Post on 06-Jan-2016
description
Electrónica de Comunicaciones
ATE-UO EC piezo 00
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.
4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos
ATE-UO EC piezo 01
Idea fundamental:
Conseguir una respuesta en frecuencia de filtro ideal pasa-banda
vg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vevg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
+
-
vs
+
-
ve
+
-
ve
vs/ve, vs/vg, [dB]
f [Hz]
ATE-UO EC piezo 02
Filtro pasa-banda elemental (I)
Notación:
r = 1/(LC)1/2
XL()= j·L
XC()= -j/(·C)
XLr = jr·L
XCr= -j/(r·C) = -XLr
QF = L·r/Rp
GV = vs/vg
vg
Rg
Filtro
+
RL
+
-
vs
LC Rp
QR, QF
f0,5·f 1,5·f
0
-20
-40
-60
GV [dB]
1, 20
1, 100
10, 20 10, 100
Supongamos:
RL = Rg = R
Definimos:
QR = L·r/R
QR, QF
f0,5·f 1,5·f
GV [dB]0
-20
-40
-60
-80ATE-UO EC piezo 03
Filtro pasa-banda elemental (II)
QF = L·r/Rp QR = L·r/R GV = vs/vg
100, 20
100, 100
¿Es físicamente posible tener
valores como QR =1000?
Ejemplo: R = 100 , fr = 10 MHz
QR 1 10 100 1000
L1,59
H
15,9
H
159
H
1,5
mH
C159
pF
15,9
pF
1,59
pF
0,15
pF
CP
C
L
No, porque
sería CP > C1000, 20
1000, 100
Ejemplo: cristal de P de 10 MHz
Rp = 20 L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF
Por tanto:
QF = L·r/Rp = 47.237 Es un valor altísimo, no alcanzable con componentes discretos.
Z(f)
200 Hz
10,0236 10,024 10,0244
0
f [MHz]
Im(Z) [M]1
-1
Solución: usar resonadores piezoeléctricos
CO
Rp
C
L
CO
Rp
C
L
ATE-UO EC piezo 04
Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos
Cristal de 10 MHz: R = 100 Rp = 20
L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (I)
ATE-UO EC piezo 05
vg
R
Filtro
+ R +
-
vsvg
R
Filtro
+ R +
-
vs vg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC
Rp
COvg
R
Filtro
+ R +
-
vs
LC
Rp
CO
f [MHz]
9,9
GV [dB]0
-20
-40
-60
-809,92 9,94 9,96 9,98 10
Cristal con su Co
Cristal sin su Co
¿Cómo podemos cancelar la capacidad parásita Co?
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (II)
ATE-UO EC piezo 06
vg
Rg
+RL
+
-
vs
Cext = CO
CO
LC Rp
1:n:n
iCo1
iCo2
Lejos de resonancia, vS 0.
Entonces Co y Cext = Co soportan
tensiones de igual magnitud y de
signo contrario. Por tanto:
iCo2 = -iCo1
Luego las dos corrientes se cancelan
y no llegan a la carga.
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (III)
ATE-UO EC piezo 07
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
LC Rp
1:n
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
+
-
vs
LC Rp
1:n
Filtro
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-
vs
LC Rp
1:n
LM
CR
Puede anularse la influencia de la inductancia magnetizante del transformador por resonancia
Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (IV)
ATE-UO EC piezo 08
LM
CR
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext
1:n:n
Circuito final
Filtro en celosía con dos cristales (I)
ATE-UO EC piezo 09
Se eligen los cristales
de forma que: fRP1 = fRS2
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
10 f [MHz]
Im(Z) [k]
0
50
-50
10,005
fRP1fRS1
fRP2fRS2
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Filtro en celosía con dos cristales (II)
ATE-UO EC piezo 10
CO1
Rp1
C1
L1
CO2
Rp2
C2
L2
ZXT1 ZXT2
QXT1 = L1·r/Rp1
QXT2 = L2·r/Rp2
Supongamos:
n = 1; Rg = RL = R
GV = vs/vg =R(ZXT2 – ZXT1)
4·R2 + ZXT2·ZXT1 + 2·R·(ZXT2 + ZXT1) (aquí no demostrada)
Filtro en celosía con dos cristales (III)
ATE-UO EC piezo 11
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-vs
1:n:n
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
Supongamos:
n = 1
Rg = RL = R
QXT = L·r/Rp =105
GV [dB]0
-20
-40
-6010 f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
103
5·103
200Filtro
vs
vg
Rg
+ RL
+
-
1:n:n
XT1
XT2LM
CR
Filtro
vs
vg
Rg
+ RL
+
-
1:n:n
XT1
XT2LM
CR
LM
CR
Transformadorresonante
Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2: fRS2, fRP2
XT3: fRS2, fRP2XT1: fRS1, fRP1
XT4:fRS1, fRP1
Filtro en celosía con cuatro cristales (I)
