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Electrónica de Comunicaciones. CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción. 2- Osciladores. 3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación. 4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Amplificadores de potencia para RF.
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Electrónica de Comunicaciones CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción. 2- Osciladores. 3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación. 4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Amplificadores de potencia para RF. 7- Moduladores. 8- Demoduladores. 9- Tipos y estructuras de receptores de RF. 10- Tipos y estructuras de transmisores de RF. 11- Transceptores para radiocomunicaciones. ATE-UO EC amp pot 00
PCC Pe RF Rg + PRF Amplificador de potencia de RF VCC RL Pperd 6- Amplificadores de potencia para RF Idea fundamental: Amplificar señales de RF hasta niveles suficientes para su transmisión y hacerlo con buen rendimiento energético. h= PRF/PCC ATE-UO EC amp pot 01
Rg Amplificador de potencia de RF + iC RL Q1 iC iC iC t t t 0 p 2p 0 p 2p 0 p 2p Concepto de “Clase” de un transistor en un amplificador (I) Clase A: conducción durante 2p Clase C: conducción < p Clase B: conducción durante p ATE-UO EC amp pot 02
Rg Amplificador de potencia de RF + iC RL vCE + Q1 - vCE iC t Control t Concepto de “Clase” de un transistor en un amplificador (II) • Clase D: Q1 trabaja en conmutación • Clase E: Q1 trabaja en conmutación a tensión cero ATE-UO EC amp pot 03
vg Rg + + vs Amplificador de potencia de RF - VCC RL Tipos de amplificadores de potencia de RF Amplificadores lineales: la forma de onda de la tensión de salida vs es proporcional a la de entrada vg. Amplificadores no lineales: la forma de onda de la tensión de salida vs no es proporcional a la de entrada vg. Caso especialmente interesante: tensión de salida vs proporcional a VCC. ATE-UO EC amp pot 04
iC RL Polarización VCC + Rg vCE + - Q1 Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (I) Circuito básico ATE-UO EC amp pot 05
VCC/RL Elegimos un punto de trabajo iC iC RL VCC IB + iC1 vCE VCC t vCE - Q1 t vCE1 Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (II) PRF = iC12·RL/2 PCC = iC1·VCC h = PRF/PCC = iC1·RL/(2·VCC) Luego h crece con iC1. Pero el crecimiento de iC1tiene un límite ATE-UO EC amp pot 06
VCC/RL Máximo valor de iC1 iC iC RL VCC iC1 = VCC/2RL IB + t vCE VCC vCE - Q1 t vCE1 = VCC/2 Amplificador “Clase A” con la carga en el circuito de polarización (III) hmax= iC1·RL/(2·VCC) con iC1 = VCC/2RL Por tanto:hmax= 1/4 = 25% ¡El 25% es un rendimiento máximo muy bajo! ATE-UO EC amp pot 07
