03 - amplificadores de sinal

122
UERJ - Circuitos de Comunicação Prof. Gil Pinheiro Amplificadores para sinais de pequena potência em RF Gil Pinheiro UERJ-FEN-DETEL

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iro

Amplificadores para sinais de pequena potência em RF

Gil Pinheiro

UERJ-FEN-DETEL

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Pro

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iroAmplificadores para sinais de pequena potência em RF

Objetivo: Amplificação seletiva de sinais de RF de baixa potê ncia com boa relação sinal/ruído

VCC

Zg

Amplificador de sinal de

RF

+ZLvg

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroConceito de Ganho de Potência

Zg

Amplificador de sinal de RF

+ZL

vg

Zi

Zo+

vso

i iio

Potência de entrada: Pi = (i i ef)2·Re[Zi]

Potência de saída: Po = (io ef)2·Re[ZL]

Ganho de potência: Gp = Po/Pi

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Potência de Entrada: Pi = (Vi ef)2.Re[Ye]

Potência de Saída: Po = (Vs ef)2·Re[YL]

Ganho de Potência: Gp = Po/Pi

vo

+

-

Amplificador de sinal de RF

Zg

+ZL

vg

Yi Yoisccv i

+

-

Modelo Y

Conceito de Ganho de Potência

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Pro

f. G

il P

inhe

iro

Potência de Entrada: Pi = (Vi ef)2/Re[h i]

Potência de Saída: Po = (Vo ef)2/Re[ZL]

Ganho de Potência: Gp = Po/Pi

vo

+

-

Amplificador de sinal de RF

Zg

+ZL

vg

h i hov i

+

-

Modelo h

Conceito de Ganho de Potência

iscc

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Pro

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inhe

iroPotência Disponível num Gerador

Zg

+

vg

ZL

É a máxima potência que um gerador consegue entregar a uma carga

+

vg

ZL

jXg Rg

RL

jXLig

Zg

Máxima transferência de potência (Z L = Zg*):

Re[ZL] = Re[Zg] ⇒⇒⇒⇒ RL = Rg

Im[Ze] = - Im[Z g] ⇒⇒⇒⇒ XL = -Xg

Pgd = (ig ef)2·RL = (ig ef)2·Rg =

(vg ef/2Rg)2·Rg = (vg ef)2/4Rg

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Pro

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inhe

iroGanho de potência de transdução de um amplificador

Potência disponível de entrada: ped = (vg ef)2/4Re[Zg]

Potência de saída: ps = (is ef)2·Re[ZL]

Ganho de potência de transdução: Gpt = ps/ped

Para um dado amplificador (Z e e Zs conhecidos), G Pt é função de Z g e ZL

Zg

Amplificador de sinal de RF

+ZL

vg

Ze

Zs+

vso

is

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Pro

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iro

+

vg

+20·ve

75 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

300 ΩΩΩΩ

75 ΩΩΩΩve

+

-

vs

+

-

Exemplo de cálculo de ganho

AV = vs/ve = 20·75/(300+75) = 4 = 20·log(4) [dB] = 12,04 dB

pe = (ve ef)2/50 ps = 75·[20·ve ef/(300+75)]2

ped = (vg ef)2/(4·75) psd = (20·ve ef)2/(4·300) ve = vg·50/(50+75)

Gp = ps/pe = 10,67 = 10·log(10,67) [dB] = 10,28 dB

Gpd = psd/ped = 16 = 10·log(16) [dB] = 12,04 dB

Gpt = ps/ped = 10,24 = 10·log(10,24) [dB] = 10,10 dB

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iroCondições para máxima transferência de potência entre o gerador e amplificador e entre o amplificador e carga

Zg

Amplificador de sinal de RF

+ZL

vg

Ze

Re[Ze] = Re[Zg]

Im[Ze] = - Im[Z g]

Ze = Zg*

Re[ZL] = Re[Zs]

Im[ZL] = -Im[ Zs]

ZL = Zs*

Zs+

vso

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Pro

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inhe

iroPara conseguir a máxima transferência de potência

Amplificador de sinal de RF

ZL

Zg

+

vg Ze

Zs+

vso

Rede de

adaptação

de

impedância

Ze rede= Zg*

Rede de

adaptação

de entradaZe

Ze rede= Zs*

ZL

Rede de

adaptação

de saída

Rede de

adaptação

de

impedância

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Pro

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iroExemplo de cálculo de ganho com redes de casamento de impedâncias

ve = 0,5·vg ve’ = (50/75)1/2·ve vs’ = 0,5·20·ve’ v s = (75/300)1/2·vs’

AV = vs/ve = 10·(75/300)1/2·(50/75)1/2 = 4,08 = 20·log(4,08) [dB] = 12,21 dB

pe = ped = (vg ef)2/(4·75) ps = psd = (20·ve’ ef)2/(4·300) ve’ = (50/75)1/2·0,5·vg

Gp = Gpd = Gpt = ps/pe = 16,67 = 10·log(16,67) [dB] = 12,21 dB

(coincide neste caso particular com A V, por ser R g= RL)

(75/50)1/2:1 (300/75)1/2:1

+

vg

+

20·ve’

75 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

300 ΩΩΩΩ

75 ΩΩΩΩve’

+

-

vs

+

-

ve

+

-

vs’

+

-

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Pro

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il P

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iroImportância do casamento de impedâncias - exemplo

+

vg

+

50·ve

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩve

+

-

vs

+

-

+

vg

+

50·ve’

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩve’

+

-

vs

+

-

ve

+

-

vs’

+

-

2:1 2:1

Sem casamentoGpt = 64 = 18,06 dB

Com casamento: Gpt = 156,25 = 21,93 dB

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iroComo medir o grau de casamento de impedâncias

Coeficientes de reflexão:

Na entrada: ΓΓΓΓe = (Ze – Zo)/(Ze + Zo) (Zo = impedância de referência)

Na saída: ΓΓΓΓs = (Zs – Zo)/(Zs + Zo) (Zo = impedância de referência)

Relação de Ondas Estacionárias (ROE, SWR):

Na entrada: ROEe = (1 + ΓΓΓΓe)/(1 - ΓΓΓΓe)

Na saída: ROEs = (1 + ΓΓΓΓs)/(1 - ΓΓΓΓs)

Perdas de potência por descasamento PL:

Na entrada: PLe = -10·log[1 - (Ze – Zg*)/(Ze + Zg)2]

Na saída: PLs = -10·log[1 - (Zs – ZL*)/(Zs + ZL)2]

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iroCalculando o grau de casamento de impedâncias no exemplo anterior

ΓΓΓΓe = (Ze – Zo)/(Ze + Zo) = 0/250 = 0

ΓΓΓΓs = (Zs – Zo)/(Zs + Zo) = 150/250 = 0,6

ROEe = (1 + ΓΓΓΓe)/(1 - ΓΓΓΓe) = 1

ROEs = (1 + ΓΓΓΓs)/(1 - ΓΓΓΓs) = 4

PLe = -10·log[1 - (Ze – Zg*)/(Ze + Zg)2] = ??? dB

PLs = -10·log[1 - (Zs – ZL*)/(Zs + ZL)2] = ??? dB

+

vg

+

50·ve

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩve

+

-

vs

+

-Zo = Ro = 50 ΩΩΩΩ

leopoldino
Cross-Out
leopoldino
Replacement Text
100
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Pro

f. G

il P

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iroRedes não dissipativas de casamento de impedâncias

• De banda larga a transformador

• De banda estreita

Tipos de Redes não

dissipativas de casamento

• Com transformador

• Sem transformador

Objetivo:• Efetuar a conexão de uma fonte de sinal, com impedâ ncia de

saída ZG, a uma carga de impedância Z L, eventualmente diferentes

• Permitir a máxima transferência de potência entre a font e e a carga, com perdas mínimas

