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Electrónica de Comunicaciones

Electrónica de Comunicaciones. CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 7- Amplificadores de potencia para RF.

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Electrónica de Comunicaciones

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  1. Electrónica de Comunicaciones CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción 2- Osciladores 3- Mezcladores. 4- Lazos enganchados en fase (PLL). 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 7- Amplificadores de potencia para RF. 8- Demoduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK). 9- Demoduladores de ángulo (FM, FSK y PM). 10- Moduladores de amplitud (AM, DSB, SSB y ASK). 11- Moduladores de ángulo (PM, FM, FSK y PSK). 12- Tipos y estructuras de receptores de RF. 13- Tipos y estructuras de transmisores de RF. 14- Transceptores para radiocomunicaciones ATE-UO EC osc 00

  2. Colpitts • Hartley • Otros (Clapp, ...) Tipos de Osciladores • Colpitts • Hartley • Pierce • Otros (Clapp, ...) 2. Osciladores Osciladores con elementos discretos • de Baja Frecuencia (RC) • de Alta Frecuencia y Frecuencia Variable (LC) • de Alta Frecuencia y Frecuencia Fija (a cristal) ATE-UO EC osc 01

  3. xer(s) xe(s) xs(s) G(s) - Entrada Planta Salida xr(s) H(s) Red de realimentación Teoría básica de sistemas realimentados • Se linealiza el sistema • Se toman transformadas de Laplace Observaciones: xe: magnitud de entrada xer: magnitud de error xr: magnitud realimentada xs: señal de salida xx: magnitudes que pueden ser de distinto tipo G(s): función de transferencia de la planta H(s): función de transferencia de la red de realimentación ATE-UO EC osc 02

  4. Lazo cerrado Lazo abierto xs(s) xs(s) G(s) G(s) = = xer(s) xe(s) 1 + G(s)·H(s) Cálculo de funciones de transferencia ATE-UO EC osc 03

  5. Casos particulares xs(s) G(s) = Situación indeseada en servosistemas Situación deseada en osciladores xe(s) 1 + G(s)·H(s) Realimentación negativa è ú 1 + G(s)·H(s)ú > 1 Alta ganancia de lazo è xs(s)/xe(s) = 1/H(s) Realimentación positiva è ú 1 + G(s)·H(s)ú < 1 Oscilación è ú 1 + G(s)·H(s)ú = 0 ATE-UO EC osc 04

  6. Cuando está oscilando: ú G(s)· H(s)ú = 1 G(s)· H(s) = 180º Por tanto: ú G(jwosc)· H(jwosc)ú = 1 G(jwosc)· H(jwosc) = 180º Caso de oscilación ú 1 + G(s)· H(s)ú = 0 è xs(s)/xe(s)   Se genera Xs aunque no haya Xe ATE-UO EC osc 05

  7. xe(jwosc) En oscilación: ú G(jwosc)· H(jwosc)ú = 1 G(jwosc)· H(jwosc) = 180º xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) Condición de oscilación (I) ¿Qué tiene que suceder para que comience la oscilación? ATE-UO EC osc 06

  8. xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) xe(jwosc) Condición de oscilación (II) Si |xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc)| > |xe(jwosc)| (es decir,|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1) cuando el desfase es 180º, entonces podemos hacer que la salida del lazo de realimentación haga las funciones de la magnitud de entrada. ATE-UO EC osc 07

  9. Condición de oscilación (III) En realidad si |G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 cuando el desfase es 180º, las magnitudes empezarán a crecer constantemente ¿Existe un límite a este crecimiento? Evidentemente sí, por razones energéticas hay límites. Incluso el sistema podría destruirse al crecer la magnitud de salida. ATE-UO EC osc 08

  10. |Gpm(jwosc)·H(jwosc)| > 1 |Ggm(jwosc)·H(jwosc)| = 1 Condición de oscilación (IV) Observaciones: Gpm(s): función de transferencia de pequeña magnitud Ggm(s): función de transferencia de gran magnitud ATE-UO EC osc 09

  11. xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) xe(jwosc) Condición de oscilación (V) Si |G(jwosc)·H(jwosc)| < 1 cuando el desfase es 180º, entonces la oscilación se extinguirá ATE-UO EC osc 10