hmax= 25% hmax= 8,57% hmax= 25% Otras posibilidades de amplificador “Clase A” con bajo rendimiento (dos de ellas no demostradas aquí) • La componente de alterna de iC circula por la carga y por la resistencia de polarización • En la resistencia de polarización se disipa continua (además de alterna) • Toda la componente de alterna de iC circula por la carga • Pero en la fuente de corriente se disipa continua • Toda la componente de alterna de iCcircula por la carga • Pero en la carga se disipa continua ¿Podemos conseguir que en elemento de polarización no se disipe ni alterna ni continua? ATE-UO EC amp pot 08
LCH Polarización CAC VCC iC + - iRL + Rg vCE RL + - Q1 Circuito básico de un amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector + vRL - • La bobina LCH debe presentar una impedancia mucho mayor que RL a la frecuencia de trabajo • El condensador CAC debe presentar una impedancia mucho menor que RL a la frecuencia de trabajo ATE-UO EC amp pot 09
LCH VCC iC + - CAC iRL + vCE RL - Q1 Consideraciones generales de los circuitos en régimen permanente • El valor medio de la tensión en una bobina es cero • El valor medio de la corriente por un condensador es cero El valor medio de vLCH es 0 El valor medio de iRL es 0 vCAC El valor medio de vRL es 0 - + + + vLCH vRL El valor medio de vCAC es VCC (Kirchhoff) - - El valor medio de vCE es VCC (Kirchhoff) Como la impedancia de CAC es muy pequeña, la tensión sobre él es constante e igual a VCC ATE-UO EC amp pot 10
LCH LCH RL VCC VCC VCC iC iC + - iRL + + iRL vCE vCE RL - - Q1 Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (I) Circuito equivalente al básico • En ambos casos: • Toda la componente de alterna de iCcircula por la carga • En la bobina, obviamente, no se disipa potencia ATE-UO EC amp pot 11
Lm RL’ RL VCC iC 1:n iC iRL’ iRL VCC + + vCE vCE Q1 - - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (II) Otra posibilidad de realización física, pero con un grado de libertad más RL’ = RL/n2 iRL’ = iRL·n • Es como el caso anterior: • Toda la componente de alterna de iCcircula por la carga (modificada por la relación de transformación del transformador) • En el transformador, obviamente, no se disipa potencia ATE-UO EC amp pot 12
Recta de carga en continua iC LCH RL IB VCC iC + iRL vCE - Q1 vCE VCC Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (III) Circuito de estudio Recta de carga en alterna con pendiente -1/RL Punto de trabajo ¿Cómo debe elegirse el punto de trabajo para obtener el máximo rendimiento posible? ATE-UO EC amp pot 13
Recta de carga en continua iC IB iC1 vCE VCC VCC+iC1·RL t Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (IV) La componente de alterna en el transistor es la misma que en la carga PRF = (iC1·RL)2/(2·RL) PCC = iC1·VCC h = PRF/PCC = iC1·RL/(2·VCC) El máximo valor de iC1·RL es iC1·RL = VCC y por tantohmax= 1/2 = 50%. ¡Ha mejorado, pero sigue siendo bajo! ATE-UO EC amp pot 14
Recta de carga en continua iC 2iC1 IB iC1=VCC/RL vCE t VCC 2VCC t Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (V) Situación con la máxima señal que se puede manejar hmax= 50%. ¿Cuál es el rendimiento cuando la señal es no es la máxima posible? ATE-UO EC amp pot 15