• Problema é mais fácil de ser resolvido em uma faixa de freqüências estreita

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Pro

f. G

il P

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iro

0,1fC fC 10fC

Atenuação (Rede Banda Larga)

0,1fC fC 10fC

Atenuação (Rede Banda Estreita)0

Ai

Ai-3dB

0

Ai

Ai-3dB

Redes não dissipativas de casamento de impedâncias

Ai = Perda de inserção da rede (em dB)fc = Freqüência central da rede (em Hz)BW = Banda passante da rede (em Hz)

Parâmetros da Rede

BWBW

leopoldino
Sticky Note
perda de potência devido a elementos resistivos.
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iro

+

n·v1

n·i2v1

+

-

i2

v2

+

-

i11:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1

Teoria do Transformador Ideal

v2 = v1·n i2 = i1/np1 = v1·i1 = v2·i2 = p2

v2 = v1·n i2 = i1/n

v2 = R2·i2Então: R1 = v1/i1:

R1 = v2/(i2·n2) = R2/n2

1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1

R2

+

v1 R1 = R2/n2

R1

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Pro

f. G

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inhe

iroPrimeira aproximação ao comportamento real: indutância e corrente de magnetização

im

Lm

i1 = i2·n + imCalculamos i1/v1 = Y1:

Y1(s) = n 2/R2 + 1/(Lm·s)

Z1(s) = v1/i1 = 1/Y1(s)

1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1 n·i2

R2

Modelo que considera a transferência de energia apenas através do campo magnético

Exemplos de Transformadores

de RF

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Pro

f. G

il P

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iro

Há um zero em zero e um pólo em f C = R2 ’/(2ππππLm)

Então:

Z1(s) = 1/[n 2/R2 + 1/(Lm·s)]

Z1(s), Y1(s)

im

Lm

1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1 n·i2

R2

Chamando R2’ = R2/n2, obtemos:

Z1(s) = R2’·Lm·s/(R2’ + Lm·s)

Z1(jωωωω) = jωωωω·R2’·Lm·/(R2’ + jωωωω·Lm)

0,1fC fC 10fC

R2’

R2’/10

R2’/100

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]

fC

0,7R2’

Primeira aproximação ao comportamento real: indutância e corrente de magnetização

leopoldino
Sticky Note
na alta frequencia a impedância de entrada fica muito elevada. Como ele está em paralelo, sua influência é minimizada.
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iroSegunda aproximação ao comportamento real: indutâncias de magnetização e de dispersãoModelos que consideram que o acoplamento entre

primário e secundário não é perfeito

1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1 n·i2

im

Lm

Ld1 Ld2

Modelo “T”

1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1 n·i2

im1

Lm1

Ldim2

Lm2

Modelo “ ππππ”

leopoldino
Sticky Note
indutância de magnetização
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1:n

v1

+

-

v2

+

-

i2i1 n·i2

im

Lm

Ld

R2

Z1(s), Y1(s)

Z1(s) = L d·s + R2’·Lm·s/(R2’ + Lm·s)

Z1(jωωωω) = jωωωω·Ld + jωωωω·R2’·Lm/(R2’ + j ωωωω·Lm)

0,1fC fC 10fC

R2’

R2’/10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]

fCi

0,7R2’ fCs

1,4R2’

10·R2’

Há um zero em zero, um

zero em f Cs = R2 ’/(2ππππLd) e

um pólo em f Ci = R2 ’/(2ππππLm)

Segunda aproximação ao comportamento real: indutâncias de magnetização e de dispersão

leopoldino
Sticky Note
devido a indutancia de magnetização
leopoldino
Sticky Note
indutancia de dispersão
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iroTerceira aproximação ao comportamento real: indutâncias e capacitâncias parasitas

Z1(s), Y1(s)

R2

1:n

v1

+

-

v2

+

-Lm

Ld

Cp1

Cp2

Modelo que considera também as capacitâncias parasitas, existentes nos enrolamentos primário e secundário, entre os enrolamentos e com o núcleo

Cp3

f1 10f1

R2’

R2’/10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]10·R2’

R2’/100100f1 1000f1

leopoldino
Sticky Note
fios próximos
leopoldino
Sticky Note
ressonancia série entre Ld e Cp1
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Pro

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Faixa útil

Uso de um transformador como adaptador de impedâncias de banda larga

Somente válido no caso de impedâncias puramente resis tivas

R2’ = R2/n2

Para máxima T.P., por projeto: Rg = R2’

R2

+

vg

1:n

Lm

Rg

0,1fC fC 10fC

R2’

R2’ /10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]

Z1(jωωωω)

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Pro

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iro

Faixa útil (predomina R 2’)

Modelo mais elaborado

Por projeto: Rg = R2’

Z1(jωωωω) R2’ = R2/n2

R2

1:n

Lm

Ld Cp1+

vg

Rg

f1 10f1

R2’

R2’/10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]10·R2’

R2’/100100f1 1000f1

Predomina Ld

Predomina L m

Predomina C p1

Ressonância entre C p1 Ld

Uso de um transformador como adaptador de impedâncias de banda larga

leopoldino
Pencil
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Pro

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R2’ = R2/n2

R2

+

vg

1:nLm

Rg

Z1(jωωωω)

Cr

Se acrescenta um capacitor (C r) para entrar em ressonância com a indutância de magnetização (Lm)

f1 10f1

R2’

R2’/10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]10·R2’

R2’/100100f1 1000f1

Com C r

Sem Cr

Uso de um transformador como adaptador de impedâncias de banda estreita

leopoldino
Sticky Note
filtro de banda estreita:Lm responsavel pela baixa freq e Cr responsavel pela alta.
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Se a admitância de entrada é parcialmente capacitiva, a ressonância ocorrerá com a capacitância resultante

R2

+

vg

1:nLm

Rg

Cr’ C2

Cr = Cr’ + C2·n2 fr =1

2ππππ Lm·Cr

Y1(jωωωω) =1/R2 + jωωωω·C2

Uso de um transformador como adaptador de impedâncias de banda estreita

leopoldino
Sticky Note
C2' é o C2 visto no primário do transformador.
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Pro

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iro

Modêlo de transformador mais completo

Comportamento pouco dependente dos componentes “parasitas” do transformador

Z1(jωωωω)

Cr

R2

1:n

Lm

Ld Cp1+

vg

Rg

R2’

R2’/10

Z1(jωωωω) [ΩΩΩΩ]10·R2’

R2’/100f1 10f1 100f1 1000f1

Com C r

Sem Cr

Uso de um transformador como adaptador de impedâncias de banda estreita

leopoldino
Highlight
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Pro

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iroRedes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador

Suponhamos inicialmente apenas impedâncias resistivas no gerador e carga+

vg

jXs

Rg

RL

jXp

Ze [j(R L2·Xs + Xp

2·Xs + RL2·Xp) + Xp

2·RL]/(RL2 + Xp

2)

Condição de Im[Z e] = 0 e Re[Ze] = Re em ωωωωo:

0 = RL2·Xs(ωωωωo) + Xp

2(ωωωωo)·Xs(ωωωωo) + RL2·Xp (ωωωωo) (1)

Re = Xp2(ωωωωo)·RL/[RL

2 + Xp2(ωωωωo)] (2)

De (2), obtemos:

Xp(ωωωωo) = ± RL·[Re/(RL-Re)]1/2 (3)De (1) e (3), obtemos:

-Xs(ωωωωo) = ± [Re·(RL-Re)]1/2 (4)

Calculamos Z e:

Ze = jXs + jXp·RL/(jXp + RL) =

jXs + jXp·RL·(RL - jXp)/(RL2 + Xp

2) =

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Pro

f. G

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iro

+

vg

jXs

Rg

RL

jXp

Ze = Re

Resumindo, para que

Re[Ze] = Re, então:

Xp(ωωωωo) = ± RL·[Re/(RL-Re)]1/2 (3)

-Xs(ωωωωo) = ± [Re·(RL-Re)]1/2 (4)De (3) e (4):

Xp(ωωωωo) = -RL·Re/Xs(ωωωωo) (5)

Conclusão:

De (1) 0 = RL2·Xs(ωωωωo) + Xp

2(ωωωωo)·Xs(ωωωωo) + RL2·Xp(ωωωωo) se deduz que Xs e

Xp devem ser reatâncias de sinais opostos (exemplo: condensador e indutor)

De (3) e (4) se deduz que, nesta topologia: Re < RL

Passa baixo: Xs um indutor e X p um capacitorPassa alto: Xs um capacitor e X p um indutor

Realização física

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador

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ão

Pro

f. G

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inhe

iro

-Xs(ωωωωo) = ± [Re·(RL-Re)]1/2 (4)

Xp(ωωωωo) = -RL·Re/Xs(ωωωωo) (5)Re < RL

jXsRL

jXp

Ze = Re

Passa baixo

Ze = Re

RLL

C

Sendo:

Xs(ωωωωo) = Lωωωωo e Xp(ωωωωo) = -1/(Cωωωωo) Substituindo em (4) e (5):

Lωωωωo = [Re·(RL-Re)]1/2

1/(Cωωωωo) = RL·Re/(Lωωωωo) ⇒⇒⇒⇒ L/C = RL·Re

Opção “passa baixa”

Lωωωωo = [Re·(RL-Re)]1/2

L/C = RL·Re

Re < RL

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador

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ão

Pro

f. G

il P

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iro

jXsRL

jXp

Ze = Re

Sendo:

Xs(ωωωωo) = -1/(Cωωωωo) e Xp(ωωωωo) = Lωωωωo

Substituindo em (4) e (5):

1/(Cωωωωo) = [Re·(RL-Re)]1/2

Lωωωωo = RL·Re·Cωωωωo ⇒⇒⇒⇒ L/C = RL·Re

Opção “passa alto”

Passa alto

Ze = Re

RL

L

C

-Xs(ωωωωo) = ± [Re·(RL-Re)]1/2 (4)

Xp(ωωωωo) = -RL·Re/Xs(ωωωωo) (5)Re < RL

Cωωωωo = [Re·(RL-Re)]-1/2

L/C = RL·Re

Re < RL

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador (com Re < RL)

Page 32: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

É possível usar as redes de casamento com Re > RL?

Usando a “Teoria de Circuitos”

1º Teorema da Reciprocidade

+

v1

i2+

v1

Rede

passiva

a

b

c

d

i2Rede

passiva

a

b

c

d

Se excitamos em tensão em “a-b” e medimos a corrente d e curto em “c-d”, o resultado é o mesmo se excitamos e m tensão em “c-d” e medimos a corrente de curto em “a-b”

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador

Page 33: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro2º Teorema de Reciprocidade para quadripólos não dissipativos, com carga e impedância de entrada amb as

resistivas

+

vg

Rg

d

Rede

passiva

não

dissipativa

a

b

c

iL

RL Balanço de potência:

pab = (vg ef)2/(4Rg) = (iL ef)2·RL

Então:

(iL ef)2 = (vg ef)2/(4Rg·RL)

+

vg

RL

d

Rede

passiva

não

dissipativa

a

b

c

iL

RgBalanço de potência:

pcd = (iL ef)2·Rg

Substituindo o valor de iL ef:

pcd = (vg ef)2/(4RL)

Para que isto ocorra:

Zcd = RL

Rg

pab

pcd

Zcd

Page 34: 03 - Amplificadores de sinal

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tos

de C

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icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroConclusão

R2

d

Rede

passiva

não

dissipativa

a

b

c

Zab = R1

Para quadripólos não dissipativos, carregados na saída e na entrada com impedâncias resistivas

Fazendo:

Então:

R1

d

Rede

passiva

não

dissipativa

a

b

c

Zcd = R2

Page 35: 03 - Amplificadores de sinal

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de C

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icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

jXs R2

jXp

Zab = R1

d

a

b

c

Zcd = R2

R1 jXs

jXp

d

a

b

c

jXs+

vg

Rg

RL

jXp

Ze = Re

-Xs(ωωωωo) = ± [R1·(R2-R1)]1/2 Xp(ωωωωo) = -R2·R1/Xs(ωωωωo) R1 < R2

-Xs(ωωωωo) = ± [RL·(Re-RL)]1/2

Xp(ωωωωo) = -Re·RL/Xs(ωωωωo)RL < Re

R1 = ReR2 = RL

R1 = RLR2 = Re

Desenhando de novo:

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador (com Re > RL)

Page 36: 03 - Amplificadores de sinal

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de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Passa baixo

Ze = Re RL

L

C

Sendo:

Xs(ωωωωo) = Lωωωωo y Xp(ωωωωo) = -1/(Cωωωωo) Substituindo em (4’) e (5’):

Lωωωωo = [RL·(Re-RL)]1/2

1/(Cωωωωo) = Re·RL/(Lωωωωo) ⇒⇒⇒⇒ L/C = Re·RL

Lωωωωo = [RL·(Re-RL)]1/2

L/C = Re·RL

RL < Re

jXs

RLjXpZe = Re

-Xs(ωωωωo) = ± [RL·(Re-RL)]1/2 (4’)

Xp(ωωωωo) = -Re·RL/Xs(ωωωωo) (5’)RL < Re

Opção “passa baixa”

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador (com Re > RL)

Page 37: 03 - Amplificadores de sinal

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de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Sendo:

Xs(ωωωωo) = -1/(Cωωωωo) y Xp(ωωωωo) = Lωωωωo

Substituindo em (4’) e (5’):

1/(Cωωωωo) = [RL·(Re-RL)]1/2

Lωωωωo = Re·RL·Cωωωωo ⇒⇒⇒⇒ L/C = Re·RL

Cωωωωo = [RL·(Re-RL)]-1/2

L/C = Re·RL

RL < Re

jXs

RLjXpZe = Re

-Xs(ωωωωo) = ± [RL·(Re-RL)]1/2 (4’)

Xp(ωωωωo) = -Re·RL/Xs(ωωωωo) (5’)RL < Re

Ze = Re RLL

C

Redes adaptadoras de impedâncias não dissipativas s em transformador (com Re > RL)

Opção “passa alto”

Passa alto

Page 38: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroRedes não Dissipativas sem Transformador - Resumo

Cωωωωo = [RL·(Re-RL)]-1/2

L/C = Re·RL RL < Re

Ze = Re RLL

C

Ze = Re RL

L

C

Lωωωωo = [RL·(Re-RL)]1/2

L/C = Re·RL RL < Re

Ze = Re

RLL

C

Lωωωωo = [Re·(RL-Re)]1/2

L/C = RL·Re Re < RL

PA

SS

A A

LTO

Ze = Re

RL

L

C

Cωωωωo = [Re·(RL-Re)]-1/2

L/C = RL·Re Re < RL

PA

SS

A B

AIX

O

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito que sintetiza os quatro casos

jXs

R2jXp

d

a

b

c

R1

-Xs(ωωωωo) = ± [R1·(R2-R1)]1/2

Xp(ωωωωo) = -R2·R1/Xs(ωωωωo)

R1 < R2

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Pro

f. G

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inhe

iroExemplo:

50 ΩΩΩΩ+

vg

+

50·ve’

200 ΩΩΩΩ

50 ΩΩΩΩ

200 ΩΩΩΩ

ve’

