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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 piezo 00

  2. PCC Pe RF Rg + PRF Amplificador de potencia de RF VCC RL Pperd 7- 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. IC Polarización VCC + - + Rg vCE + RL - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (I) Circuito básico ATE-UO EC amp pot 08

  10. + + VCC VCC - IC + IC - + - - iC iL iC iL RL + + RL vCE vCE Q1 - - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (II) Realización física de la fuente de corriente La tensión en la fuente de corriente debe ser la mostrada ATE-UO EC amp pot 09

  11. + VCC/RL iC VCC - IC + Recta de carga en continua - iC IB iL + RL vCE vCE VCC - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (III) Elección del punto de trabajo para un valor de IC Recta de carga en alterna con pendiente 1/RL Esta es la recta de carga de alterna con mayores niveles de tensión y corriente y compatible con tensión positiva en la fuente de corriente ATE-UO EC amp pot 10

  12. + VCC/RL iC VCC - IC + Recta de carga en alterna Recta de carga en continua vCE1 - iC IB iL IC + RL t vCE vCE VCC - Q1 t vCE1 Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (IV) PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC h = Ic·RL/(2·VCC) Luego h crece con IC y tiene el límite en IC = VCC/2RL. ATE-UO EC amp pot 11

  13. iC VCC/RL Recta de carga en alterna IB IC Recta de carga en continua t vCE VCC vCE1 t PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC h = Ic·RL/(2·VCC) Amplificador “Clase A” con polarización por fuente de corriente (V) Con IC = VCC/2RL,hmax= 1/4 = 25%. ¡Sigue siendo muy bajo! ATE-UO EC amp pot 12

  14. RC Polarización VCC iC + - iL + Rg vCE + RL - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por resistencia de colector (I) Circuito básico ATE-UO EC amp pot 13

  15. iC VCC/RL RC IB VCC iC Punto de trabajo iC1 iL + Recta de carga en continua vCE + - vCE - Q1 vCE1 VCC Recta de carga en alterna con pendiente -(RC+RL)/(RL·RC) RL No demostrado aquí: Condición de rendimiento máximo es RC = 2·RL y hmax= 1/(6 + 4· 2) = 8,57%.¡Aún mas bajo! Amplificador “Clase A” con polarización por resistencia de colector (II) ¿Cómo debe elegirse RC para obtener rendimiento máximo? ¿Cuál será el rendimiento máximo? ATE-UO EC amp pot 14

  16. hmax= 25% hmax= 8,57% hmax= 25% Resumen de los amplificador “Clase A” (hasta ahora) • 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 15

  17. LCH Polarización VCC iC + - iRL + Rg vCE + RL - Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (I) Circuito básico La bobina LCH debe presentar una impedancia mucho mayor que RL a la frecuencia de trabajo ATE-UO EC amp pot 16

  18. LCH LCH RL VCC VCC iC iC + - iRL + + iRL vCE vCE RL - - Q1 Q1 Amplificador “Clase A” con polarización por bobina de choque en el colector (II) 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 17

  19. 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 (III) 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 18

  20. 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 (IV) 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 19

  21. 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 (V) 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 20

  22. 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 (VI) 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 21

  23. 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 (VII) 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 22

  24. 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 (VIII) 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 23

  25. 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 (IX) Señal modulada en amplitud 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 24

  26. 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 ATE-UO EC amp pot 25

  27. 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 para la tensión sobre la fuente) vRL L iC iRL 180º 180º 180º Amplificador “Clase B” con un único transistor (II) ATE-UO EC amp pot 26

  28. 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 vRL vRL Amplificador “Clase B” con un único transistor (III) Circuitos equivalentes (I) ATE-UO EC amp pot 27

  29. iCca = + iCpico(1-1/p) Armónicos iCca1 iCca1 iCpico/2 iCpico/2 180º iRL(wt) iCca(wt) iCca1 Arm. Los armónicos se cortocircuitan por el condensador C L RL + + - - iCca1 iRL vRL vRL RL Amplificador “Clase B” con un único transistor (IV) Circuitos equivalentes (II) 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 28

  30. C L VCC VCC + - iC Recta de carga en continua iC iRL 2·VCC/RL IB vRL Pendiente -2/RL vCE RL Q1 + + iCpico Punto de trabajo vCE - - Pendiente 0 t VCC 180º iC DvCE 180º t Amplificador “Clase B” con un único transistor (V) Llamamos vcea la componente dealterna de vCE.Entonces: vce(wt) = vRL(wt) = -RL·(iCpico/2)·sen(wt) Þ vce(wt) = -(RL /2)·iCpico·sen(wt) = -(RL /2)·iC Por tanto: DvCE = iCpico·RL/2 Rectas de carga, punto de trabajo (estático) y excursión del punto de trabajo ATE-UO EC amp pot 29

