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Video Lecture RF
Laps
Agenda
1. Considerações no projeto de circuitos RF2. Casamento de impedância3. Parâmetros S e Carta de Smith4. Dispositivos/blocos comumente usados5. Arquiteturas de transceptores6. Modulação e detecção
Considerações no projeto de circuitos RF
• Não-linearidade– Característica de transferência de um circuito
linear•
– Os circuitos utilizados em RF são não-lineares– Característica de transferência de circuitos não-
lineares pode ser descrita por series de potência.•
Considerações no projeto de circuitos RF
• Alguns problemas associados a não-linearidade– Harmônicos• Introduzem sinais que não existiam no sinal de entrada• •
Harmônicos
Considerações no projeto de circuitos RF
• Compressão de ganho– Amplitude de entrada em que a potência de saída
é 1 dB menor do que deveria ser no circuito linear
Considerações no projeto de circuitos RF
• Intermodulação– Acontece quando há multiplas frequências
presentes no sinal de entrada.
Intermodulação
Considerações no projeto de circuitos RF
• Intermodulação– Adiciona outras componentes de frequência
próximas aos sinais de entrada– São mais difíceis de filtrar do que os harmônicos
Métricas
• Distorção harmônica– Comparação entre a amplitude da frequência do
sinal de entrada e um dos harmônicos (m)
• Distorção harmônica total
Métricas
• Intermodulação– Relaciona o produto da intermodulação com o
com amplitude de saída do sinal de entrada.
Métricas
• Pontos de interceptação (IP)– IP harmônico ou IPnh: valor de amplitude para o
qual a resposta linear e a distorção harmônica n têm a mesma magnitude.
Amplitude da resposta linear‘
Amplitude da distorção hormônica (2ª)
Métricas
• Ponto de interceptação– IP2h: ponto de interceptação harmônico em
relação ao segundo harmônico.
– IP3h
Métricas
• Ponto de interceptação da intermodulação– IP harmônico ou IPni: valor de amplitude para o
qual a resposta linear e a distorção por intermodulação n têm a mesma magnitude.
Ruído
• Ruído térmico– Proveniente do movimento aleatório dos eletrons – Característico de componentes resistivos
Ruído
• Ruído flick ou ruído 1/f– Ocorre na maioria dos dispositivos eletrônicos– É mais problemático em baixas frequências– Interfere na demodulação (downconversion) de
sinais
Ruído
• Ruído Shot– Proveniente do fluxo de eletrons na junção pn dos
componentes eletrônicos– É problemático para sistemas que operam em
baixa corrente (<1uA)
Ruído
• Potência de ruído disponível a partir de uma antena– É possível modelar uma antena a partir de um
resistor
– Se a Carga for casada com a antena, então tem-se máxima transferência de potência
Ruído
• Potência de ruído disponível a partir de uma antena
Para impedâncias casadas
Ruído
• Chão de ruído (Noise Floor – NF)– Potência de ruído disponivel em determinada
banda
Ruído
• Relação sinal ruído (RSR)– Relação entre a potência do sinal e potência do
ruído
– Para o exemplo anterior, se não houver nenhuma outra fonte de ruído, então:
Ruído
• Relação sinal ruído (RSR)– Cada sistema de comunicação define a mínima
RSR necessária para a recuperação da informação– Sensibilidade do receptor: RSR mínima para haver
recuperação da informação.– Exemplo: Dois sistema um que requer 0 e outro 7
dB.• Logo, se não houver outra fonte de ruído, então para o
sistema anterior sinais de -121 dBm e -114 dBm poderão ser detectados com sucesso, respectivamente.
Ruído
• Fator de ruído (F)– Ruído adicionado por componentes eletrônicos ao
sinal– Relação entre RSR de entrada e de saída
• Figura de ruído (Noise Figure – NF)
G -> Ganho
Ruído
• Figura de ruído de componentes em série
Ruído
• Exemplo
Ruído
• Exemplo– Sensibilidade para um sistema que requer 7dB de
RSR
Modelos dos componentes passivos
• Os componentes passivos operando em altas frequências podem apresentar variação de suas características
• Um capacitor pode se comportar como um indutor e vice-versa.