Recta de carga en continua iC 2·VCC/RL IB DiC Pend. -1/RL vCE t VCC 2VCC DvCE t Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VI) Situación con señal menor que la máxima que se puede manejar PRF = (DvCE)2/(2·RL) PCC = VCC2/RL h = PRF/PCC = 0,5·(DvCE/VCC)2 ATE-UO EC amp pot 16
Recta de carga en continua iC IB 2·VCC/RL Pend. -1/RL (VCC-vCE sat)/RL vCE VCC 2VCC VCC-vCE sat vCE sat t Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VII) Con transistores reales (no idealizados) PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL) PCC = VCC·(VCC-vCE sat)/RL h = 0,5·(VCC-vCE sat)/ VCC ATE-UO EC amp pot 17
vce(wmt, wpt) Recta de carga en continua iC vm vp 2·VCC/RL IB Pend. -1/RL vCE VCC 2VCC t Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (VIII) Señal modulada en amplitud vce es la componente de alterna de vCE vce(wmt, wpt) = DvCE(wmt)·sen(wpt) DvCE(wmt) = vp[1 + m·sen(wmt)] m= vm/vp h(wmt)= 0,5·[DvCE (wmt)/VCC]2Þ h(wmt)= 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m·sen(wmt)]2 hmed= 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m2/2] hmed max Þ vp = VCC/2, m = 1 hmed max= 0,125·[1 + 1/2] = 18,75% ¡Vuelve a ser muy bajo! ATE-UO EC amp pot 18
Circuito resonante a la frecuencia de la señal de RF C L Polarización VCC VCC + - iC iRL + + Rg RL vCE + - - Q1 iC vRL Amplificador “Clase A” con polarización por circuito resonante paralelo en el colector Circuito básico • El circuito resonante presenta una impedancia infinita a la frecuencia de la señal de RF t 360º ATE-UO EC amp pot 19
Circuito resonante a la frecuencia de la señal de RF C L Polarización VCC VCC + - iC iRL + + Rg RL vCE + - - Q1 iC vRL 180º Amplificador “Clase B” con un único transistor (I) Circuito básico • El circuito resonante presenta una impedancia infinita a la frecuencia de la señal de RF ATE-UO EC amp pot 20
C C L L vRL VCC RL VCC Equivalente + - iC iC iRL iRL VCC vRL vCE vCE RL Q1 Q1 + + + + + - - - - - RL C iC iC iC Equivalente (salvo cálculos que impliquen a VCC) vRL L iC iRL 180º 180º 180º Amplificador “Clase B” con un único transistor (II) ATE-UO EC amp pot 21
iCca iCpico(1-1/p) iC C 180º IC L iCpico/p RL iC iCpico + + 180º C L RL iC - - IC iCca No genera tensión en la carga (debido a la presencia de L) vRL vRL Amplificador “Clase B” con un único transistor (III) Circuitos equivalentes (I) ATE-UO EC amp pot 22
iCca = + iCpico(1-1/p) Armónicos iCca1 iCca1 180º iCpico/2 iCpico/2 iRL(wt) iCca(wt) C L + + + RL - - - iCca1 iRL vRL vRL vRL RL Amplificador “Clase B” con un único transistor (IV) Circuitos equivalentes (II) iCca(wt) iRL(wt) iCca1 Arm. C L RL Los armónicos se cortocircuitan por el condensador iCca1 (wt)=(iCpico/2)·sen(wt) vRL(wt) = RL·iRL(wt)= -RL·iCca1(wt) vRL(wt) = -RL·(iCpico/2)·sen(wt) ATE-UO EC amp pot 23
C L VCC VCC + - iC iRL iC vRL vCE iCpico RL Q1 + + 180º - - Amplificador “Clase B” con un único transistor (V) Calculamos las magnitudes eléctricas en el transistor Como vcea la componente dealterna de vCE.Entonces: • vce(wt) = vRL(wt) = -RL·(iCpico/2)·sen(wt) Þ • vce(wt) = -(RL /2)·iCpico·sen(wt) • La corriente por el colector del transistor vale: • Entre 0º y 180º: • iC = iCpico·sen(wt) • Entre 180º y 360º: • iC = 0 • Por tanto, entre 0º y 180º, se cumple: • vce(wt) = -(RL /2)·iC ATE-UO EC amp pot 24
