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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
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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
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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*
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Amplificadores 4
CL R1
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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
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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
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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
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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
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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
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=t0 2cc
Funciones de tensin y corriente
Transistor al corte en el borde de la zona de conduccin
Ciclo de conduccin: medio periodo (180)
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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
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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
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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
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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
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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
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Amplificadores 15
Amplificador clase D. Alto rendimiento
v
Vin V0
L C
ZL
Vcc
vc2 Vcc
i0=t
i1
=t
29
i2
=t
=t
Funciones de tensin y corriente
Esquema
Amplificador clase E
vb
L C
Vcci0+ic0
=t
icp
ic
=t
=t
30
Vin V0RLCp =tvc
Funciones de tensin y corriente
Esquema
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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.
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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)
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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)
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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.
35
) 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%
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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