dispositivos de rf

1

�Osciladores�Osciladores

�Mezcladores

�PLL

�Sintetizadores

� Conversores

�Multiplicadores de frecuencia

2

Osciladores - Introducción

El oscilador es un circuito que presenta perturbaciones

eléctricas de amplitud en periodos de tiempo regulares, que

pueden ser discretos o analógicos.

El oscilador analógico tiene un comportamiento senoidal y es

el elemento utilizado en transmisores y receptores parael elemento utilizado en transmisores y receptores para

obtener la frecuencia portadora o de sincronismo

En todo el sistema de comunicaciones los osciladores se

utilizan para transportar los espectros de señales de

información alrededor de la frecuencia del oscilador

(modular), a una frecuencia intermedia (Mezclar), o

transportarla a la frecuencia cero (demodular)

4 Redes de radiofrecuencia

3

Oscilador senoidal

Los osciladores senoidales de rf, son circuitos amplificadores

inestables, al contrario de los amplificadores lineales hay que

asegurar la inestabilidad con un circuito de realimentación

Amplificador

Red que estabiliza y limita la amplitud de salida

red que determine la frecuencia


4

Oscilador senoidal

La función de salida es de la forma

Y la función de transferenciaY la función de transferencia

Ao(s) es la ganancia de lazo abierto

Ac(s) es la ganancia de lazo cerrado y es de la forma


5

Oscilador senoidal

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Re

aaaa

O

O

X

X

X

Im

Im

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Re

bbbb

cccc

O

jwo

X

X

-jwo

X

Im


6

Oscilador senoidal – criterio de oscilación Barkhaussen

La ganancia de lazo cerrado Ac(s) debe ser uno

la señal realimentada debe estar en fase a la entrada del

sumador

H1(s) elige la frecuencia de oscilación del sistema

Lo ideal es que con un Q → ∞, para la red H2(s), y se pueda

pasar en el plano complejo de π a –π en forma vertical, esto

implica que no hay variación de frecuencias.


7

Oscilador senoidal – modelos LC

Los modelos LC garantizan el criterio de Barkhaussen

El modelo general se muesta en (a), para el modelo con

transistor BJT en (b).

La admitancia de salida yo y la impedancia Z’2 se agrupan

como la Z2 final, La admitancia de entrada yi y la impedancia

Z’ se agrupan como la Z final, y la impedancia deZ’1 se agrupan como la Z1 final, y la impedancia de

realimentación Z’3


8

Oscilador senoidal – modelos LC Colpitts

El modelo Colpitts es un oscilador senoidal el cual tiene las

siguientes caracteristicas

Está compuesto por las impedancias reactivas

Con Z1 y Z2 como capacitivos, y Z3 como inductiva.


9

Oscilador senoidal – modelos LC Hartley

El modelo Hartley es un oscilador senoidal el cual tiene las

siguientes características

Está compuesto por las impedancias reactivas

Con Z1 y Z2 como inductivas, y Z3 como inductiva.


10

Oscilador senoidal – modelos LC Clapp

Es una variación del modelo Colpitts, el cual se le involucra un

capacitor en serie con la bobina

El objetivo es minimizar el efecto de las capacitancias de

transistor, y consiste en tomar valores muy grandes de C1 y

C2 luego L se hace muy pequeña.


11

Oscilador senoidal – a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado

Hay características requeridas en los osciladores que son muy

específicas y que son limitadas en los osciladores vistos

anteriormente.


12

Oscilador senoidal – a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado

Otras características a tener en cuanta son:

Buena estabilidad en frecuencias, aunque con el oscilado

Clapp es aceptable.

mejor respuesta al ruido de fase.

Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros

para osciladores variablespara osciladores variables


13

Oscilador senoidal – a) Vackar

Características a tener en cuanta

Es muy estable.

Bajo ruido de fase y bajos espurios

Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros

para osciladores variables

Tiene un ancho de banda mayor

Es un modelo ampliamente utilizado en osciladores

variables


14

Oscilador senoidal –b) Seiler, c) Seiler mejorado

Características a tener en cuanta del oscialdor Seiler son:

Mejora la estabilidad, haciendo imperceptible lasreactancias parasitas

Mínima influencia de la carga

Muy utilizado en los sistemas modulados de amplitudAM y FMAM y FM

Los parámetros de diseño son los siguientes

El oscilador Seiler mejorado es el mas estable y se utiliza par

sistemas modulados en BLU (SSB)


15

Oscilador senoidal – Cristal

Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del

cristal

El material del cristal pueden ser varios como: el cuarzo

(SiO2), la sal de Rochelle (tartarato de sodio y potasio

tetrahidratado, NaKC4H4O6.4H2O), el fosfato de hidrógeno

de amonio, ADP (NH4H2PO4), etc.de amonio, ADP (NH4H2PO4), etc.

La característica principal de estos cristales es el efecto

piezoeléctrico, el cual consiste en que si se deforma aparece

en sus paredes un campo eléctrico y viceversa, estas

deformaciones hace que se presenten frecuencias mecánicas

con factor Q muy elevado puesto que tiene muy pequeñas

pedidas por fricción.