  12. Para que empiece la oscilación: • Tiene que existir una wosca la que se se cumpla G(jwosc)·H(jwosc) = 180º • A esawosctiene que cumplirse|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 • Cuando se estabiliza la oscilación: • Disminuye la G(jwosc) hasta que |G(jwosc)·H(jwosc)| = 1cuando G(jwosc)·H(jwosc) = 180º Condición de oscilación (VI) Formulación formal: Criterio de Nyquist ATE-UO EC osc 11

  13. |G(jw)·H(jw)| [dB] 80 Oscilará 40 0 -40 1 102 104 106 G(jw)·H(jw)[º] 0 -60 -120 -180 -240 wosc 1 102 104 106 Condición de oscilación (VII) Interpretación con Diagramas de Bode • Para que empiece la oscilación. ATE-UO EC osc 12

  14. |G(jw)·H(jw)| [dB] 80 80 |G(jw)·H(jw)| [dB] 40 40 0 0 -40 -40 No oscilará G(jw)·H(jw)[º] G(jw)·H(jw)[º] 0 0 -60 -60 -120 -120 wosc -180 -180 -240 -240 wosc 1 1 102 102 104 104 106 106 Condición de oscilación (VIII) • Cuando ya oscila. • Para que no oscile. ATE-UO EC osc 13

  15. Existencia de wosctal que G(jwosc)·H(jwosc) = 180º • A wosc se cumple|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 • Existencia de wosctal que A(jwosc)·b(jwosc) = 0º • A wosc se cumple|A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 Condición de oscilación en osciladores • Caso general • Oscilador Para que empiece la oscilación: Cuando ya oscila: |G(jwosc)·H(jwosc)| = 1 |A(jwosc)·b(jwosc)| = 1 ATE-UO EC osc 14

  16. Tipos de Osciladores BJT, JFET, MOSFET, Amp. Integrados, etc • RC en baja frecuencia. • LC en alta frecuencia (y variable). • Dispositivo piezoeléctrico en alta frecuencia (y constante). • Líneas de transmisión en muy alta frecuencia. ATE-UO EC osc 15

  17. FET Osciladores LC con tres elementos reactivos (I) ATE-UO EC osc 16

  18. D G + + + ve g·vgs vgs Rs - - - S + vs + ver vsr Z2 - - Z1 Z3 Osciladores LC con tres elementos reactivos (II) ATE-UO EC osc 17

  19. vsr= ·ver Z3 Z2+Z3 Z1·Z3 Z1·(Z2+Z3) Z1·(Z2+Z3) Z1·(Z2+Z3) Por tanto: Rs· Rs· Z1+Z2+Z3 Z1+Z2+Z3 Z1+Z2+Z3 Z1+Z2+Z3 vsr= -g· ·ve vs= -g· ·ve Rs + Rs + Osciladores LC con tres elementos reactivos (III) ver= vs ATE-UO EC osc 18

  20. De otra forma: Por tanto: A·b =vsr/ve= -g· Rs·Z1·Z3 Rs·(Z1+Z2+Z3)+Z1·(Z2+Z3) Rs·Z1·Z3 Por tanto: vsr= -g· ·ve -Rs·X1·X3 A·b =-g· Rs·(Z1+Z2+Z3)+Z1·(Z2+Z3) j·Rs·(X1+X2+X3)-X1·(X2+X3) Osciladores LC con tres elementos reactivos (IV) Puesto que usamos sólo bobinas y condensadores: Z1 = j·X1 Z2 = j·X2 Z3 = j·X3 ATE-UO EC osc 19

  21. Si el circuito debe oscilar al cerrar el interruptor, debe cumplirse que: • Existe wosctal que A(jwosc)·b(jwosc) = 0º (es decir, REAL) • A wosc se cumple|A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 Por tanto: A(jwosc)·b(jwosc) =-g· = 0 Queda: Rs·X3(wosc) -Rs·X1·X3 A(jwosc)·b(jwosc) =-g· X2(wosc)+X3(wosc) j·Rs·(X1+X2+X3)-X1·(X2+X3) Osciladores LC con tres elementos reactivos (V) Como:X1(wosc)+X2(wosc)+X3(wosc) = 0,los tres elementos reactivos no pueden ser iguales. Tiene que haber dos bobinas y un condensador o dos condensadores y una bobina. Y como:X2(wosc)+X3(wosc) = -X1(wosc), ATE-UO EC osc 20