C L VCC VCC + - iC Recta de carga en continua iC iRL iC 2·VCC/RL IB vRL Pendiente -2/RL vCE iCpico RL Q1 + + iCpico 180º Punto de trabajo vCE - - Pendiente 0 t VCC 180º DvCE t Amplificador “Clase B” con un único transistor (VI) Entre 0º y 180º, se cumple: vce(wt) = -(RL /2)·iC Por tanto, entre 0º y 180º, se cumple: DvCE = iCpico·RL/2 Rectas de carga, punto de trabajo (estático) y excursión del punto de trabajo ATE-UO EC amp pot 25
Recta de carga en continua iC 2·VCC/RL IB iCpico/p Pendiente -2/RL iCpico Punto de trabajo DvCE = iCpico·RL/2 vCE Pendiente 0 t VCC 180º DvCE t Amplificador “Clase B” con un único transistor (VII) Cálculo del rendimiento máximo posible • PRF = (DvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL)2/(8·RL) • PCC = VCC·iCpico/p • = PRF/PCC = iCpico·RL·p/(8·VCC) El máximo valor de iCpico es iCpico max= 2·VCC/RL y por tanto: hmax= p/4 = 78,5% ¡Ha mejorado notablemente! ATE-UO EC amp pot 26
2·VCC/RL Recta de carga en continua iC IB t 2·VCC 180º vCE hmax= p/4 = 78,5% t VCC Amplificador “Clase B” con un único transistor (VIII) Situación con la máxima señal que se puede manejar ATE-UO EC amp pot 27
iC Recta de carga en continua IB 2·VCC/RL iCpico/p iCpico t vCE VCC 180º Amplificador “Clase B” con un único transistor (IX) Cálculo de la potencia máxima disipada en el transistor, PTr PRF = (iCpico·RL)2/(8·RL) PCC = VCC·iCpico/p PTr = PCC - PRFÞ PTr = VCC·iCpico/p - (iCpico·RL)2/(8·RL) PTrtiene un máximo en: iCpico PTmax= 4·VCC/(p·RL) Nótese que: iCpico PTmax< iCpico max= 2·VCC/RL (el máximo está dentro del intervalo de valores posibles de iCpico) Por tanto, la potencia máxima disipada en el transistor es: PTrmax = 2·VCC2/(p2·RL) Como la potencia máxima de RF es: PRF max = (iCpico max·RL)2/(8·RL) Þ PRF max = VCC2/(2·RL) Entonces: PTrmax = 4·PRF max/p2 = 0,405·PRF max ATE-UO EC amp pot 28
Recta de carga en continua iC IB 2·VCC/RL Pendiente -2/RL 2·(VCC-vCE sat)/RL vCE t VCC 180º 2VCC VCC-vCE sat vCE sat t Amplificador “Clase B” con un único transistor (X) Con transistores reales (no idealizados) PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL) PCC = VCC·2·(VCC-vCE sat)/(p·RL) h = p·(VCC-vCE sat)/(4·VCC) Þ h = 0,785·(VCC-vCE sat)/VCC ATE-UO EC amp pot 29
vm vp Recta de carga en continua iC iCpico(wmt) 2·VCC/RL IB Pendiente -2/RL Punto de trabajo vCE Pendiente 0 t VCC DvCEmax(wmt) Amplificador “Clase B” con un único transistor (XI) vce(wmt, wpt) DvCE(wmt) (envolvente) Señal modulada en amplitud DvCE(wmt) = vp[1 + m·sen(wmt)] m= vm/vp PRF = [DvCE(wmt)]2/(2·RL) PCC = VCC·iCpico(wmt)/p DvCE(wmt)= iCpico(wmt)·RL/2 Þ PCC = VCC·2·DvCE(wmt)/(p·RL) h = PRF/PCC = p·DvCE(wmt)/(4·VCC) h = 0,785·vp[1 + m·sen(wmt)]/VCC hmed = 0,785·vp/VCC hmed max Þ vp = VCC/2 Þ hmed max= 39,26% ATE-UO EC amp pot 30