+

-

vs

+

-

vs’

L = 1,38µµµµH

C = 138pF

200 ΩΩΩΩ 200 ΩΩΩΩ

L = 1,38µµµµH

C = 138pF

Ze [ΩΩΩΩ]

10 146

0

300

-200

f [MHz]

Re[Ze]

Im[Z e]

Freqüência de operação: 10 MHz

Ze Ze’ = Ze

Variação de Z e com a freqüência de operação

200

Page 41: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iro

Ze = Re RL

L

C

10 146

Ze [ΩΩΩΩ]

0

300

-200f [MHz]

Caso A:Re = 200 Ω Ω Ω Ω RL = 100 ΩΩΩΩL = 1,6 µµµµH C = 80 pF

Caso B:Re = 200 Ω Ω Ω Ω RL = 20 ΩΩΩΩL = 0,95 µµµµH C = 239 pF

Freqüência de projeto: 10 MHz

Conclusão: quanto maior é a diferença de impedâncias, mais crítica é a margem de freqüência de casamento. O mesmo ocorre em outras redes

Caso B: Re[Z e], RL= 100ΩΩΩΩ

Caso A: Im[Z e], RL= 100ΩΩΩΩ

Re[Ze], RL= 20ΩΩΩΩ

Im[Z e], RL= 20ΩΩΩΩ

200

Exemplo:

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Pro

f. G

il P

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iro

Exemplo de cálculo de rede LC (Caso A)utilizando o simulador LTSpice IV

Page 43: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

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iro

Exemplo de cálculo de rede LC (Caso B)utilizando o simulador LTSpice IV

Page 44: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

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iro

Exemplo de cálculo de rede LC (Caso C)utilizando o simulador LTSpice IV

Page 45: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iroComportamento com geradores e cargas com impedância não resistivas

As redes passivas de acoplamento podem ser usadas co m cargas reativas, bastando-se integrar as parcelas reativ as na rede de casamento

jXs’RL

jXp’ jXL+vg

Rg jXgZg ZL

jXs

jXp

Xs e Xp são os valores calculados pelas fórmulas anteriores

Xs’ e Xp’ são os valores a introduzir

Xs = Xs’ + Xg Xp = Xp’·XL/(Xp’ + XL) ⇒⇒⇒⇒ Xp’ = Xp·XL/(XL - Xp)

Pode ser necessário fazer alguns ajustes adicionais

Page 46: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplo com impedâncias não resistivas

Re = 20 ΩΩΩΩRL = 40 ΩΩΩΩ

L = 0,32 µµµµH

C = 398 pF

fo = 10 MHz

L = 0,32 µµµµH

C = 298 pF

Re = 20 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHz RL = 40 ΩΩΩΩ

CL = 100 pF

Impedância de Carga Resistiva

Impedância de Carga Não Resistiva

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UE

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplo de uso impossível com a rede proposta

Re = 20 ΩΩΩΩRL = 40 ΩΩΩΩ

L = 0,32 µµµµH

C = 398 pF

fo = 10 MHz

L = 0,32 µµµµH

C = - 102 pF

Re = 20 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHz RL = 40 ΩΩΩΩ

CL = 500 pF

Não é possível com esta rede

Impedância de Carga Resistiva

Impedância de Carga Não Resistiva

Page 48: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iroRede alternativa a utilizar neste caso

L = 0,32 µµµµH

C = 398 pF

Re = 20 ΩΩΩΩRL = 40 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHz

CL = 500 pF

Re = 20 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHz RL = 40 ΩΩΩΩ

L = 0,32 µµµµH ⇒⇒⇒⇒ jXs = j20 ΩΩΩΩ

⇒⇒⇒⇒ jXp = -j40 ΩΩΩΩ

⇒⇒⇒⇒ jXs = j20 ΩΩΩΩ

Xp’ = Xp·XL/(XL - Xp) = +155,9 ΩΩΩΩ

j155,9 ΩΩΩΩ

⇒⇒⇒⇒ jXL = -j31,8 ΩΩΩΩ

Impedância de Carga Resistiva

Impedância de Carga Não Resistiva

Page 49: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

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iro

CL = 500 pF

Re = 20 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHzRL = 40 ΩΩΩΩ

0,32 µµµµH

j155,9 ΩΩΩΩ

Maneiras de conseguir a reatância indutiva necessária e m 10 MHz:

Um indutor

Um circuito LC paralelo (infinitos casos possíveis)

Um circuito LC serie (infinitos casos possíveis)

2,48 µµµµH

LP = 0,64 µµµµH CP = 295,8 pFLP = 1,27 µµµµH CP = 96,8 pFLP = 2,12 µµµµH CP = 17,3 pF

LP CPNos três casos se consegue casamento, mas a resposta em freqüência é distinta

Rede alternativa a utilizar neste caso

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Pro

f. G

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inhe

iro

+ Vdd

G D

SCS

RS

+

vg

Rg

Ze = Re

Rede

Passiva

a

b

c

d

Calcule uma rede passiva de casamento para o seguinte amplificador.

Considere:-Freqüência de trabalho: 100MHz-Transistor BF-245-Impedância de entrada: Re=Rg=100 ohms-A rede deverá ter ligação do Gate à terra (em f=0), nos pontos c/d para facilitar a polarização do FET

Exemplo

y is

y is= g is+ jb is

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Pro

f. G

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iro

Outras Redes de Casamento

• As redes vistas até aqui empregam dois componentes reativos (L e C), permitindo o casamento de duas impedâncias. Sendo redes de 2ª ordem.

• Porém, não permitem a determinação da banda passante ou do fator Q a ser obtido

• Para possibilitar o casamento de duas impedâncias e, concomitantemente, determinar a banda passante, é necessário acrescentar mais um elemento reativo à rede.

• Isto implica em adicionar mais um grau de liberdade á função de transferência da rede. São redes de 3ª ordem.

Page 52: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iroOutras Opções de Rede de Casamento

Q = 1 LP = 0,64 µµµµH CP = 795,8 pFQ = 0,5 LP = 1,27 µµµµH CP = 596,8 pFQ = 0,1 LP = 6,37 µµµµH CP = 437,7 pFQ = 0,01 LP = 63,7 µµµµH CP = 401,9 pF

jXp = -j40 ΩΩΩΩ

L = 0,32 µµµµH ⇒⇒⇒⇒ jXs = j20 ΩΩΩΩ

Re = 20 ΩΩΩΩ

fo = 10 MHz RL = 40 ΩΩΩΩLPCP

Definimos o Q do circuito:Q =RL/(ωωωωo·Lp)

Ze [ΩΩΩΩ]

0

40

-2010 146

f [MHz]

Re[Ze], Q=0,1

Im[Z e], Q=0,1

Re[Ze], Q=1

Im[Z e], Q=1

Há casamento, mas a sua resposta em freqüência é distinta

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Pro

f. G

il P

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iro

Outras redes

Exemplos de outras redes de casamento de impedância s (Referência: ARRL Handbook 2001)

Tap

Cap

aciti

voe

tap

Indu

tivo

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Pro

f. G

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iro

Outras redes

Exemplos de outras redes de casamento de impedância s (Referência: ARRL Handbook 2001)

Page 55: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

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inhe

iroExemplo de cálculo de rede Passa Faixa (Tap Capacitivo)

utilizando o LTSpice IV

Page 56: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

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iroLargura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

+ Vcc

G D

SCS

C1

Re2

1:nC

ve2

+

-real

ve1

+

- RS

Page 57: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

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iro

Re2’ = Re2/n2

ve2’ = ve2/n

Etapa 2Etapa 1

is1cc L

Rs1

Cve2’

+

-

Re2’

Re2

+

vs1o

1:n

L

Rs1

Cve2

+

-ideal

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 58: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

