDO:
1- Introducción
2- Osciladores
3- Mezcladores.
4- Lazos enganchados en fase (PLL).
5- Amplificadores de pequeña señal para RF.
6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos.
7- Amplificadores de potencia para RF.
8- Demoduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK).
9- Demoduladores de ángulo (FM, FSK y PM).
10- Moduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK).
11- Moduladores de ángulo (PM, FM, FSK y PSK).
12- Tipos y estructuras de receptores de RF.
13- Tipos y estructuras de transmisores de RF.
14- Transceptores para radiocomunicaciones ATE-UO EC piezo 00
6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos
ATE-UO EC piezo 01
Idea fundamental:
Conseguir una respuesta en frecuencia de filtro ideal pasa-banda
vg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vevg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vs
+
-
ve
+
-
ve
vs/ve, vs/vg, [dB]
f [Hz]
Potencia disponible en el generador, Pdis, que es la máxima potencia
que se podría sacar del generador colocando a la salida la carga adecuada:
Pdis = (vg ef)2/4·Rg
Potencia en la carga, PRL:
PRL = (vs ef)2/RL
Definimos GT:
GT = PRL/Pdis = (vs ef/vg ef)2·4·Rg/RL
Haciendo un análisis senoidal:
GT = (vs/vg)2·4·Rg/RL
Por tanto:
GT = GV2·4·Rg/RL,
siendo:
GV = vs/vgATE-UO EC piezo 02
Conceptos básicos sobre filtros
vg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vevg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vs
+
-
ve
+
-
ve
vg
Rg
Filtro+
RL
+
-
vs
GV = vs/vg
vg
Rg
Filtro+
RL
+
-
vs
+
-
+
-
vs
GV = vs/vg
ATE-UO EC piezo 03
Filtro pasa-banda elemental (I)
Notación:
r = 1/(LC)1/2
XL()= j·L
XC()= -j/(·C)
XLr = jr·L
XCr= -j/(r·C) = -XLr
QF = L·r/Rp
GV = vs/vg
vg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
LC Rp
QR, QF
f0,5·f 1,5·f
0
-20
-40
-60
GV [dB]
1, 20
1, 100
10, 20 10, 100
Supongamos:
RL = Rg = R
Definimos:
QR = L·r/R
QR, QF
f0,5·f 1,5·f
GV [dB]0
-20
-40
-60
-80ATE-UO EC piezo 04
Filtro pasa-banda elemental (II)
QF = L·r/Rp QR = L·r/R GV = vs/vg
100, 20
100, 100
¿Es físicamente posible tener
valores como QR =1000?
Ejemplo: R = 100 , fr = 10 MHz
QR 1 10 100 1000
L1,59
H
15,9
H
159
H
1,5
mH
C159
pF
15,9
pF
1,59
pF
0,15
pF
CP
C
L
No, porque
sería CP > C1000, 20
vg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC Rp
vg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC Rp
1000, 100
ATE-UO EC piezo 05
Filtro pasa-banda elemental (III)
Notación:
GV = vs/vg
r = 1/(LC)1/2
XL()= j·L
XC()= -j/(·C)
XLr = jr·L
XCr= -j/(r·C) = -XLr
QL = L·r/RpSupongamos:
RL = Rg = 2·R
Definimos:
QC = C·r·R
vg
Rg Filtro+
RL
+
-
vsLC
Rp
vg/(2·R) +
-
vs
RL
CRp
ATE-UO EC piezo 06
Filtro pasa-banda elemental (IV)
¿Es físicamente posible tener
valores como QC =1000?
Ejemplo: R = 100 , fr = 10 MHz
QC 1 10 100 1000
L159
H
15,9
H
1,59
H
159
nH
C1,59
pF
15,9
pF
159
pF
1,59
nF
No, porque
sería LP > L
vg/(2·R)+
-
vs
RL
CRp
vg/(2·R)+
-
vs
RL
CRp
+
-
vs
+
-
vs
RL
CRp
RL
CRp
QC, QL
f0,5·f 1,5·f
GV [dB]0
-20
-40
-60
-80
100, 20100, 100
1000, 20
1000, 100
10, 20
10, 100
L
C
Rp
LP
ATE-UO EC piezo 07
Filtro pasa-banda elemental (V)
Respuesta en un caso físicamente realizable: QC= 100 QL =100
vg/(2·R)+
-
vs
RL
CRp
vg/(2·R)+
-
vs
RL
CRp
+
-
vs
+
-
vs
RL
CRp
RL
CRp
3 dB
f0,95·f 1,05·f
GV [dB]0
-20
-40
QC= 100QL =100
0,99·f 1,01·f
El ancho de banda es del
orden de de 0,02·f.