Polarización vCE2 Q1 iC1 iRL Rg + + + + RL vRL vCE1 VCC - + - - - Q2 iC2 1:1:n Amplificador “Clase B” con dos transistores (I) Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (I) RL’ = RL/n2 ATE-UO EC amp pot 31
iRL Q1 iC1 iRL iC1 iB1 vCE2 180º VCC + + + vCE1 vRL RL iC2 - - - iB2 1:1:n Q2 iC2 180º iB2 iB1 180º 180º Amplificador “Clase B” con dos transistores (II) Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (II) ATE-UO EC amp pot 32
Recta de carga en continua iC1 VCC/RL’ IB1 Pendiente -1/RL’ iCpico vCE1 t vCE2 t VCC Punto de trabajo iCpico IB1 VCC/RL’ iC2 Amplificador “Clase B” con dos transistores (III) Circuito básico: Montaje en contrafase o Push-Pull (III) ATE-UO EC amp pot 33
Amplificador “Clase B” con dos transistores (IV) Cálculo del rendimiento máximo posible • PRF = iCpico2·RL’/2 • PCC = 2·VCC·iCpico/p • h = iCpico·RL’·p/(4·VCC) Þ • = 0,785·iCpico·RL’/VCC Como: iCpico max= VCC/RL’, entonces: hmax= p/4 = 78,5% Como en el caso de un transistor ATE-UO EC amp pot 34
Recta de carga en continua iC1 VCC/RL’ IB1 vCE1 t vCE2 t VCC Punto de trabajo IB1 VCC/RL’ iC2 Amplificador “Clase B” con dos transistores (V) Situación con la máxima señal que se puede manejar hmax= 78,5% ATE-UO EC amp pot 35
Clase A Clase B, 2 Trans. Clase B, 1 Trans. Ganancia de los amplificadores “Clase A” con bobina, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistores Por comodidad, calculamos la “Transresistencia” DvRL/DiB En todos los casos: DvRL= VCC, DiB = DiC/b DvRL/DiB= RL·b DvRL/DiB= RL’·n·b DvRL/DiB= RL·b/2 ATE-UO EC amp pot 36
Comparación entre amplificadores “Clase A”, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistores rBE = resistencia dinámica de la unión base-emisor RL’ = RL/n2 ATE-UO EC amp pot 37
+VCC +VCC A la base del transistor R Polarización LCH P D A la base del transistor C iB Clase A Sobra en el caso del Push-Pull VBE 0 Clase B Circuitos de polarización en clases A y B ATE-UO EC amp pot 38
C L Circuito resonante Polarización VCC VCC + - iC iRL + + Rg RL vCE + - - Q1 iC vRL < 180º Amplificadores Clase C (I) ¿Se puede el rendimiento máximo teórico mayor que el 78,5%? ¿Qué hay que sacrificar? Circuito básico ATE-UO EC amp pot 39
iB= 0 • Si wt < (p-fC)/2 o wt > (p+fC)/2, vg • Si (p-fC)/2 < wt < (p+fC)/2, iC Vg pico·sen(wt) – (VB + vgBE) Rg VB iB iB= VB+vgBE Rg+rBE vCE + t vBE vg - + vgBE rBE iB - t + fC Amplificadores Clase C (II) ¿Cómo conseguir un ángulo de conducción menor de 180º ? • Relaciones entre variables: • vg = Vg pico·sen(wt) ATE-UO EC amp pot 40
VB - + iC CB Rg iB RB vCE + vg + vBE - + vgBE rBE - Amplificadores Clase C (III) Realización física Como vg=Rg·iB +VB + vgBE+ rBE·iB Þ Pequeña ganancia, ya que parte de vg se pierde para generar VB ATE-UO EC amp pot 41
Vg pico·sen(wt) – (VB + vgBE) iB= Rg+rBE iC iCpico sen(wt) – cos(fC/2) iC= iCpico· fc 1 – cos(fC/2) Amplificadores Clase C (IV) Cálculos (I) Si (p-fC)/2 < wt < (p+fC)/2, entonces: Haciendo iB= 0, se obtiene: fC = 2·arcos[(VB + vgBE)/Vg pico] Y por consiguiente: iB= [sen(wt) – cos(fC/2)]·Vg pico/(Rg+rBE) Por tanto, en (p-fC)/2 < wt < (p+fC)/2, ic vale: iC= [sen(wt) – cos(fC/2)]·b·Vg pico/(Rg+rBE) El valor de pico de ic vale: iCpico= [1 – cos(fC/2)]·b·Vg pico/(Rg+rBE) Es decir: ATE-UO EC amp pot 42