16



cristal

La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la

masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del

cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del

cristal.cristal.


17



cristal

La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la

masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del

cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del

cristal.cristal.

El modelo circuital del cristal equivale


18



cristal

Zona inductiva

X(w)

0 w

p

Zona capacitiva

Zona inductiva

Resonancia serieResonancia serieResonancia serieResonancia serie Antiresonancia paraleloAntiresonancia paraleloAntiresonancia paraleloAntiresonancia paralelo

ws

w


19

Oscilador senoidal – Cristal - Pierce


cristal.


20

Oscilador senoidal VCO – Variable

Es un oscilador controlado por voltaje, permite una variación

de frecuencia a la salida proporcionalmente a la variación de

voltaje a la entrada

Un dispositivo con capacitancia variable se le conoce como

Varicap, el cual es un tipo especial de diodo polarizadoVaricap, el cual es un tipo especial de diodo polarizado

inversamente que tiene una capacidad y al variar el volteje

cambia la capacitancia. También es característico de ciertos

transistores.

La variación de la capacitancia de un diodo polarizado

inversamente ocurre porque hay cargas eléctricas en los

extremos de signo contrarios, separado por una zona de

ausencia de portadores llamada zona de exclusión, el ancho

de esta zona es proporcional a la tensión aplicada en los

extremos del diodo 4 Redes de radiofrecuencia

21

Oscilador senoidal VCO – Varicap

El diodo varicap obedece a la siguiente expresión

Donde k es una constante que depende de la concentración

de equilibrio de los portadores mayoritarios y de la constante

dieléctrica del semiconductor.dieléctrica del semiconductor.


22

Oscilador senoidal VCO – Modelo comercial


23

Oscilador senoidal – elementos activos


24

Oscilador senoidal – elementos activos- características


25

Oscilador senoidal – redes resonantes


26

MULTIPLICADORES

� Un multiplicador analógico es un circuito que produce unaseñal de salida proporcional al producto algebraico de dosseñales de entrada, donde la función de transferencia sedenomina factor de escala o constante de ganancia

� Clasificación de los multiplicadores � Clasificación de los multiplicadores

� Lineales, no lineales, conmutados

� También se clasifican por la eliminación de productos de intermodulación simples, balanceados o doblemente balanceados

� Y por la polaridad de las señales de entrada de uno, dos o cuatro cuadrantes


27

MULTIPLICADORES – Lineal de Gilbert

El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la

unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro

cuadrantes de Gilbert


28

MULTIPLICADORES – lineales de Gilbert

� El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la

unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro

cuadrantes de Gilbert

� Para el análisis de la operación del transistor bipolar, se

empleará el modelo unidimensional de Ebers-Moll, el cual la

corriente de colector se determina como:corriente de colector se determina como:


29


� La salida del par corresponde a

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1

-0.5

0

0.5

1

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-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1

-0.5

0

0.5

1

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-vT

-vT

vT

vT

aaaa

bbbb4 Redes de radiofrecuencia

30


� La salida del para la celda de Gilbert

� De igual manera vo es lineal en la región de VT < 1


31

MULTIPLICADORES – No lineales - Mezcladores

� El mezclador forma parte de cualquier sistema de

comunicaciones.

� Es un dispositivo no lineal que desplaza las frecuencias de

entrada, una de las entradas esta saturada.

� Es el dispositivo rf que traslada el espectro de la informacion al� Es el dispositivo rf que traslada el espectro de la informacion al

lugar correspondiente

� Se utiliza un elemento activo como, diodos, transistores, tubos

etc.


32

MULTIPLICADORES – No lineales - Mezcladores


33

MULTIPLICADORES –Mezclador

� Símbolo del mezclador )(tm ⊗ y(t)

x(t)


34

MULTIPLICADORES –Mezclador - ejemplo

� Para dos tonos se obtiene

m(t) = A1 sin ω1t xc(t) = A2 sin ω2t

M(f) = 0.5*A1 δ(f±f1) Xc(f)=0.5 A2 δ(f±f2)]1 2 2

y(t) = A[cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]

� La transformada de Fourier de y(t)

Y(f) = 0.5*A[ δ(f+f1±f2) + δ(f-f1±f2)]


35

f

│M(f)│

A1

f

│X(f)│

A2

-f f-f f

MULTIPLICADORES –Mezclador - ejemplo

-f2 f2-f1 f1

f

A

f2- f1 f2+ f1-f2- f1 -f2+ f1


/2

36

Mezclador con transistor

4 Redes de

radiofrecuencia

37

MULTIPLICADORES – detector de fase

� El detector de fase en un red de tres puertos, dos puertos

de entrada y un puerto de salida, el cual muestra a la

salida el desfase de las señales de entrada

� Es un multiplicador no lineal y ocurre cuando los voltajes

de entrada están por encima del voltaje de transición VT de entrada están por encima del voltaje de transición VT

(saturación).

� La señal de salida es una señal discreta que es

proporcional al desfase de las señales de entrada.