R = Re2’·Rs1/(Re2’ + Rs1)

is1cc LR Cve2’

+

-is1cc L

Rs1

Cve2’

+

-

Re2’

is1cc L

Rs1

Cve2’

+

-

ve2’

+

-

Re2’

Calculamos a transferência ve2’/i s1cc :

ve2’/i s1cc = ZLCR(s) = 1/[1/R + Cs + 1/(Ls)] = Ls/[1 + Ls/R + LCs 2]

Análise AC ( s = j ωωωω):

ve2’/i s1cc = ZLCR(jωωωω) = jL ωωωω /(1 - LCωωωω2 + jL ωωωω/R) = R/[1 + jR·(LC ωωωω2 - 1)/(Lωωωω)]

A partir de: (LCωωωω2 - 1)/(Lωωωω), substituindo: ωωωωo = 1/(LC)1/2:

(LCωωωω2 - 1)/(Lωωωω)))) = [(LC) 1/2ωωωω + 1]·[(LC) 1/2ωωωω - 1]/(L ωωωω) =

(ωωωω/ωωωωo + 1)·(ωωωω/ωωωωo - 1)/(Lωωωω) ≈ 2·(ωωωω/ωωωωo - 1)/(Lωωωωo) = 2(ωωωω - ωωωωo)/(Lωωωωo2)

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 59: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

R = Re2’·Rs1/(Re2’ + Rs1)

is1cc LR Cve2’

+

-

Por tanto:

ZLCR(jωωωω) ≈ R/[1 + jR·2(ωωωω - ωωωωo)/(Lωωωωo2)]

Para calcular as freqüência de corte estabelecemos as condições em que ZLCR(jωωωω) cai 3dB com relação a ZLCR(jωωωωo):

ZLCR(jωωωωc) = ZLCR(jωωωωo)/21/2 ⇒⇒⇒⇒ ωωωωc = ωωωωo ± Lωωωωo2/(2R) = ωωωωo ± ωωωωo/(2Q),

Sendo Q = R/(Lωωωωo). Portanto:

ωωωωcs = ωωωωo + ωωωωo/(2Q), ωωωωci = ωωωωo - ωωωωo/(2Q) e ∆ω∆ω∆ω∆ωοοοο = ωωωωcs - ωωωωci = ωωωωo/Q

∆∆∆∆fοοοο = fo/Q (com a aproximação admitida)

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 60: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ZLCR [º]

ZLCR

0

90

-90fo

1,4·fo0,6·fo f

R

R/ 2

0

Q=20

Q=5Q=20

Q=10

Q=5

Q=10

LR CZLCR

ωωωωo = 2ππππ·foωωωωo = 1/(LC)1/2

Q = R/(Lωωωωo)

∆∆∆∆fοοοο ≈ fo/Q

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 61: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ZLCRR

R/ 2

0

Q=5

ZLCR [º]

0

90

-90fo

1,4·fo0,6·fo f

Q=5

aprox.

aprox.

aprox.

aprox.

Avaliação da aproximação:(ωωωω/ωωωωo + 1)·(ωωωω/ωωωωo - 1)/(Lωωωω) ≈2(ωωωω - ωωωωo)/(Lωωωωo

2)

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 62: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Amplificadores com dois circuitos sintonizados

+ Vcc

G D

S

CS

Re2

1:n2C2ve2

+

-real

ve1

+

- RSreal

+

vg

Rg

1:n1

C1

M

Evitar ocorrência de acoplamento

por campo magnético disperso,

que poderia levar a oscilação ou

resposta espúria

Page 63: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Coilcraft

Evitando o acoplamento entre circuitos sintonizados

Bobinas ajustáveis com blindagem

Bobinas e transformadores toroidais

Transformadores de RF

Exemplos de bobinas ajustáveis com blindagem

Coilcraft

Page 64: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

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iro

Toko

Exemplos de bobinas ajustáveis com blindagem

Toko

Toko

Page 65: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Toko

Toko

Toko

Exemplos de bobinas ajustáveis com blindagem

Page 66: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroBobinas e transformadores toroidais

CoilcraftTokoToko

Toko

Page 67: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Mini circuit

Transformadores de RF

Coilcraft

Page 68: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores com dois circuitos sintonizados + Vcc

GD

S

CS

Re2

1:n2C2ve2

+

-real

ve1

+

- RSreal

+

vg

Rg

1:n1

C1

+ Vcc

GD

S

CS

Re2

1:n2C2ve2

+

-

ve2

+

-real

ve1

+

- RSreal

+

vg

Rg

1:n1

C1

igcc /n1

L1

R1

C1ve1

+

-

igcc = vg/Rg

gFET·ve1

L2

R2

C2ve2’

+

-

ve2’ = ve2/n2

Page 69: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

igcc /n1

L1

R1

C1ve1

+

- gFET·ve1

L2

R2

C2ve2’

+

-

Equações:

igcc = vg/Rg

ve2 = ve2’·n2

ve1·n1/igcc = ZLCR1(jωωωω) = R1/[1 + jR 1·(L1C1ωωωω2 - 1)/(L1ωωωω)]

ve2’/(gFET·ve1) = ZLCR2(jωωωω) = R2/[1 + jR 2·(L2C2ωωωω2 - 1)/(L2ωωωω)]

Então:

ve2/vg = ZLCR1(jωωωω)·ZLCR2(jωωωω)·[gFET·n2/(Rg·n1)] = k·FLCR(jωωωω), sendo:

FLCR(jωωωω) = ZLCR1(jωωωω)·ZLCR2(jωωωω)/(R1·R2)

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 70: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Chamando:

ωωωωo1 = 1/(L1C1)1/2, Q1 = R1/(L1ωωωωo1), ωωωωo2 = 1/(L2C2)1/2 e Q2 = R2/(L2ωωωωo2)

Possibilidades:

Mesma sintonia ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo1 = ωωωωo2

Sintonia escalonada ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo1 ≠≠≠≠ ωωωωo2

Caso de mesma sintonia FLCR(jωωωω)1

1/ 2

0

Q = 5

fo1,4·fo0,6·fo f

1 Etapa

2 Etapas

Aumenta a atenuação de

freqüências indesejadas

Diminui a largura de banda

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 71: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Caso de sintonia escalonada

FLCR(jωωωω)1

1/ 2

0

Q = 5

fo1,4·fo0,6·fo f

1 Etapa

Aumenta a atenuação de

freqüências indesejadas

Pode-se conseguir uma

resposta bastante plana na

banda desejada

Menor ganho

Exemplo: fo1 =0,909· fo e fo2 =1,11· fo

2 Etapas

Largura de Banda de Amplificador com Circuito Sintonizado

Page 72: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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tos

de C

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icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroDeterminação da largura de banda em amplificadores com vários circuitos sintonizados na mesma freqüência e com

mesmo Q

Usando as expressões aproximadas:

ZLCR(jωωωω) ≈ R/[1 + jR·2(ωωωω - ωωωωo)/(Lωωωωo2)] ∆∆∆∆fοοοο ≈ fo/Q

L1 C1 R1

vg vsEtapa

1Etapa

2Etapa

3Etapa

4

L2 C2 R2 L3 C3 R3 L4 C4 R4

FLCR(jωωωω) = [ZLCR(jωωωω)/R]n = 1/[1 + jR·2(ωωωω - ωωωωo)/(Lωωωωo2)]n

Condição de queda de 3dB em ωωωωc:

FLCR(jωωωωc) = FLCR(jωωωωo)/21/2 ⇒⇒⇒⇒ 21/2 = [1 + [R·2(ωωωωc - ωωωωo)/(Lωωωωo2)]2]n/2 ⇒⇒⇒⇒

