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Electrónica de Comunicaciones

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

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  1. 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 piezo 00

  2. vs/ve, vs/vg, [dB] f [Hz] 4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos Idea fundamental: Conseguir una respuesta en frecuencia de filtro ideal pasa-banda ATE-UO EC piezo 01

  3. Rg + C L Rp vg Filtro RL GV [dB] 0 1, 100 1, 20 -20 10, 20 10, 100 + QR, QF -40 vs -60 - f 0,5·f 1,5·f Filtro pasa-banda elemental (I) Notación: wr = 1/(LC)1/2 XL(w)= jw·L XC(w)= -j/(w·C) XLr = jwr·L XCr= -j/(wr·C) = -XLr QF = L·wr/Rp GV = vs/vg Supongamos: RL = Rg = R Definimos: QR = L·wr/R ATE-UO EC piezo 02

  4. GV [dB] 0 -20 100, 100 100, 20 -40 1000, 100 -60 CP f 0,5·f 1,5·f 1000, 20 QR, QF -80 C L Filtro pasa-banda elemental (II) QF = L·wr/Rp QR = L·wr/R GV = vs/vg ¿Es físicamente posible tener valores comoQR =1000? Ejemplo: R = 100 W, fr = 10 MHz No, porque sería CP> C ATE-UO EC piezo 03

  5. Z(f) Im(Z) [MW] 1 0 200 Hz -1 10,0236 10,024 10,0244 f [MHz] Solución: usar resonadores piezoeléctricos Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz Rp = 20 W,L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF Por tanto: QF = L·wr/Rp = 47.237 Es un valor altísimo, no alcanzable con componentes discretos. ATE-UO EC piezo 04

  6. 0 GV [dB] -20 -40 -60 -80 9,9 10 9,92 9,94 9,96 9,98 f [MHz] Cristal con su Co Cristal sin su Co Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (I) Cristal de 10 MHz: R = 100 W,Rp = 20 W,L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF ¿Cómo podemos cancelar la capacidad parásita Co? ATE-UO EC piezo 05

  7. + vs - C Rp L Rg CO RL + iCo1 vg iCo2 1:n:n Cext = CO Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (II) Como Co y Cext = Co soportan tensiones de igual magnitud y de signo contrario, entonces: iCo2=-iCo1 Luego las dos corrientes se cancelan y no llegan a la carga ATE-UO EC piezo 06

  8. + vs - Filtro C Rp L Rg Puede anularse la influencia de la inductancia magnetizante del transformador por resonancia + CR vg RL LM 1:n Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (III) ATE-UO EC piezo 07

  9. Filtro + Rg vs RL + CR - vg LM 1:n:n Cext Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (IV) Circuito final ATE-UO EC piezo 08

  10. XT1:fRS1, fRP1 Im(Z) [kW] + Rg vs 50 RL + - vg 0 1:n:n -50 fRS2 fRP2 XT2:fRS2, fRP2 fRS1 Filtro fRP1 10 10,005 f [MHz] Filtro en celosía con dos cristales (I) Se eligen los cristales de forma que: fRP1 =fRS2 ATE-UO EC piezo 09

  11. XT2:fRS2, fRP2 Rp2 Rp1 XT1:fRS1, fRP1 CO1 CO2 L1 L2 C2 C1 ZXT1 ZXT2 R(ZXT2 – ZXT1) GV = vs/vg= (aquí no demostrada) 4·R2 + ZXT2·ZXT1 + 2·R·(ZXT2 + ZXT1) Filtro en celosía con dos cristales (II) QXT1 = L1·wr/Rp1 QXT2 = L2·wr/Rp2 Supongamos: n = 1; Rg = RL = R ATE-UO EC piezo 10

  12. GV [dB] 0 -20 Transformador resonante -40 200 103 -60 10 10,010 f [MHz] 5·103 Qfiltro = L·wr/R Filtro en celosía con dos cristales (III) Supongamos: n = 1 Rg = RL = R QXT = L·wr/Rp =105 ATE-UO EC piezo 11

  13. + + Rg vs XT1:fRS1, fRP1 XT3:fRS2, fRP2 - 1:1 vg RL XT4: fRS1, fRP1 XT2:fRS2, fRP2 Filtro Filtro en celosía con cuatro cristales (I) Realización física 1 ATE-UO EC piezo 12

  14. + Filtro Rg XT1 XT2 + vs vg - XT3 RL XT4 Filtro en celosía con cuatro cristales (II) Realización física 2 XT1:fRS1, fRP1 XT2:fRS2, fRP2 XT3:fRS2, fRP2 XT4:fRS1, fRP1 ATE-UO EC piezo 13

  15. 4·R·ZXT2 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT2)·(ZXT2 + ZXT1) 4·R·ZXT1 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT1)·(ZXT2 + ZXT1) Y2 = Y1 = R·(ZXT2 – ZXT1)2 R·(ZXT2 – ZXT1)2 2·R + ZXT1 Y3 = R·(ZXT2 – ZXT1) 1 GV = vs/vg= R·(Y1 + Y2) + ZXT1·Y1 + ZXT3·Y3 + 1 Filtro en celosía con cuatro cristales (III) Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada) Supongamos: XT1 = XT4; XT2 = XT3;Rg = RL = R Definimos: Entonces: ATE-UO EC piezo 14