� la función de salida es el del circuito digital XNOR


38

MULTIPLICADORES – detector de fase

� La función de transferencia es


39

MULTIPLICADORES – angular

� Hace que el ángulo de la señal exponencial sea

multiplicada por un numero entero K>1

� Es un circuito no lineal, seguido por un circuito

sintonizado el cual selecciona el orden le multiplicador


40

MULTIPLICADORES – angular

� La señal de entrada es la parte real de una exponencial

� Con un filtro se selecciona el factor de multiplicación


41

DETECTORES – detector de producto

� Detector de producto es un

mezclador, donde y(t) es una

señal modulada en forma lineal,

x(t) es la señal del oscilador local

y m(t) es una señal banda base

)(tm⊗y(t)

x(t)

y m(t) es una señal banda base

(mensaje)

� y(t) y x(t) son señales sincrónicas

(fc, = fo), también se denomina

detector sincrónico o coherente.


42

DETECTORES – detector de envovlente

� Produce una forma de onda igual a la evolvente de

la señal pasa banda que está en la entrada y se

muestra en la (figura a). Es útil en AM


43

DETECTORES – detector de pendiente

� Es una red de radifrecuencia, el cual convierte los

cambios de frecuencia de una señal pasa bandas en

niveles de voltaje (figura b), lo cual convierte una

señal modulada en FM a AM.

� Esta red es un filtro pasa bandas el cual el voltaje

máximo de salida ocurre en la frecuencia resonante

f0 del circuito tanque y su salida disminuye

proporcionalmente conforme la frecuencia de

entrada se desvía por encima o por debajo de fc


44

DETECTORES – detector de pendiente

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∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ffff ∆∆∆∆ ffffffffcccc ffffccccffff∆∆∆∆ ffff ffffoooo

aaaa bbbb

cccc dddd 4 Redes de radiofrecuencia

45

DETECTORES – Circuito de fase cerrada PLL

� El PLL es un sistema de realimentación que está caracterizadomatemáticamente con las mismas ecuaciones que aplican a losotros sistemas de realimentación convencionales.

� Las constantes “k” corresponden a la respuesta del detector de fase, el amplificador, el filtro y el VCO respectivamente


46

DETECTORES – Circuito de fase cerrada

� Intervalo de seguimiento: si la frecuencia inicial aplicada es

fo, el PLL se cierra y el VCO rastrea la señal de entrada

durante un intervalo finito llamado intervalo de retención

� Intervalo de enganche (captura): es el intervalo de

frecuencia en el cual la entrada aplicada hace que el PLL se

cierre durante un rango de contencióncierre durante un rango de contención

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0 pi 2pi

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2 fc2 fs

a b 4 Redes de radiofrecuencia

47

DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Ejemplo

� Al PLL ingresa la señal de radiofrecuencia vi(t) y la señal de

salida vo(t) del VCO

� Encontrar la función de transferencia. La salida del detector


48

DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Ejemplo

� Por tabla de transformada se tiene que

� Y la función de transferencia que linealiza al PLL es


49

DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Sintetizador


50

Ejercicios

1. El oscilador Hartley, oscila a una frecuencia de 110 MHz. Con unacapacitancia de 24 Pf. Encuentre el valor de las bobinas para la oscilación yel Q de la redes.

2. El Q de un oscilador Colpitts tiene un valor de Q de 2000, con unafrecuencia de 500 MHz. Y esta acoplado a una carga de 75 Ohms.Encuentre los valores que determinan esta frecuencia.

3. Para el ejercicio anterior se requiere hacer más estable el oscilador, paraesto se utiliza el modelo Clapp. Halle el valor del elemento que lo haga másestable sin modificar la frecuencia.esto se utiliza el modelo Clapp. Halle el valor del elemento que lo haga másestable sin modificar la frecuencia.

4. El oscilador Seiler mejorado tiene los siguientes valores c1, c2, c3, c4 de 120,180, 100, 240 pF respectivamente y oscila a 200 Mhz, complete el modelo.

5. Diseñar oscilador Colpitts que utiliza un cristal, la oscilación debe ser de150 Mhz.

6. Evaluar el voltaje a la salida del LPF del PLL si se tienen dos señales deentrada senoidales de 100 y 80 MHz. Respectivamente. Si la ganancia deldetector de fase es 0.01 Rad/V.

7. Cual es la frecuencia de salida, si la Ko = 5 MHz/V


51

1. Un PLL tiene una frecuencia de referencia de 100 MHz, realice un modelo que sintetice los canales del sistema de TV VHF.

2. Evalué la función de transferencia para sintetizador a partir de la del PLL

3. Se tiene una señal m(t)=2cos(62.8Kt)+sen(94.25Kt) y una señal 3cos(2pi*Mt).

1. Si entran a un mezclador evaluar la salida y graficar la señal en frecuencia

2. Si entran a un convertidor de subida, para colocarla m(t) en una portador de 10 MHz como debe ser este sistema. También realice el modela para un convertidor de bajada a 2 MHz.

4. La señal y(t)=m(t)cos(628Kt), m(t) como una señal de voz, diseñar un detector que extraiga la señal de información.

5. Si la anterior señal y(t) se quiere trasladar a una frecuencia portadora de 2MHz, diseñe el modelo a utilizar.

dispositivos de rf

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