Dispositivos e Circuitos de RF · 2019-05-30 · O sinal de RF é aplicado à outra entrada do...
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DispositivoseCircuitosdeRF
Prof.DanielOrquizadeCarvalho
SJBV SJBV
Tópicos abordados:
(Capítulo 13 – pgs 637 a 643 do livro texto)
§ Misturadores
§ Propriedades de Misturadores
§ Misturador single-ended a diodo
Osciladores
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SJBV SJBV
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Misturadores são dispositivos de três portas utilizados para realizar conversão de frequência.
Misturadores
Um misturador ideal gera sinais de saída nas frequência dadas pela soma E diferença das frequências dos sinais de entrada.
Misturadores de RF e Micro-ondas utilizam dispositivos com resposta não-linear, como diodos e transistores.
Dispositivos não lineares são capazes de gerar harmônicos e soma/diferença das frequências de entrada. Assim, é necessário filtrar componentes indesejadas.
SJBV SJBV
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Sistemas de micro-ondas modernos utilizam misturadores para converter:
Misturadores
Frequências inferiores (banda base/intermediárias) em frequências superiores (intermediária/RF) (up-conversion).
O processo de up-conversion (conversão ascendente) se dá no transmissor enquanto o processo de down-conversion (conversão descendente) se dá no receptor.
Frequências superiores (RF/intermediária) em frequências inferiores (banda base/intermediárias) (down-conversion).
No transmissor
No receptor
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SJBV SJBV
~
No processo de up-conversion, um oscilador local numa frequência relativamente alta, é aplicado a uma entrada do mixer.
Misturadores
No transmissor
No receptor
vLO (t) = cos 2π fLOt( )O sinal em banda base ou freq. Intermediária é conectado à outra entrada do misturador.
vIF (t) = cos 2π f IFt( )
~ fLO
fIF Oscilador IF
LO
Mixer fRF = fLO ± fIF
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SJBV SJBV
O Sinal de saída de um misturador no processo de up-conversion é:
Misturadores
No transmissor
No receptor
vRF (t) = K.vLO (t).vIF (t) = K.cos 2π fLOt( )cos 2π f IFt( )Utilizando a identidade trigonométrica
cos α ±β( ) = cos α( )cos β( ) ∓ sen α( ) sen β( )
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Obtemos:
vRF (t) =K2. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡
⎣⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡
⎣⎤⎦{ }
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SJBV SJBV Misturadores
No transmissor
No receptor
A frequência da saída de RF consiste na soma e diferença das frequências de entrada.
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vRF (t) =K2. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡
⎣⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡
⎣⎤⎦{ }
fRF = fLO ± f IF
fLO f 0 fIF fLO + fIF fLO - fIF
~
~ fLO
fIF
Oscilador IF
LO
Mixer fRF = fLO ± fIF
SJBV SJBV
No processo de down-conversion, um oscilador local é aplicado a uma entrada do mixer.
Misturadores
No transmissor
No receptor
vLO (t) = cos 2π fLOt( )O sinal de RF é aplicado à outra entrada do misturado.
vRF (t) = cos 2π fRFt( )
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~
~ fLO
fRF
Oscilador RF
LO
Mixer fIF = fRF ± fLO
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SJBV SJBV
O Sinal de saída de um misturador no processo de down-conversion é:
Misturadores
No transmissor
No receptor
vIF (t) = K.vLO (t).vRF (t) = K.cos 2π fLOt( )cos 2π fRFt( )Utilizando a identidade trigonométrica
cos α ±β( ) = cos α( )cos β( ) ∓ sen α( ) sen β( )
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Obtemos:
vIF (t) =K2. cos 2π fRF − fLO( ) t⎡
⎣⎤⎦+ cos 2π fRF + fLO( ) t⎡
⎣⎤⎦{ }
SJBV SJBV Misturadores
No transmissor
No receptor
A frequência da saída de RF consiste na soma e diferença das frequências de entrada.