Si, por ejemplo, se desea un
ancho de banda de 6 kHz, la
frecuencia sería 300 kHz. Es
un valor muy bajo para
determinadas aplicaciones
(por ejemplo, frecuencia
intermedia de un receptor).
f0,98·f 1,02·f
GV [dB]
QC= 100QL =100
0
-20
-40
20
ATE-UO EC piezo 08
Filtro pasa-banda de múltiples circuitos resonantes
vg vs
L1C1 L2C2 L3C3 L4C4
Etapa Etapa Etapa Etapa
n = 1n = 2n = 3
n = 4
3 dB
Según aumenta el número de
circuitos resonantes disminuye
el ancho de banda y la
pendiente de caída aumenta.
Por ejemplo, con QC= 100, QL
=100 y n = 4 el ancho de banda
es del orden de de 0,009·f.
Para determinadas aplicaciones
es suficiente, pero para otras
no.
n etapas resonantes en cascada
Z(f)
0
Im(Z(f)) [k
50
-50
f1f2
Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos (I)
R1
C1
L1
CO
R2
C2
L2
R3
C3
L3
R1
C1
L1
R1
C1
L1
CO
R2
C2
L2
R2
C2
L2
R3
C3
L3
R3
C3
L3
ATE-UO EC piezo 09
Resonancias paralelo
Resonancias serie
Modelo simplificado (alrededor de una de las frecuencias de resonancia)
Ejemplo: cristal de P de 10 MHz
Rp = 20 L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5
pF
Por tanto:
QF = L·r/Rp = 47.237 Es un valor altísimo, no
alcanzable con componentes discretos.Z(f)
200 Hz
10,0236 10,024 10,0244
0
f [MHz]
Im(Z) [M]1
-1
Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos (II)
CO
Rp
C
L
CO
Rp
C
L
ATE-UO EC piezo 10
Cristal de 10 MHz: R = 100 Rp = 20
L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (I)
ATE-UO EC piezo 11
vg
R
Filtro
+ R +
-
vsvg
R
Filtro
+ R +
-
vs vg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC
Rp
COvg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC
Rp
CO
f [MHz]
9,9
GV [dB]0
-20
-40
-60
-809,92 9,94 9,96 9,98 10
Cristal con su Co
Cristal sin su Co
¿Cómo podemos cancelar la capacidad parásita Co?
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (II)
ATE-UO EC piezo 12
vg
Rg
+RL
+
-
vs
Cext = CO
CO
LC Rp
1:n:n
iCo1
iCo2
Como Co y Cext = Co soportan
tensiones de igual magnitud y
de signo contrario, entonces:
iCo2 = -iCo1
Luego las dos corrientes se
cancelan y no llegan a la carga.
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (III)
ATE-UO EC piezo 13
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
LC Rp
1:n
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
+
-
vs
LC Rp
1:n
Filtro
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
LC Rp
1:n
LM
CR
Puede anularse la influencia de la inductancia magnetizante del transformador por resonancia
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (IV)
ATE-UO EC piezo 14
LM
CR
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext
1:n:n
Circuito final
Filtro en celosía con dos cristales (I)
ATE-UO EC piezo 15
Se eligen los cristales
de forma que: fRP1 = fRS2
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
10 f [MHz]
Im(Z) [k]
0
50
-50
10,005
fRP1fRS1
fRP2fRS2
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Filtro en celosía con dos cristales (II)
ATE-UO EC piezo 16
CO1
Rp1
C1
L1
CO2
Rp2
C2
L2
ZXT1 ZXT2
QXT1 = L1·r/Rp1
QXT2 = L2·r/Rp2
Supongamos:
n = 1; Rg = RL = R
GV = vs/vg =R(ZXT2 – ZXT1)
4·R2 + ZXT2·ZXT1 + 2·R·(ZXT2 + ZXT1) (aquí no demostrada)
Filtro en celosía con dos cristales (III)
ATE-UO EC piezo 17
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Supongamos:
n = 1
Rg = RL = R
QXT = L·r/Rp =105
GV [dB]0
-20
-40
-6010 f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
103
5·103
200Filtro
vs
vg
Rg
+ RL
+
-
1:n:n
XT1
XT2LM
CR
Filtro
vs
vg
Rg
+ RL
+
-
1:n:n
XT1
XT2LM
CR
LM
CR
Transformadorresonante
Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2: fRS2, fRP2
XT3: fRS2, fRP2XT1: fRS1, fRP1
XT4:fRS1, fRP1
Filtro en celosía con cuatro cristales (I)
ATE-UO EC piezo 18
Realización física 1
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
XT3: fRS2, fRP2
XT4: fRS1, fRP1
Filtro en celosía con cuatro cristales (II)
ATE-UO EC piezo 19
Realización física 2
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-vs
XT2
XT3
XT1
XT4
Filtro en celosía con cuatro cristales (III)
ATE-UO EC piezo 20
Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)
Supongamos:
XT1 = XT4; XT2 = XT3; Rg = RL = R
R·(ZXT2 – ZXT1)2
4·R·ZXT2 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT2)·(ZXT2 + ZXT1) Y1 =
R·(ZXT2 – ZXT1)2
4·R·ZXT1 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT1)·(ZXT2 + ZXT1) Y2 =
R·(ZXT2 – ZXT1)
2·R + ZXT1Y3 =
GV = vs/vg = R·(Y1 + Y2) + ZXT1·Y1 + ZXT3·Y3 + 1
1
Definimos:
Entonces:
ATE-UO EC piezo 21
Supongamos: QXT = L·r/Rp =105
Transformadorresonante
Filtro en celosía con cuatro cristales (IV)
Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
Filtro
vg
Rg
++ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
4·103
1333,3
2000Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
LMCR
Filtro
vg
Rg
++ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
LMCR
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
ATE-UO EC piezo 22
Comparación de los filtro con uno, dos y cuatro cristales
1XT, Qfiltro = 10000
1XT, Qfiltro = 2000
2XT, Qfiltro = 2000
4XT, Qfiltro = 2000
Filtro en escalera con dos cristales (I)
ATE-UO EC piezo 23
Inconveniente de los filtros en celosía: los cristales tienen que
ser de dos frecuencias.