ATE-UO EC piezo 12
Realización física 1
XT1: fRS1, fRP1
XT2: fRS2, fRP2
XT3: fRS2, fRP2
XT4: fRS1, fRP1
Filtro en celosía con cuatro cristales (II)
ATE-UO EC piezo 13
Realización física 2
Filtro
vg
Rg
+
RL
+
-vs
XT2
XT3
XT1
XT4
Filtro en celosía con cuatro cristales (III)
ATE-UO EC piezo 14
Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)
Supongamos:
XT1 = XT4; XT2 = XT3; Rg = RL = R
R·(ZXT2 – ZXT1)2
4·R·ZXT2 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT2)·(ZXT2 + ZXT1) Y1 =
R·(ZXT2 – ZXT1)2
4·R·ZXT1 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT1)·(ZXT2 + ZXT1) Y2 =
R·(ZXT2 – ZXT1)
2·R + ZXT1Y3 =
GV = vs/vg = R·(Y1 + Y2) + ZXT1·Y1 + ZXT3·Y3 + 1
1
Definimos:
Entonces:
ATE-UO EC piezo 15
Supongamos: QXT = L·r/Rp =105
Transformadorresonante
Filtro en celosía con cuatro cristales (IV)
Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
Filtro
vg
Rg
++ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
4·103
1333,3
2000Filtro
vg
Rg
+ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
LMCR
Filtro
vg
Rg
++ 1:1
RL
+
-vs
XT2
XT3XT1
XT4
LMCR
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
Qfiltro = L·r/R
ATE-UO EC piezo 16
Comparación de los filtro con uno, dos y cuatro cristales
1XT, Qfiltro = 10000
1XT, Qfiltro = 2000
2XT, Qfiltro = 2000
4XT, Qfiltro = 2000
Filtro en escalera con dos cristales (I)
ATE-UO EC piezo 17
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
Filtro
vg
Rg
+ RL+
-vsCP
XT1 XT2
XT1 = XT2
Filtro en escalera con dos cristales (II)
ATE-UO EC piezo 18
vg
R
+ R +
-vsZCP
ZXT ZXT
Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada)
Supongamos: Rg = RL = R
GV = vs/vg =R·ZCP
(R + ZXT)·(R + ZXT + 2·ZCP)
Filtro en escalera con dos cristales (III)
ATE-UO EC piezo 19
Definimos:
QXT = L·r/Rp;
Qfiltro = L·r/R;
QCP = R·CP·r
Supongamos:
QXT =105
GV [dB]0
-20
-40
-6010
f [MHz]10,010
QCP; Qfiltro
1; 5000
1; 10000
0,5; 5000
0,5; 10000
Filtro en escalera con cuatro cristales
ATE-UO EC piezo 20
vg
R
+ R +
-
vs
ZXT
ZCP ZCP ZCP
ZXT ZXT ZXT
ZCP
ZCP
Filtro a cristal del Iler 40 Filtro a cristal del Iler 20
Ejemplos de otros filtros en escalera
Cristales de 8 MHz
Transformadores para adaptar impedancias
Cristales de 8,467 MHz
Kit KN-Q7ATE-UO EC piezo 21
GV/GV max [dB]0
-20
-40
-60
f 60dB
Parámetros de definición de filtros a cristal
ATE-UO EC piezo 22
• Rizado
Factor de forma a 60 dB == B/F60dB
B
6 dB
Rizado
• Ancho de banda (B)
• Frecuencia central
• Pérdidas de inserción.
• Impedancia de terminación (R y C)
• Atenuación final
• Factor de forma a 60 o a 80 dB
Otros filtros basados en materiales piezoeléctricos
ATE-UO EC piezo 23
• 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/B 2-100; B/F60dB 1:1,5; Pinserción
10-30dB
Filtros cerámicos (I)
ATE-UO EC piezo 24
• 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:
5,6 mm
0,4 mmGV [dB]
0
-20
-40
-60400 f [kHz] 500
Circuito equivalente:
Rp = 20
L = 8,7 mH
C = 14 pF y
CO = 180 pF
Qresonador =1000
Circuito externo:
Rg = RL = R = 100
Con CO
Sin CO
Filtros cerámicos (II)
ATE-UO EC piezo 25
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro
vg
Rg
+ RL
+
-
vs
Cext = CO
1:n:n
Filtro de un único resonador cerámico y circuito resonante (híbrido):
Filtro
PZ1 PZ4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
PZ2 PZ3
Filtro
PZ1 PZ4
vg
Rg
+
RL
+
-vsCP CPCP
PZ2 PZ3
Filtro de varios resonadores cerámicos:
Aspecto
Filtros cerámicos (III)
ATE-UO EC piezo 26
Filtro cerámico monolítico:
Aspecto
Conexión
Símbolos
Filtros de ondas acústicas superficiales, SAW
ATE-UO EC piezo 27
• 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”
+
-vs
RLvg
+Rg
“Dedos”
Substrato piezoeléctrico
• La frecuencia de filtrado depende de las dimensiones
• La onda acústica superficial generada se traslada por el substrato, alcanza los “dedos” de salida y genera tensión en la carga
Ejemplos de filtros SAWs
ATE-UO EC piezo 28