• Bem com os resistores podem ter efeitos indesejados
Modelos de componentes passivos
• Capacitor
• Resistor
Modelos dos componentes passivos
• Indutor
Parametros S
• Sistemas lineares podem ser caracterizados por parâmetros medidos em seus terminais
• Com os parâmetros, o comportamento pode ser modelado
• “Scattering parameters” ou Parâmetros de espalhamento ou Parâmetros S– São mais fáceis de medir que outros parâmetros– Facilitam o trabalho em altas frequências– São relacionados a ondas propagando que são
refletidas quando encontram a entrada de um sistema
Parâmetros S
• Considere o sistema com duas portas
• Pode ser modelado por:
Parâmetros S
• Os parâmetros y podem ser determinados
• Considerando o modelo de ondas refletidas:
Artigo: “Power Waves and the Scattering Matrix”, K. Kurokawa
Parâmetros S
• Considerando Zi positivo e real:
• Coeficientes de reflexão na entrada e saída
• Ganhos da entrada para a saída
Parâmetros S
• Coeficiente de reflexão– Mede o quanto de uma onde incidente no
terminal de um sistema é refletida
Usado para casamento de impedância
Carta de Smith
• Permite se ache como as impedâncias são transformadas ao longo de uma linha de transmissão
• Relaciona a impedância com o coeficiente de reflexão
• É baseada na equação: Normalizada pela impedância característica
Carta de Smith
• Fazendo as devidas manipulações matemáticas:
r e x são as partes real e imaginária de Zin
Carta de Smith
• Analisando separadamente
Círculos de resistências normalizadasno plano dos coeficientes de reflexão
u=1
Carta de Smith
• Analisando separadamente
u=1
Carta de Smith
• Juntando os gráficos
Carta de Smith
• Através da carta de Smith é possível– Determinar o coeficiente de reflexão de uma linha
de transmissão– Projetar uma carga casada com a impedância
característica
Dispositivos comumente usados
• Mixer– É um disposivo com três portas que utiliza um
elemento não-linear para produzir conversão de frequências.
Dispositvos comumente usados
• Mixer– Idealmente é um circuito que multiplica dois sinais
Base Matemática
Elemento filtradoSinal em alta frequência
Dispositivos comumente usados
• Oscilador– Gera um sinal períodico– Usado para conversão de frequências– Idealmente seria obtido através de um circuito LC
Resistência parasita
Compensação das perdas
Frequência de oscilação
Dispositivos comumente usados
• Oscilador Colpitts– Baseado no princípio da realimentação– Obtém a resistência negativa (repositor de energia– Gera o sinal a partir do ruído interno dos
componentes
Dispositivos comumente usados
• Oscilador controlado por tensão (Voltage controlled oscilator – VCO)– Gera um sinal periódico que é proporcional a
tensão aplicada em um de seus terminais
Dispositivos comumente usados
• PLL – Phase locked loop– É um dispositivo que gera um sinal de fase
relacionada com um sinal de entrada– É composto por um VCO e um detector de fase
• É utilizado para:– Sintetizar frequências– Manter a frequência de um sistema em fase com a
frequência de um sinal de entrada– Demodulador FM
Dispositivos comumente usados
• Amplificadores de baixo ruído– É o primeiro bloco depois da antena de um
receptor– Tem o objetivo de amplificar sinais introduzindo o
mínimo possível de ruído– Deve ser composto por elementos com baixa
figura de ruído
Dispositivos comumente usados
• Amplificadores de potência– Compõem o último estágio de um transmissor
antes da antena– Tem o objetivo de entrega a maior potência
possível do sinal para a antena– É classificado em três tipos básicos• Classes A, B e C
– Eficência: relação da energia entregue a carga e energia consumida
Dispositivos comumente usados
• Amplificadores de potência classe A– Amplifica toda a amplitude do sinal– O Amplificador conduz durante todo o tempo– O nível dc do sinal fica acima do limiar de
condução do amplificadorNível DC
Limiar de condução
Eficiência Máxima: 50%
Dispositivos comumente usados
• Amplificador de potência classe B– Amplifica somente a parte positiva do sinal– O amplificador está ligado somente em parte do
tempo– O sinal fica exatamente no limiar de condução
Nível DC
Limiar de condução
Eficiência Máxima: 78.5%
Dispositivos comumente usados
• Amplificador de potência classe C– Amplifica somente a parte positiva do sinal– O amplificador está ligado somente em parte do
tempo– O sinal fica abaixo do limiar de condução
Nível DCLimiar de condução
Eficiência Máxima: 78.5 ~100 %
Arquiteturas de transceptores
• Receptor heterodino– Filtragem de sinais de banda estreita em altas
frequência é difícil– Converte o sinal para uma frequência
intermediária onde é filtrado– Muito usado quando os dispositivos disponíveis
não têm a precisão suficiente para construir filtro e outros componentes.
Arquiteturas de transceptores
• Receptor heterodino
Alta Frequência
Frequência intermediária
Filtragem
Banda base
Arquiteturas de transceptores• Receptor homodino– Converte o sinal diretamente para a banda base– A frequência do oscilador local é a mesma do sinal
em RF– É mais simples e consome menos energia– Tornou-se mais facilmete realizável devido aos
componentes mais precisos– Pode haver transmissão reversa