Video Lecture RF

Laps

Agenda

1. Considerações no projeto de circuitos RF2. Casamento de impedância3. Parâmetros S e Carta de Smith4. Dispositivos/blocos comumente usados5. Arquiteturas de transceptores6. Modulação e detecção

Considerações no projeto de circuitos RF

• Não-linearidade– Característica de transferência de um circuito

linear•

– Os circuitos utilizados em RF são não-lineares– Característica de transferência de circuitos não-

lineares pode ser descrita por series de potência.•

Considerações no projeto de circuitos RF

• Alguns problemas associados a não-linearidade– Harmônicos• Introduzem sinais que não existiam no sinal de entrada• •

Harmônicos

Considerações no projeto de circuitos RF

• Compressão de ganho– Amplitude de entrada em que a potência de saída

é 1 dB menor do que deveria ser no circuito linear

Considerações no projeto de circuitos RF

• Intermodulação– Acontece quando há multiplas frequências

presentes no sinal de entrada.

Intermodulação

Considerações no projeto de circuitos RF

• Intermodulação– Adiciona outras componentes de frequência

próximas aos sinais de entrada– São mais difíceis de filtrar do que os harmônicos

Métricas

• Distorção harmônica– Comparação entre a amplitude da frequência do

sinal de entrada e um dos harmônicos (m)

• Distorção harmônica total

Métricas

• Intermodulação– Relaciona o produto da intermodulação com o

com amplitude de saída do sinal de entrada.

Métricas

• Pontos de interceptação (IP)– IP harmônico ou IPnh: valor de amplitude para o

qual a resposta linear e a distorção harmônica n têm a mesma magnitude.

Amplitude da resposta linear‘

Amplitude da distorção hormônica (2ª)

Métricas

• Ponto de interceptação– IP2h: ponto de interceptação harmônico em

relação ao segundo harmônico.

– IP3h

Métricas

• Ponto de interceptação da intermodulação– IP harmônico ou IPni: valor de amplitude para o

qual a resposta linear e a distorção por intermodulação n têm a mesma magnitude.

Ruído

• Ruído térmico– Proveniente do movimento aleatório dos eletrons – Característico de componentes resistivos

Ruído

• Ruído flick ou ruído 1/f– Ocorre na maioria dos dispositivos eletrônicos– É mais problemático em baixas frequências– Interfere na demodulação (downconversion) de

sinais

Ruído

• Ruído Shot– Proveniente do fluxo de eletrons na junção pn dos

componentes eletrônicos– É problemático para sistemas que operam em

baixa corrente (<1uA)

Ruído

• Potência de ruído disponível a partir de uma antena– É possível modelar uma antena a partir de um

resistor

– Se a Carga for casada com a antena, então tem-se máxima transferência de potência

Ruído

• Potência de ruído disponível a partir de uma antena

Para impedâncias casadas

Ruído

• Chão de ruído (Noise Floor – NF)– Potência de ruído disponivel em determinada

banda

Ruído

• Relação sinal ruído (RSR)– Relação entre a potência do sinal e potência do

ruído

– Para o exemplo anterior, se não houver nenhuma outra fonte de ruído, então:

Ruído

• Relação sinal ruído (RSR)– Cada sistema de comunicação define a mínima

RSR necessária para a recuperação da informação– Sensibilidade do receptor: RSR mínima para haver

recuperação da informação.– Exemplo: Dois sistema um que requer 0 e outro 7

dB.• Logo, se não houver outra fonte de ruído, então para o

sistema anterior sinais de -121 dBm e -114 dBm poderão ser detectados com sucesso, respectivamente.

Ruído

• Fator de ruído (F)– Ruído adicionado por componentes eletrônicos ao

sinal– Relação entre RSR de entrada e de saída

• Figura de ruído (Noise Figure – NF)

G -> Ganho

Ruído

• Figura de ruído de componentes em série

Ruído

• Exemplo

Ruído

• Exemplo– Sensibilidade para um sistema que requer 7dB de

RSR

Modelos dos componentes passivos

• Os componentes passivos operando em altas frequências podem apresentar variação de suas características

• Um capacitor pode se comportar como um indutor e vice-versa.