Solución: filtros en escalera
Filtro
vg
Rg
+ RL+
-vsCP
XT1 XT2
XT1 = XT2
Filtro en escalera con dos cristales (II)
ATE-UO EC piezo 24
vg
R
+ R +
-vsZCP
ZXT ZXT
Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)
Supongamos: Rg = RL = R
GV = vs/vg =R·ZCP
(R + ZXT)·(R + ZXT + 2·ZCP)
Filtro en escalera con dos cristales (III)
ATE-UO EC piezo 25
Definimos:
QXT = L·r/Rp;
Qfiltro = L·r/R;
QCP = R·CP·r
Supongamos:
QXT =105
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
QCP; Qfiltro
1; 5000
1; 10000
0,5; 5000
0,5; 10000
GV [dB]
0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
QCP; Qfiltro
QXT =105
Filtro
XT1 XT4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
XT2 XT3
Filtro
XT1 XT4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
XT2 XT3XT1 XT4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
XT2 XT3
Filtro en escalera con cuatro cristales
ATE-UO EC piezo 26
• Los filtros en escalera son más asimétricos.
• La asimetría disminuye al aumentar el número de cristales.
• Como en todos los casos, la agudeza del filtro crece con el número de cristales.
1; 5000
2 XTs
2; 2000
4 XTs
GV/GV max [dB]0
-20
-40
-60
f 60dB
Parámetros de definición de filtros a cristal
ATE-UO EC piezo 27
• Rizado.
Factor de forma a 60 dB == B/F60dB
B
6 dB
Rizado
• Ancho de banda (B).
• Frecuencia central.
• Pérdidas de inserción.
• Impedancia de terminación (R y C).
• Atenuación final.
• Factor de forma a 60 o a 80 dB.
Otros filtros basados en materiales piezoeléctricos
ATE-UO EC piezo 28
• Los filtros a cristal de cuarzo son muy efectivos, pero son caros.
• Se pueden usar otros materiales piezoeléctricos artificiales de precios muy inferiores.
• Se comportan de una forma similar, pero con peores características.
Otros tipos de filtros piezoeléctricos:
• Filtros cerámicos f 0,45-10,8 MHz; Qdispositivo 800-2000; Pinserción
3-4dB
• Filtros de ondas acústicas superficiales (Surface Acustic Waves,
SAW) f 20-1000 MHz; f/B 2-100; B/F60dB 1:1,5; Pinserción
10-30dB
Filtros cerámicos (I)
ATE-UO EC piezo 29
• Los materiales piezoeléctricos cerámicos usados son del tipo titanato-circonato de plomo o niobato de sodio-potasio.
• La forma característica es de un disco de material cerámico con electrodos depositados.
• Ejemplo: resonador cerámico para amplificador de Frecuencias Intermedias (FI) de 455 kHz:
5,6 mm
0,4 mmGV [dB]
0
-20
-40
-60400 f [kHz] 500
Circuito equivalente:
Rp = 20
L = 8,7 mH,
C = 14 pF y
CO = 180 pF
Qresonador =1000
Circuito externo:
Rg = RL = R = 100
Con CO
Sin CO
Filtros cerámicos (II)
ATE-UO EC piezo 30
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro de un único resonador cerámico y circuito resonante (híbrido):
Filtro
PZ1 PZ4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
PZ2 PZ3
Filtro
PZ1 PZ4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
PZ2 PZ3
Filtro de varios resonadores cerámicos:
Aspecto
Filtros cerámicos (III)
ATE-UO EC piezo 31
Filtro cerámico monolítico:
Aspecto
Conexión
Símbolos
Filtros de ondas acústicas superficiales, SAW (I)
ATE-UO EC piezo 32
• Se basan láminas finas de materiales piezoeléctricos tipo
niobato de litio (LiNbO3) que actúan como sustrato.
• En los extremos se depositan electrodos de aluminio en forma de “dedos”.
+
-vs
RLvg
+Rg
“Dedos”
Substrato piezoeléctrico
• La frecuencia de filtrado depende de las dimensiones.
• La onda acústica superficial generada se traslada por el substrato, alcanza los “dedos” de salida y genera tensión en la carga.