  16. GV [dB] 0 1333,3 -20 Transformador resonante 2000 -40 -60 4·103 Qfiltro = L·wr/R 10 10,010 f [MHz] Filtro en celosía con cuatro cristales (IV) Supongamos: QXT = L·wr/Rp =105 ATE-UO EC piezo 15

  17. GV [dB] 0 1XT, Qfiltro = 2000 -20 2XT, Qfiltro = 2000 -40 1XT, Qfiltro = 10000 -60 4XT, Qfiltro = 2000 Qfiltro = L·wr/R 10 10,010 f [MHz] Comparación de los filtro con uno, dos y cuatro cristales ATE-UO EC piezo 16

  18. Filtro XT1 XT2 Rg + + RL vs vg CP - Filtro en escalera con dos cristales (I) Inconveniente de los filtros en celosía: los cristales tienen que ser de dos frecuencias Solución: filtros en escalera. Los cristales son de la misma frecuencia XT1 = XT2 ATE-UO EC piezo 17

  19. ZXT ZXT R + + R vs vg ZCP - R·ZCP GV = vs/vg= (R + ZXT)·(R + ZXT + 2·ZCP) Filtro en escalera con dos cristales (II) Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada) Supongamos: Rg = RL = R ATE-UO EC piezo 18

  20. GV [dB] 0 0,5; 5000 -20 1; 5000 0,5; 10000 -40 1; 10000 -60 QCP; Qfiltro 10 10,010 f [MHz] Filtro en escalera con dos cristales (III) Definimos: QXT = L·wr/Rp; Qfiltro = L·wr/R; QCP = R·CP·wr Supongamos: QXT =105 ATE-UO EC piezo 19

  21. Filtro en escalera con cuatro cristales ZXT ZXT ZXT ZXT ZCP R + + ZCP R vs vg ZCP ZCP ZCP - Filtro a cristal del Iler 40 Filtro a cristal del Iler 20 ATE-UO EC piezo 20

  22. Ejemplos de otros filtros en escalera Cristales de 8 MHz Transformadores para adaptar impedancias Cristales de 8,467 MHz Kit KN-Q7 ATE-UO EC piezo 21

  23. GV/GV max [dB] Rizado 6 dB 0 -20 -40 -60 DB Df 60dB Parámetros de definición de filtros a cristal • Rizado • Ancho de banda (DB) • Frecuencia central • Pérdidas de inserción. • Impedancia de terminación (R y C) • Atenuación final • Factor de forma a 60 o a 80 dB Factor de forma a 60 dB = = DB/DF60dB ATE-UO EC piezo 22

  24. Otros filtros basados en materiales piezoeléctricos • Los filtros a cristal de cuarzo son muy efectivos, pero son caros • Se pueden usar otros materiales piezoeléctricos artificiales de precios muy inferiores • Se comportan de una forma similar, pero con peores características • Otros tipos de filtros piezoeléctricos: • Filtros cerámicos  f 0,45-60 MHz; Qdispositivo  800-2000; Pinserción 3-4dB • Filtros de ondas acústicas superficiales (Surface Acustic Waves, SAW)  f 20-1000 MHz; f/DB  2-100; DB/DF60dB  1:1,5; Pinserción 10-30dB ATE-UO EC piezo 23

  25. GV [dB] 0 -20 0,4 mm -40 5,6 mm -60 400 500 Con CO f [kHz] Sin CO Filtros cerámicos (I) • Los materiales piezoeléctricos cerámicos usados son del tipo titanato-circonato de plomo o niobato de sodio-potasio • La forma característica es de un disco de material cerámico con electrodos depositados • Ejemplo: resonador cerámico para amplificador de Frecuencias Intermedias (FI) de 455 kHz: Circuito equivalente: Rp = 20 W L = 8,7 mH C = 14 pF y CO = 180 pF Qresonador =1000 Circuito externo: Rg = RL = R = 100 W ATE-UO EC piezo 24

  26. Filtro de un único resonador cerámico y circuito resonante (híbrido): Filtro de varios resonadores cerámicos: Filtros cerámicos (II) Aspecto ATE-UO EC piezo 25

  27. Aspecto Símbolos Conexión Filtros cerámicos (III) Filtro cerámico monolítico: ATE-UO EC piezo 26

  28. “Dedos” Rg + + vg RL vs - Filtros de ondas acústicas superficiales, SAW • Se basan láminas finas de materiales piezoeléctricos tipo niobato de litio (LiNbO3) que actúan como sustrato • En los extremos se depositan electrodos de aluminio en forma de “dedos” Substrato piezoeléctrico • La onda acústica superficial generada se traslada por el substrato, alcanza los “dedos” de salida y genera tensión en la carga • La frecuencia de filtrado depende de las dimensiones ATE-UO EC piezo 27

  29. Ejemplos de filtros SAWs ATE-UO EC piezo 28

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