  22. Como: A(jwosc)·b(jwosc) = 0º (es decir, POSITIVO), X3y X1 deben ser del mismo tipo (los dos elementos bobinas o los dos condensadores). Hartley Rs·X3(wosc) A(jwosc)·b(jwosc) =g· queda: X1(wosc) Colpitts Osciladores LC con tres elementos reactivos (VI) ATE-UO EC osc 21

  23. Rs·X3(wosc) Rs·L3 Rs·C1 g· > 1 Hartley g· > 1 g· > 1 X1(wosc) L1 C3 Colpitts Osciladores LC con tres elementos reactivos (VII) Como para que el circuito oscile al cerrar el interruptor debe cumplirse que |A(jwosc)·b(jwosc)| > 1, entoncesqueda: ATE-UO EC osc 22

  24. fosc = 1 Hartley 2p (L1+L3)C2 1 fosc = C1·C3 2p ·L2 C1+C3 Colpitts Osciladores LC con tres elementos reactivos (VIII) La frecuencia de oscilación se calcula a partir de la condición: X1(wosc)+X2(wosc)+X3(wosc) = 0 ATE-UO EC osc 23

  25. Hartley fosc = 1 Rs·C1 Rs·L3 Colpitts g· > 1 g· > 1 2p (L1+L3)C2 L1 C3 1 fosc = C1·C3 2p ·L2 C1+C3 Resumen ATE-UO EC osc 24

  26. Realización práctica de un Colpitts en “fuente común” ATE-UO EC osc 25

  27. Realización práctica de un Colpitts en “puerta común” ATE-UO EC osc 26

  28. Realización práctica de un Colpitts en “drenador común” ATE-UO EC osc 27

  29. Realización práctica de un Hartley en “fuente común” ATE-UO EC osc 28

  30. Realización práctica de un Hartley en “puerta común” ATE-UO EC osc 29

  31. Realización práctica de un Hartley en “drenador común” ATE-UO EC osc 30

  32. Condiciones de oscilación: Rs·C1 1 g· > 1 fosc = C3 C1·C2·C3 2p ·L2 C1·C2+C1·C3+C2·C3 Osciladores LC con más de tres elementos reactivos: El oscilador de Clapp (I) • C2 no influye en la condición |A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 • C2 influye en la frecuencia de oscilación, especialmente si C2 << C1,C3 • Especialmente útil para osciladores de frecuencia variable. ATE-UO EC osc 31

  33. + Vcc D G CS RG S C3 L2 LCH C1 + R1 C2 vs osc - Osciladores LC con más de tres elementos reactivos: El oscilador de Clapp (II) Realización práctica en “drenador común” ATE-UO EC osc 32

  34. Usando un condensador variable Osciladores de frecuencia variable (I) • Hay que hacer variar uno de los elementos reactivos de la red de realimentación. • Tipos: • Con control manual • Controlado por tensión (Voltage Cotrolled Oscillator, VCO) Con control manual de la frecuencia ATE-UO EC osc 33

  35. Clapp (Colpitts sintonizado en serie) en “drenador común” Colpitts sintonizado en paralelo en “drenador común” Rs·C1 1 g· > 1 1 fosc = C3 fosc = C1·C2·C3 Condiciones de oscilación: (común) C1·C3 2p ·L2 2p ( +C2)·L2 C1·C2+C1·C3+C2·C3 C1+C3 Osciladores de frecuencia variable (II) ATE-UO EC osc 34

  36. Osciladores de frecuencia variable (III) Osciladores Controlado por Tensión (VCOs) Se basan en el uso de diodos varicap (también llamados “varactores”) ATE-UO EC osc 35

  37. Hojas de características de un diodo varicap (BB131) (I) ATE-UO EC osc 36

  38. Hojas de características de un diodo varicap (BB131) (II) ATE-UO EC osc 37

  39. Símbolo: Cristal Contacto metálico Cápsula • Aspecto: Terminales Osciladores de frecuencia muy constante • Se basan en el uso de cristales de cuarzo (u otro material piezoeléctrico) • Interior del dispositivo: ATE-UO EC osc 38

  40. R1 R2 R3 L1 L2 L3 CO C1 C2 C3 Cristales piezoeléctricos (I) • Circuito equivalente de un cristal de cuarzo: ATE-UO EC osc 39

  41. Z(f) Im(Z(f)) [kW] 50 0 -50 f2 f1 Cristales piezoeléctricos (II) Comportamiento inductivo Comportamiento capacitivo ATE-UO EC osc 40