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f IF = fRF ± fLO
fLO f 0 fRF fRF+fLO
vIF (t) =K2. cos 2π fRF − fLO( ) t⎡
⎣⎤⎦+ cos 2π fRF + fLO( ) t⎡
⎣⎤⎦{ }
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~
~ fLO
fRF
Oscilador RF
LO
Mixer fIF = fRF ± fLO
fRF - fLO
Filtrado com passa-baixas
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No receptor
No processo de down-conversion a frequência intermediária é dada por:
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f IF = fRF − fLOFrequência Imagem: para um receptor com oscilador local na frequência fLO e frequência intermediária fIF:
fRF = fLO + f IF
Considere a frequência imagem dada por f IM = fLO − f IF .
A inserção de fIM na expressão para fIF (substituindo fRF), fornece:
f IF = − f IF
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No receptor
A frequência –fIF é idêntica a fIF uma vez que a Transf. Fourrier de um sinal real é simétrica com relação à f = 0.
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fLO f 0 fRF fRF+fLO fRF - fLO
Um sinal na freq. fIM = fLO - fIF é designado como a resposta imagem.
Um sinal na frequência imagem (resposta imagem) não pode ser distinguido de um sinal na frequência fRF.
fIM
Cuidado deve ser tomado para não selecionar um sinal em uma frequência indesejável.
fLO pode também estar acima de fRF fLO = fRF ± f IF
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Perda de conversão: perdas em misturadores são atribuidas a:
² Perdas no processo de conversão, associadas com a geração de outras frequências;
Idealmente, cada porta é projetada para estar casada apenas na frequência correspondente (fLO, fIF e fRF).
² Perdas introduzidas por cargas resistivas utilizadas para garantir que frequências indesejáveis sejam absorvidas em cada porta.
As outras frequências devem ser absorvidas
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Perda de conversão
Misturadores a diodo têm perda de conversão típicas entre 4 e 7dB entre 1 e 10GHz.
No caso de down-conversion (receptor), a perda de conversão em dB é:
Lc =10logPRF disponível na entrada
PIF na saída
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟ ≥ 0dB
Misturadores transistorizados têm perda de conversão menores e podem até apresentar ganho.
Perdas mínimas ocorrem para potência de LO entre 0 e 10dBm
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Figura de Ruído
Figuras de ruído típicas variam de 1 a 5dB, sendo os misturadores a diodo os que apresentam menores figuras de ruído.
Ruído é gerado devido aos elementos ativos (diodos e transistores), assim como por fontes térmicas associadas com perdas ohmicas.
Consideremos um sinal com banda dupla (DSB):
vDSB (t) = A. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡⎣
⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡
⎣⎤⎦{ }
Após mistura com LO e filtragem (passa-baixas):
vIF (t) =KA2. cos ω IFt( )+ cos −ω IFt( ){ }= KAcos ω IFt( )
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Potência do sinal de saída:
Potência do sinal de entrada:
A potência do ruído de entrada é definida:
Onde k é a constante de Boltzmann , T0 (oK) é a temperatura e B é a largura de banda na IF.
Si =A2
2+A2
2= A2
So =A2K 2
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Ni = kT0B k = 1.3806×10−23 J⋅K−1
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A potência de ruído na saída é igual Ni somado à potência de ruído adicionada dividido pela perda de conversão (Lc):
Onde Nadded é a potência de ruído adicionada pelo misturador.
Ni =Nadded + kT0B
Lc
A Figura de Ruído é definida como a SNR na entrada sobre a SNR na saída:
F =Si / NiSo / No
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Substituindo as expressões (Ni, No, Si e So) associadas a um sinal com banda lateral dupla:
FDSB =2K 2Lc
1+NaddedkT0B
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟
Fazendo uma análise similar para um sinal SSB:
FSSB =4K 2Lc
1+NaddedkT0B
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟
Mostrando que a Figura de ruído para um sinal SSB é o dobro da Figura de Ruído para um sinal DSB.
FSSB = 2FDSB