[21/n – 1]1/2 = ± R·2(ωωωωc - ωωωωo)/(Lωωωωo2); chamamos k(n) = [2 1/n – 1]1/2

Então: ωωωωc = ωωωωo ± k(n)·L ωωωωo2/(2R) = ωωωωo ± k(n)·ωωωωo/(2Q) ⇒⇒⇒⇒ ∆∆∆∆fοοοο = k(n)·f o/Q

Como ∆∆∆∆fοοοο = k(n)·f o/Q e k(n) < 1, diminui a largura de banda

Page 73: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

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icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ωωωωo = 2ππππ·fo ωωωωo = 1/(LC)1/2 Q = R/(Lωωωωo) ∆∆∆∆fοοοο ≈ [21/n – 1]1/2·fo/Q

FLCR(jωωωω) [dB]

Q = 5

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

1 Etapa

2 Etapas

4 Etapas

Determinação da largura de banda de amplificadores com vários circuitos sintonizados na mesma freqüência e com

mesmo Q

Page 74: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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tos

de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

FLCR(jωωωω)1

1/ 2

0fo fo·(1+3/Q)ffo·(1-3/Q)

1 Etapa2 Etapas

Exemplos de arranjos possíveis:

Freqüência de corte superior de uma etapa coincidente com a inferior da outra

fo1 = fo/[1 + 1/(2Q)]

fo2 = fo/[1 - 1/(2Q)] fo1 fo2

Várias etapas com sintonia escalonada e com mesmo Q

Page 75: 03 - Amplificadores de sinal

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-C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

FLCR(jωωωω) [dB]

Q = 5

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

-3

Mesmo exemplo anterior, em escala logarítmica

1 Etapa

2 Etapas

Aumenta a atenuação

de freqüências

indesejadas

Se pode conseguir

uma resposta bastante

plana na banda desejada

Menor ganho

Várias etapas com sintonia escalonada e com mesmo Q

Page 76: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Outros exemplos de arranjos possíveis:

fo1 = fo/[1 + 1/(m·Q)]

fo2 = fo/[1 - 1/(m·Q)]

Caso anterior: m = 2 Ressonâncias mais distantes: m < 2Ressonâncias mais próximas: m > 2

FLCR(jωωωω)1

1/ 2

0fo fo·(1+3/Q)ffo·(1-3/Q)

1 Etapa2 Etapas

fo1 fo2

m = 1,5

Várias etapas com sintonia escalonada e com mesmo Q

Page 77: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

FLCR(jωωωω) [dB]

Q = 5

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

-3 dB

Influência de m

Ao diminuir m, diminui o ganho e aumenta a largura de banda

1 Etapa

2 Etapas, m = 2

m = 1,5

m = 1

Várias etapas com sintonia escalonada e com mesmo Q

Page 78: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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tos

de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

FLCR(jωωωω) [dB]

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

Q = 5

1 Etapa

2 Etapas

4 Etapas

Opc. AOpc. B

C

Exemplos de possíveis arranjos com quatro etapas:

Opção A:fo1 = fo2 = fo/[1 + 1/(2Q)]fo3 = fo4 = fo/[1 - 1/(2Q)]

Opção C:fo2= fo/[1 + 1/(2Q)] fo3= fo/[1 - 1/(2Q)]fo1 = fo2·[1 - 1/(2Q)]/[1 + 1/(2Q)] fo4 = fo3·[1 + 1/(2Q)]/[1 - 1/(2Q)]

Opção B:fo2 = fo/[1 + 1/(2Q)] fo3 = fo/[1 - 1/(2Q)]fo1 = fo2/[1 + 1/(2Q)] fo4 = fo3/[1 - 1/(2Q)]

Várias etapas com sintonia escalonada e com mesmo Q

Page 79: 03 - Amplificadores de sinal

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de C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ve1

+

-Re1

1:n2C1

realreal

+

vg

Rg

1:n1 C1

LL

C2

ve1’

+

-

Re1’ = R

C1+

vg’

Rg’ = R

C1

LL

C2

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados por condensador

Page 80: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ve1’

+

-

Re1’ = R

C1+

vg’

Rg’ = R

C1

LL

C2

ve1’

+

-

ve1’

+

-

Re1’ = R

C1+

vg’

Rg’ = R

C1

LL

C2

Sendo:

ωωωωo = 2ππππfo

ωωωωo = 1/(LC1)1/2

C2 = C1/k

Q = R/(Lωωωωo)

FLCR(jωωωω) = ve1’/vg’

FLCR(jωωωω) [dB]

Q = 5

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

k = 20 1052

Atenção: f o não é a

freqüência central

k = 1

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados por condensador

Page 81: 03 - Amplificadores de sinal

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de C

omun

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ve1’

+

-

Re1’ = R

C1+

vg’

Rg’ = R

C1

LL

C2

ve1’

+

-

ve1’

+

-

Re1’ = R

C1+

vg’

Rg’ = R

C1

LL

C2

FLCR(jωωωω)

Q = 5

fo1,4·fo0,6·fo f

0

1

k = 20

10

k = 5k = 2

k = 1

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados por condensador

Por que há vários

picos de resposta?

Page 82: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iro

ve1’

+

-R

C1

R

C1

LL

C2

igcc ’

v

+

-

Z1 Z1

Z2

Equações: v/i gcc ’ = [Z 1·(Z2 + Z1)]/(Z1 + Z2 + Z1) e ve1’/v = Z 1/(Z1 + Z2)

Então: ve1’/i gcc ’ = Z12/(2Z1 + Z2)

Máximos possíveis:

Se Z1 é muito alto ⇒⇒⇒⇒ ressonância paralelo de Z1 ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo1 = 1/(LC1)1/2

Se 2Z1 + Z2 é muito pequena ⇒⇒⇒⇒ ressonância série de 2Z1 e Z2

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados por condensador

Page 83: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Ressonância série de 2Z1 y Z2:

2Ls/(1 + Ls/R + LC 1s2) + 1/C2s = 0

Z1

Z2

ve1’

+

-R

C1

R

C1

LL

C2

igcc ’

v

+

-ve1’

+

-

ve1’

+

-R

C1

R

C1

LL

C2

R

C1

R

C1

LL

C2

igcc ’

v

+

-

v

+

-

Z1

Realizando uma análise AC e supondo R muito elevada :

2Lωωωωo2/(1 - LC1ωωωωo22) - jC2ωωωωo2 ≈ 0 ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo2 ≈ 1/[L·(C1 + 2C2)]1/2

Então:

ωωωωo1 ≈ ωωωωo2·(1 + 2C2/C1)1/2 ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo1 ≈ ωωωωo2·(1 + 2/k)1/2

Haverá dois picos quando, aproximadamente:

ωωωωo1 - ωωωωo2 > ωωωωo1/(2Q) + ωωωωo2/(2Q) ⇒⇒⇒⇒ k < (2Q-1)2/4Q ≈ Q (se Q é grande)

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados por condensador

Page 84: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

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iro

Rg

ve1

+

-Re1

C1+

vg

C1

1:n21:n1

Acoplamento não ideal

Acoplamento ideal

Acoplamento ideal

ve1’

+

-Re1

’ = R Lm

Ld1 Ld2 ≈ Ld1+

vg’

Rg’ = R

C C

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados indutivamente

Page 85: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

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iro

ve1’

+

-R Lm

Ld Ld

R C Cigcc ’

Z1

Z2

Z1

ve1’

+

-R

C1

R

C1

LL

C2

igcc ’

v

+

-Z2

Z1 Z1Acoplamento capacitivo

Acoplamento indutivo

Se aplica a mesma abordagem do acoplamento capaciti vo

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados indutivamente

Page 86: 03 - Amplificadores de sinal

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Pro

f. G

il P

inhe

iro

Equação final : ve1’/i gcc ’ = Z2·R2/[Z1·(2Z2 + Z1)·(1 + RCs)2]