  31. 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 (VI) Cálculo del rendimiento máximo posible PRF = (DvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL)2/(8·RL) PCC = VCC·iCpico/p h = 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 30

  32. 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 (VII) Situación con la máxima señal que se puede manejar ATE-UO EC amp pot 31

  33. iC Recta de carga en continua IB 2·VCC/RL iCpico/p iCpico t vCE VCC 180º t DvCE Amplificador “Clase B” con un único transistor (VIII) 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 PTrmax = 2·VCC2/(p2·RL) La potencia máxima de RF es: PRF max = (iCpico max·RL)2/(8·RL) Þ PRF max = VCC2/(2·RL) Por tanto: PTrmax = 4·PRF max/p2 = 0,405·PRF max ATE-UO EC amp pot 32

  34. 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 (IX) 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 33

  35. 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 DvCE(wmt) Amplificador “Clase B” con un único transistor (X) 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 34

  36. 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 35

  37. 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 36

  38. 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 37

  39. 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 h = 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 38

  40. 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 39

  41. 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 40

  42. 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 41

  43. +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 42

  44. C L Circuito resonante Polarización VCC VCC + - iC iRL + + Rg RL vCE + - - Q1 iC vRL < 180º Amplificadores “Clase C” ¿Se puede el rendimiento máximo teórico mayor que el 78,5%? ¿Qué hay que sacrificar? Circuito básico ATE-UO EC amp pot 43

  45. vg iC Rg VB iB VB+vgBE vCE + t vBE vg - + vgBE rBE iB - t + fC Amplificadores “Clase C” lineales (I) ¿Cómo conseguir un ángulo de conducción menor de 180º ? ¿Cómo conseguir proporcionalidad entre iB y vg? ATE-UO EC amp pot 44

  46. iB= 0 • Si wt < (p-fC)/2 o wt > (p+fC)/2, • Si (p-fC)/2 < wt < (p+fC)/2, Vg pico·sen(wt) – (VB + vgBE) iB= Rg+rBE vg iB VB+vgBE t t fC Amplificadores “Clase C” lineales (II) • Relaciones entre variables: • vg = Vg pico·sen(wt) • fC = 2·arcos[(VB + vgBE)/Vg pico] Para conseguir proporcionalidad entre iB y vg debe cumplirse: - Que VB+vgBE varíe proporcionalmente a Vg pico. - QuefCno varíe. ATE-UO EC amp pot 45

  47. VB - + iC CB Rg iB RB vCE + vg + vBE - + vgBE rBE - Amplificadores “Clase C” lineales (III) Realización física vBE= vgBE+ iB·rBE VB = (Vg pico – vgBE)·RB/(RB + Rg + rBE) VB + vgBE= Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) + vgBE·(Rg + rBE)/(RB + Rg + rBE) SiVg pico·RB >> vgBE·(Rg + rBE),entonces: VB + vgBEVg pico·RB/(RB + Rg + rBE) es decir, proporcionalidad. ¡Ojo! como: vg=VB + vgBE+ (Rg + rBE)·iB si vg>>vBEÞ Pequeña ganancia. ATE-UO EC amp pot 46

  48. Como: 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” lineales (IV) fC = 2·arcos[(VB + vgBE)/Vg pico] Entonces: iB= [sen(wt) – cos(fC/2)]·Vg pico/(Rg+rBE) y, por tanto: iC= [sen(wt) – cos(fC/2)]·b·Vg pico/(Rg+rBE) El valor de pico vale: iCpico= [1 – cos(fC/2)]·b·Vg pico/(Rg+rBE) Es decir: ATE-UO EC amp pot 47

  49. 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” lineales (V) • Resto de armónicos ATE-UO EC amp pot 48

  50. iCca1(wt) iCca1(wt) vRL RL iCpico fC– senfC t iCca1(wt)= · ·sen(wt) 2p 1 – cos(fC/2) + vce=-RL· sen(wt) RL fC– senfC - vce=- · iCpico·sen(wt) 2p 1 – cos(fC/2) iCpico fC– senfC · 2p 1 – cos(fC/2) Amplificadores “Clase C” lineales (VI) Circuito equivalente de alterna Por tanto: vRL(wt) = -RL·iCca1(wt) vce(wt) = vRL(wt) = -RL·iCca1(wt) Es decir: ATE-UO EC amp pot 49

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