iCpico sen(fC/2) – (fC/2)·cos(fC/2) IC= · • Componente de continua: p 1 – cos(fC/2) iCpico fC– senfC iCca1(wt)= · ·sen(wt) • Primer armónico: 2p 1 – cos(fC/2) + - C El resto de armónicos se cortocircuitan por el condensador L RL iC iCca1 IC Arm. vRL sen(wt) – cos(fC/2) iC= iCpico· 1 – cos(fC/2) Amplificadores Clase C (V) Cálculos (II) • Resto de armónicos ATE-UO EC amp pot 43
iCca1(wt) iCca1(wt) vRL RL iCpico fC– senfC t iCca1(wt)= · ·sen(wt) 2p 1 – cos(fC/2) RL’= · + vce=-RL· sen(wt) siendo: RL RL fC– senfC fC– senfC - vce=- · iCpico·sen(wt) 2p 2p 1 – cos(fC/2) 1 – cos(fC/2) iCpico fC– senfC · 2p 1 – cos(fC/2) Amplificadores Clase C (VI) Cálculos (III) Circuito equivalente de alterna Por tanto: vRL(wt) = -RL·iCca1(wt) vce(wt) = vRL(wt) = -RL·iCca1(wt) Es decir: DvCE RL’ vce=- RL’·iCpico·sen(wt) = - DvCE·sen(wt) ATE-UO EC amp pot 44
[fC– senfC] hmax= 4·[sen(fC/2) – (fC/2)·cos(fC/2)] sen(fC/2) – (fC/2)·cos(fC/2) ·iCpico IC= p·[1 – cos(fC/2)] RL’= · siendo: iCpico·RL’·[fC– senfC] RL fC– senfC h = PRF/PCC = 4·VCC·[sen(fC/2) – (fC/2)·cos(fC/2)] 2p 1 – cos(fC/2) Amplificadores Clase C (VII) Cálculos (IV) Cálculo del rendimiento PRF = (DvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL’)2/(2·RL) siendo: PCC = VCC·IC h = PRF/PCCÞ Luego h crece con iCpico. Calculamos el valor máximo: iCpico max= DvCE_max/RL’ = VCC/RL’ ATE-UO EC amp pot 45
iC Rectas de carga y magnitudes eléctricas con la máxima señal que se puede manejar IB iCpico max Pend. -1/RL’ Clase C (ejempl.) IC vCE0 2·VCC VCC Clase B t vCE fC Clase A DvCE t p-fC Rendimiento máximo real: (VCC -vCE sat)·[fC– senfC] 2 4·VCC·[sen(fC/2) – (fC/2)·cos(fC/2)] hmax real= Amplificadores Clase C (VIII) Cálculos (V) Representación gráfica de hmax ATE-UO EC amp pot 46
Amplificadores Clase C (IX) Resumen de características: Linealidad: Baja Rendimiento máximo: Alto, 80-90 % (ideal) Ganancia: Baja Impedancia de entrada: Muy no lineal Corriente de colector: Picos altos y estrechos Ancho de banda: Pequeño ATE-UO EC amp pot 47
iC C C L vRL L RL VCC VCC VCC Circuito resonante + - iC iRL RL vCE + + + - - - iC vRL Amplificadores Clase C con pulsos de conducción muy estrechos (I) El transistor trabaja “casi” en conmutación • El circuito resonante resuena libremente y repone la energía que transfiere a la carga en los periodos de conducción del transistor • El valor de pico de la tensión de salida es aproximadamente el valor de la tensión de alimentación: • vRL= VCC·sen(wt) • El rendimiento es bastante alto ATE-UO EC amp pot 48
+ Amplificador de potencia de BF vtr vtr - VCC’ + C L - vCC’ iC VCC’ vCC + + VCC + - iC - - RL vCE vRL Q1 vRL Amplificadores Clase C con pulsos de conducción muy estrechos (II) Modulador de amplitud VCC’ = VCC+vtr ATE-UO EC amp pot 49