  42. Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz R = 20 W L = 15 mH C = 0,017 pF CO = 3,5 pF Z(f) Im(Z) [MW] 1 0 200 Hz -1 10,0236 10,024 10,0244 f [MHz] Cristales piezoeléctricos (III) Modelo simplificado (alrededor de una de las frecuencias en las que se produce comportamiento inductivo) XL(10 MHz)= 2p·107·15·10-3 = 942 kW ATE-UO EC osc 41

  43. C = 0,017 pF R = 20 W L = 15 mH CO = 3,5 pF Im(Z) [kW] 600 Margen de comportamiento inductivo 25 kHz 0 -600 10 10,01 10,02 10,03 f [MHz] Cristales piezoeléctricos (IV) Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz En otra escala ATE-UO EC osc 42

  44. (L·C·s2 + 1) (L·CS·s2 + 1) 1 CP·s C·CO 1 1 siendo: CP = C+CO CS = (L·s + ) CO·s CO·s C+CO Z(s) = = · 1 1 + L·s + C·s C·s 1 1 (1 – (w/w1)2) -j(w1/w2)2 w1 = w2 = = · L·C -j (1 - L·C·w2 ) L·CS CO·w (1 – (w/w2)2) Z(jw) = · CP·w (1 - L·CS·w2) siendo: Cristales piezoeléctricos (V) Calculamos la impedancia del modelo del cristal Análisis senoidal: s =jw ATE-UO EC osc 43

  45. (1 – (w/w1)2) -j(w1/w2)2 Z(jw) = · (1 – (w/w2)2) 1 1 w1 = w2 = L·C L·CS CO·w Cristales piezoeléctricos (VI) Como CS < C, entonces: w2 > w1 • Si w < w1, entonces también w < w2 y entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo. • Si w1 < w < w2, entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad negativa) > 0, es decir, comportamiento inductivo. • Si w2 < w, entonces también w1 < w y entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo. Solo se comporta de modo inductivo si w1 <w< w2 ATE-UO EC osc 44

  46. (1 – (w/w1)2) -(w1/w2)2 Z(jw) = jX(w) X(w) = · (1 – (w/w2)2) C·CO X(w) CS = Comp. inductivo C+CO 1 1 0 w1 = w2 = w2 w1 L·C L·CS CO·w Cristales piezoeléctricos (VII) Resumen: Comportamiento capacitivo ATE-UO EC osc 45

  47. Hojas de características de cristales de cuarzo ATE-UO EC osc 46

  48. Basados en la sustitución de una bobina por un cristal (I) Osciladores a cristal • Se basan en el uso de una red de realimentación que incluye un dispositivo piezoeléctrico (típicamente un cristal de cuarzo). Tipos: • Basados en la sustitución de una bobina por un cristal de cuarzo en un oscilador clásico (Colpitts, Clapp, Hartley, etc.)  El cristal de cuarzo trabaja el su zona inductiva. • Basados en el uso del cristal de cuarzo en resonancia serie. ATE-UO EC osc 47

  49. Condiciones de oscilación: Cristal de 10 MHz L = 15 mH R = 20 W (no depende del cristal) CO = 3,5 pF C = 0,017 pF 1000 C1 = C3 = 50pF 500 Gráficamente: Rs·C1 C1 = C3 = 100pF -(XC1(w)+XC3(w)), XXtal(w) [W] g· > 1 C3 C1 = C3 = 500pF XXtal(w) 0 f [MHz] 10,004 10 10,002 Osciladores basados en la sustitución de una bobina por un cristal (II) Cálculo de la frecuencia de oscilación : XC1(wosc)+XC3(wosc)+XXtal(wosc) = 0 ATE-UO EC osc 48

  50. (1 – (wosc /w1)2) -(w1/w2)2 XXtal(wosc) = · CO·wosc (1 – (wosc /w2)2) Despejando wosc se obtiene: C w2 = w1 1 + C CO wosc = w1 1 + -1 -1 C1·wosc C3·wosc Nótese quew1 < wosc < w2ya que: C1·C3 XC1(wosc) + XC3(wosc) = + + CO C1+C3 Osciladores basados en la sustitución de una bobina por un cristal (III) Analíticamente: XC1(wosc)+XC3(wosc)+XXtal(wosc) = 0 ATE-UO EC osc 49

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