Se supomos R muito elevado: ve1’/i gcc ’ = Z2/[Z1·(2Z2 + Z1)·(Cs)2]

Máximos possíveis:

Se Z1 é muito baixa ⇒⇒⇒⇒ ressonância série Z1 ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo1 ≈ 1/(LdC)1/2

Se 2Z2 + Z1 é muito baixa ⇒⇒⇒⇒ ressonância série de 2Z2 y Z1 ⇒⇒⇒⇒

ωωωωo2 ≈ 1/[(2Lm +Ld)C]1/2 e se chamamos k = L d/Lm ⇒⇒⇒⇒ ωωωωo2 ≈ 1/[L d·(2/k + 1)C]1/2

Então: ωωωωo1 ≈ ωωωωo2·(1 + 2/k)1/2 e há dois picos quando, aproximadamente: k < (2Q-1)2/4Q ≈ Q (se Q é elevado)

ve1’

+

-R Lm

Ld Ld

R C Cigcc ’

Z1

Z2

Z1

ve1’

+

-R Lm

Ld Ld

R C Cigcc ’

ve1’

+

-R Lm

Ld Ld

R C Cigcc ’

Z1Z1

Z2Z2

Z1Z1

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados indutivamente

Page 87: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Sendo:

ωωωωo = 2ππππfo

ωωωωo = 1/(LdC)1/2

Lm = Ld/k

Q = R/(Ldωωωωo)

FLCR(jωωωω) = ve1’/vg’

ve1’

+

-Re1

’ = R Lm

Ld1 Ld2 ˜ Ld1+

vg’

Rg’ = R

C Cve1’

+

-

ve1’

+

-Re1

’ = R Lm

Ld1 Ld2 ˜ Ld1+

vg’

Rg’ = R

C C

FLCR(jωωωω) [dB]

Q = 5

fo10·fo0,1·fo f

0

-60

-20

-40

k = 2010

k = 1

2

5

Comportamento de circuitos duplamente sintonizados: dois circuitos ressonantes acoplados indutivamente

Page 88: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroModelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias

Dispositivo ativo

Zg

+

ZLvg y11 y22

y12·vs y21·ve

vs

+

-

ve

+

-

ie is

Equações:ie = y11·ve + y12·vsis = y21·ve + y22·vs 0sve

e11 v

iy

====

====0evs

e12 v

iy

====

====

0sve

s21 v

iy

====

====0evs

s22 v

iy

====

====

Valores:

Page 89: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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de C

omun

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

y11 y22y12·vs y21·ve

vs

+

-

ve

+

-

ie is

0sve

e11 v

iy

====

====

0sve

s21 v

iy

====

====

Significado de cada parâmetro:

+

ve

⇒⇒⇒⇒ Admitância de entrada com saída em curto

⇒⇒⇒⇒ Admitância de transferência direta com saída em curto

Modelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias

Page 90: 03 - Amplificadores de sinal

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-C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

y11 y22y12·vs y21·ve

vs

+

-

ve

+

-

ie is

+

vs

⇒⇒⇒⇒ Admitância de saída com entrada em curto

⇒⇒⇒⇒ Admitância de transferência inversa com entrada em curto 0evs

e12 v

iy

====

====

0evs

s22 v

iy

====

====

Modelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias

Page 91: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

y11 y22y12·vs y21·ve

vs

+

-

ve

+

-

ie is

Outra nomenclatura possível:

y11 = Admitância de entrada com saída em curto = y i

y12 = Admitância de transferência inversa com entrada em curt o = yr

y21 = Admitância de transferência direta com saída em curto = yf

y22 = Admitância de saída com entrada em curto = yo

Modelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias

Page 92: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

y11 y22y12·vs y21·ve

vs

+

-

ve

+

-

ie is

Divisão em parte real e imaginária:

y11 = g11 + j·b11 ou melhor y i = g i + j·b i

y12 = g12 + j·b12 ou melhor yr = gr + j·br

y21 = g21 + j·b21 ou melhor yf = gf + j·bf

y22 = g22 + j·b22 ou melhor yo = go + j·bo

Modelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias

Page 93: 03 - Amplificadores de sinal

UE

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-C

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroModelagem de dispositivos ativos: parâmetros de admitâncias Em função da configuração:

y is = g is + j·b is

yrs = grs + j·brs

yfs = g fs + j·b fs

yos = gos + j·bosy is yosyrs·vds yfs·vgs

vds

+

-

vgs

+

-

ig idG D

S

y is yosyrs·vds yfs·vgs

vds

+

-

vds

+

-

vgs

+

-

ig idG D

S

y ig = g ig + j·b ig

yrg = grg + j·brg

yfg = g fg + j·b fg

yog = gog + j·bogy ig yogyrg·vdg yfg·vsg

vdg

+

-

vsg

+

-

is idS D

G

y ig yogyrg·vdg yfg·vsg

vdg

+

-

vdg

+

-

vsg

+

-

is idS D

G

y id = g id + j·b id

yrd = grd + j·brd

yfd = g fd + j·b fd

yod = god + j·body id yodyrd·vsd yfd·vgd

vsd

+

-

vgd

+

-

ig idG

D

S

y id yodyrd·vsd yfd·vgd

vsd

+

-

vsd

+

-

vgd

+

-

ig idG

D

S

Fonte comum

Porta comum

Dreno comum

Page 94: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroArranjos de Amplificadores com Dispositivos Ativos

Arranjos com transistor único:

Base ou porta comum ⇒⇒⇒⇒ maior largura de banda, ganho de corrente unitário

Emissor ou fonte comum ⇒⇒⇒⇒ menor largura de banda, maior ganho de potência

Coletor ou dreno comum ⇒⇒⇒⇒ largura de banda intermediária, ganho de tensão unitário

Arranjos com vários transistores:

Cascode: emissor (ou fonte) comum + base (ou porta) c omum ⇒⇒⇒⇒boa largura de banda, bom ganho de potência

Etapa diferencial: ganho ajustável por uma tensão de controle

Page 95: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Baixa impedância de entrada

Alta impedância de saída

Médio-alto ganho de tensão

Ganho de corrente baixo (< 1)

*G

DS+

-vs

+

-ve

Resposta em freqüência:

Capacitâncias parasitas de entrada e de saída ⇒⇒⇒⇒ sem “efeto Miller”⇒⇒⇒⇒ ampla largura de banda

Propriedades das configurações -porta (ou base) comum

Page 96: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroPropriedades das configurações -fonte (ou emissor) comum

Alta impedância de entrada (FETs) ou média impedância de entrada(bipolares)

Alta impedância de saída

Ganho de tensão elevado (com cargas altas)

Ganho de corrente alto

Resposta em freqüência:

Uma capacitância parasita na entrada e outra entre a entrada e saída ⇒⇒⇒⇒ “Efeito Miller” (a capacitância entrada-saída é equiva lente a uma capacitância de entrada aumentada, sendo mult iplicada peloganho de tensão) ⇒⇒⇒⇒ pequena largura de banda

+

-vs

GD

S*+

-ve

Page 97: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Alta impedância de entrada

Baixa impedância de saída

Ganho de tensão baixo (< 1)

Ganho de corrente elevado

Resposta em freqüência:

Uma capacitância parasita na entrada e outra entre en trada e saída, mas o ganho de tensão é menor que 1 ⇒⇒⇒⇒ há “efeito Miller”, mas pouco significativo ao ser o ganho de tensão menor qu e 1 ⇒⇒⇒⇒

grande largura de banda

+

-vs

GS

D*+

-ve

Propriedades das configurações -dreno (ou coletor) comum

Page 98: 03 - Amplificadores de sinal

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ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplo da resposta em freqüência de um JFET

