A lifi d d RF Amplificadores de RF

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


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


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

*


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


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


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


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


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


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)


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


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


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


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−


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


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


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


Esquema

Amplificador clase E

vb

L C

Vcci0+ic0

θ=ωt

icp

ic

θ=ωt

θ=ωt

30

Vin V0RLCp θ=ωt

vc


Esquema


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.


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)


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.

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) 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

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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%


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

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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

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