Video Lecture RF Laps. Agenda 1. Considerações no projeto de circuitos RF 2. Casamento de...

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.•


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

Harmônicos


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

é 1 dB menor do que deveria ser no circuito linear


• Intermodulação– Acontece quando há multiplas frequências

presentes no sinal de entrada.

Intermodulação


• 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


• 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


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

componentes


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

tensão aplicada em um de seus terminais


• 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


• 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


• 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


• 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%


• 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%


• 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

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