+

vg

50 ΩΩΩΩ

vs

+

-

RL

Circuito equivalente do J309

G D

S

gm·vGSvGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

G D

S

gm·vGSvGS

+

-

vGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

G D

S

gm·vGSvGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

G D

S

gm·vGSvGS

+

-

vGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

Fonte comum

Porta comum

G

D

S

gm·vGS

vGS+-

4 pF 2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

G

D

S

gm·vGS

vGS+-

4 pF 2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

+

vg

50 ΩΩΩΩ

vs

+

-

RL

+

vg

50 ΩΩΩΩ

vs

+

-

RL

G

D

vGS+ -

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

Sgm·vGS

4 pF

G

D

vGS+ -

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

Sgm·vGS

4 pF

Dreno comum

Page 99: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplo da resposta em freqüência de um JFET

Circuito equivalente do J309

G D

S

gm·vGSvGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

G D

S

gm·vGSvGS

+

-

vGS

+

-4 pF

2 pF

gm = 0,02 ΩΩΩΩ-1

vs/vg [dB]

1f [MHz]

0

20

-20

-4010 102 103 104

RL = 200 ΩΩΩΩFonte comum

Porta comum

Dreno comum

No caso particular, em dreno comum, tem maior largura de banda que em porta comum. Isto nem sempre ocorre em transistores bipolares.

Page 100: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroA Montagem “Cascode”

*G

DS+

-vsG

D

S*+

-ve

Fonte comum + Porta comum

Zegc ≈ 1/gm

(pequena) Alta impedância de entrada

Alto ganho de corrente

Baixo ganho de tensão (por Z egc baixa)

Boa resposta em freqüência (devido ao baixo ganho de tensão)

Baixa impedância de entrada

Baixo ganho de corrente

Alto ganho de tensão

Boa resposta em freqüência

Cascode: Ganhos de tensão e de corrente

elevados e boa resposta em freqüência

Page 101: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

vs/vg [dB]

1f [MHz]

10 102 103 104

RL = 200 ΩΩΩΩ

0

20

-20

-40

40

Emissor comum

Base comum

CascodeB C

E

gm·vBEvBE

+

- 4 pF

2 pF

gm = 0,3 ΩΩΩΩ-1

rBE

B C

E

gm·vBEvBE

+

-

vBE

+

- 4 pF

2 pF

gm = 0,3 ΩΩΩΩ-1

rBE

rBE >> 50 ΩΩΩΩ

Modelo de transistor usado

O Arranjo “Cascode”

Zebc baixa

**+

-ve

+vg

50 ΩΩΩΩ +

-vs RL

ZebcZebc

**+

-

+

-ve

+vg

50 ΩΩΩΩ +

-vs RL

+

-vs

+

-

+

-vs RL

Page 102: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroEtapa diferencial como amplificador de RF

Ganho em BF:

vs ≈ -0,5RLααααiOvd/VT

Onde:

vs/vd ≈ -0,5RLααααiO/VT

Então, se pode controlar o ganho mediante o valor de i o ⇒⇒⇒⇒

- VCC

iOiO

- VCC

+ VCC

RL

vs+ -

- VCC

iO

+

-vd

RL

É fácil realizar fisicamente o Controle Automático de Ganho (CAG o AGC)

Page 103: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Rg/2

+vg/2

Rg/2

vg/2

+

Etapa diferencial como amplificador de RF

iO

- VCC

+ VCC

RL

vs+ -

RL

CAG

Conexão diferencial da tensão de entrada

Page 104: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Rg/2

+vg/2

Rg/2

vg/2

+

iO

- VCC

+ VCC

RL

vs+ -

RL

CAGRg/2

+vg/2

Rg/2

vg/2

+

Rg/2

+vg/2

Rg/2

vg/2

+

+vg/2

Rg/2

vg/2

+

iO

- VCC

+ VCC

RL

vs+ -

RL

CAGiO

- VCC

+ VCC

RL

vs+ -

RL

CAG

RLRL

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’ BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’ BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’

vs+ -+

vg/2

Rg/2

+

Rg/2

vg/2

Estudo da resposta em freqüência

Etapa diferencial como amplificador de RF

Page 105: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

RLRL

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’ BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’ BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’

vs+ -+

vg/2

Rg/2

+

Rg/2

vg/2

Estudo da resposta em freqüência

Dada a simetria do circuito, os emissores estão com tensão constante em relação a terra (portanto, conec tados

a massa)ig ig

ie ie

ic = 0

Etapa diferencial como amplificador de RF

Page 106: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

vs/2+

-

vs+ -

RL

BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’ BC

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

-rB’E

CB’E

CB’CrB’BB’

+

Rg/2

vg/2RL

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’

+vg/2

Rg/2

+

-

vs/2

(Estudo da resposta em freqüência)

RL

B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’B C

E

gm·vB’E

vB’E

+

-

+

- rB’E

CB’E

CB’CrB’B B’

+vg/2

Rg/2

vs/2+

-

A resposta em freqüência é

similar a de um emissor comum

Etapa diferencial como amplificador de RF

Page 107: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

vg

+

Outra conexão da tensão de entrada

Rg

iO

- VCC

+ VCC

RL vs+ -

RL

CAG

∞∞∞∞

A resposta em freqüência é

própria de um coletor comum

seguido de um base comum

⇒⇒⇒⇒ menor ganho, porém maior largura de banda

Etapa diferencial como amplificador de RF

Page 108: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito integrado CA3028

Coletor comum + base comum com etapa diferencial

Exemplos de esquemas reais de amplificadores de RF com etapa diferencial (Nota de aplicação da Intersil)

Page 109: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplos de esquemas reais de amplificadores de RF com etapa diferencial (Nota de aplicação da Intersil)

Circuito integrado CA3028

Cascode realizado com etapa diferencial. O CAG se realiza atuando na polarização do transistor no emissor comum (fonte de corrente)

Page 110: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroParâmetros de admitância do CA3028 (Nota de aplicação da Intersil)

Page 111: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroParâmetros de admitância do CA3028 (Nota de aplicação da Intersil)

Page 112: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplos de esquemas de amplificadores de FI reais com o circuito integrado MC1350

(Nota de aplicação da Motorola)

Amplificador de FI para receptor de TV

Circuito integrado MC1350

Page 113: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplos de esquemas reais de amplificadores de FI com o circuito integrado MC1350

(Nota de aplicação da Motorola)

Amplificador de FI para receptor de rádio comercial

Page 114: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroParâmetros de admitância do MC1350 (Nota de aplicação da Motorola)

Variação do ganho com a tensão de CAG

Page 115: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroParâmetros de admitância do MC1350 (Nota de aplicação da Motorola)

Page 116: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroParâmetros de admitância dos JFET J309 e J310

(Nota de aplicação da Fairchild)

Page 117: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroInformações sobre ruído(figura de ruído e tensão de ruído)

JFETs J309 y J310

Transistor bipolar BFY90

MC1350

CA3028

Page 118: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito duplamente sintonizado Circuito duplamente

sintonizado

Misturador

Oscilador e separador

Amplificador Cascode

Exemplos de esquemas reais de amplificadores de RF com JFETs (Referência: ARRL Handbook

2001)

Page 119: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplos de esquemas reais de amplificadores de RF com JFETs (Referência: ARRL Handbook

2001)Circuito duplamente sintonizado

Misturador

JFET em porta comum

Amplificador de CAG

Page 120: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroTransistor para Faixa de Microondas

Page 121: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroTransistor para Faixa de Microondas

Parâmetros S

Page 122: 03 - Amplificadores de sinal

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Parâmetros S

Transistor para Faixa de Microondas