Transcript Video Lecture RF

Video Lecture RF
Laps
Agenda
1. Considerações no projeto de circuitos RF
2. Casamento de impedância
3. Parâmetros S e Carta de Smith
4. Dispositivos/blocos comumente usados
5. Arquiteturas de transceptores
6. 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 nãolineares pode ser descrita por series de potência.
•
Considerações no projeto de circuitos
RF
• Alguns problemas associados a nãolinearidade
– 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
G -> Ganho
• Figura de ruído (Noise Figure – NF)
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
u=1
Círculos de resistências normalizadas
no plano dos coeficientes de reflexão
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
Sinal em alta frequência
Elemento filtrado
Dispositivos comumente usados
• Oscilador
– Gera um sinal períodico
– Usado para conversão de frequências
– Idealmente seria obtido através de um circuito LC
Compensação
das perdas
Resistência parasita
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 amplificador
Nível 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 DC
Limiar 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
Frequência intermediária
Alta Frequência
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