• Bem com os resistores podem ter efeitos indesejados

Modelos de componentes passivos

• Capacitor

• Resistor

Modelos dos componentes passivos

• Indutor

Parametros S

• Sistemas lineares podem ser caracterizados por parâmetros medidos em seus terminais

• Com os parâmetros, o comportamento pode ser modelado

• “Scattering parameters” ou Parâmetros de espalhamento ou Parâmetros S– São mais fáceis de medir que outros parâmetros– Facilitam o trabalho em altas frequências– São relacionados a ondas propagando que são

refletidas quando encontram a entrada de um sistema

Parâmetros S

• Considere o sistema com duas portas

• Pode ser modelado por:

Parâmetros S

• Os parâmetros y podem ser determinados

• Considerando o modelo de ondas refletidas:

Artigo: “Power Waves and the Scattering Matrix”, K. Kurokawa

Parâmetros S

• Considerando Zi positivo e real:

• Coeficientes de reflexão na entrada e saída

• Ganhos da entrada para a saída

Parâmetros S

• Coeficiente de reflexão– Mede o quanto de uma onde incidente no

terminal de um sistema é refletida

Usado para casamento de impedância

Carta de Smith

• Permite se ache como as impedâncias são transformadas ao longo de uma linha de transmissão

• Relaciona a impedância com o coeficiente de reflexão

• É baseada na equação: Normalizada pela impedância característica

Carta de Smith

• Fazendo as devidas manipulações matemáticas:

r e x são as partes real e imaginária de Zin

Carta de Smith

• Analisando separadamente

Círculos de resistências normalizadasno plano dos coeficientes de reflexão

u=1

Carta de Smith

• Analisando separadamente

u=1

Carta de Smith

• Juntando os gráficos

Carta de Smith

• Através da carta de Smith é possível– Determinar o coeficiente de reflexão de uma linha

de transmissão– Projetar uma carga casada com a impedância

característica

Dispositivos comumente usados

• Mixer– É um disposivo com três portas que utiliza um

elemento não-linear para produzir conversão de frequências.

Dispositvos comumente usados

• Mixer– Idealmente é um circuito que multiplica dois sinais

Base Matemática

Elemento filtradoSinal em alta frequência

Dispositivos comumente usados

• Oscilador– Gera um sinal períodico– Usado para conversão de frequências– Idealmente seria obtido através de um circuito LC

Resistência parasita

Compensação das perdas

Frequência de oscilação

Dispositivos comumente usados

• Oscilador Colpitts– Baseado no princípio da realimentação– Obtém a resistência negativa (repositor de energia– Gera o sinal a partir do ruído interno dos

componentes

Dispositivos comumente usados

• Oscilador controlado por tensão (Voltage controlled oscilator – VCO)– Gera um sinal periódico que é proporcional a

tensão aplicada em um de seus terminais

Dispositivos comumente usados

• PLL – Phase locked loop– É um dispositivo que gera um sinal de fase

relacionada com um sinal de entrada– É composto por um VCO e um detector de fase

• É utilizado para:– Sintetizar frequências– Manter a frequência de um sistema em fase com a

frequência de um sinal de entrada– Demodulador FM

Dispositivos comumente usados

• Amplificadores de baixo ruído– É o primeiro bloco depois da antena de um

receptor– Tem o objetivo de amplificar sinais introduzindo o

mínimo possível de ruído– Deve ser composto por elementos com baixa

figura de ruído

Dispositivos comumente usados

• Amplificadores de potência– Compõem o último estágio de um transmissor

antes da antena– Tem o objetivo de entrega a maior potência

possível do sinal para a antena– É classificado em três tipos básicos• Classes A, B e C

– Eficência: relação da energia entregue a carga e energia consumida

Dispositivos comumente usados

• Amplificadores de potência classe A– Amplifica toda a amplitude do sinal– O Amplificador conduz durante todo o tempo– O nível dc do sinal fica acima do limiar de

condução do amplificadorNível DC

Limiar de condução

Eficiência Máxima: 50%

Dispositivos comumente usados

• Amplificador de potência classe B– Amplifica somente a parte positiva do sinal– O amplificador está ligado somente em parte do

tempo– O sinal fica exatamente no limiar de condução

Nível DC

Limiar de condução

Eficiência Máxima: 78.5%

Dispositivos comumente usados

• Amplificador de potência classe C– Amplifica somente a parte positiva do sinal– O amplificador está ligado somente em parte do

tempo– O sinal fica abaixo do limiar de condução

Nível DCLimiar de condução

Eficiência Máxima: 78.5 ~100 %

Arquiteturas de transceptores

• Receptor heterodino– Filtragem de sinais de banda estreita em altas

frequência é difícil– Converte o sinal para uma frequência

intermediária onde é filtrado– Muito usado quando os dispositivos disponíveis

não têm a precisão suficiente para construir filtro e outros componentes.

Arquiteturas de transceptores

• Receptor heterodino

Alta Frequência

Frequência intermediária

Filtragem

Banda base

Arquiteturas de transceptores• Receptor homodino– Converte o sinal diretamente para a banda base– A frequência do oscilador local é a mesma do sinal

em RF– É mais simples e consome menos energia– Tornou-se mais facilmete realizável devido aos

componentes mais precisos– Pode haver transmissão reversa