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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 osc 00

  2. Colpitts • Hartley • Otros (Clapp, ...) Tipos de Osciladores • Colpitts • Hartley • Pierce • Otros (Clapp, ...) 2. Osciladores Osciladores con elementos discretos • de Baja Frecuencia (RC) • de Alta Frecuencia y Frecuencia Variable (LC) • de Alta Frecuencia y Frecuencia Fija (a cristal) ATE-UO EC osc 01

  3. Cuando está oscilando: ú G(s)· H(s)ú = 1 G(s)· H(s) = 180º Por tanto: ú G(jwosc)· H(jwosc)ú = 1 G(jwosc)· H(jwosc) = 180º Oscilación en un sistema realimentado ú 1 + G(s)· H(s)ú = 0 è xs(s)/xe(s)   Se genera Xs aunque no haya Xe ATE-UO EC osc 02

  4. xe(jwosc) En oscilación: ú G(jwosc)· H(jwosc)ú = 1 G(jwosc)· H(jwosc) = 180º xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) Condición de oscilación (I) ¿Qué tiene que suceder para que comience la oscilación? ATE-UO EC osc 03

  5. xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) xe(jwosc) Condición de oscilación (II) Si |xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc)| > |xe(jwosc)| (es decir,|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1) cuando el desfase es 180º, entonces podemos hacer que la salida del lazo de realimentación haga las funciones de la magnitud de entrada. ATE-UO EC osc 04

  6. Condición de oscilación (III) En realidad si |G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 cuando el desfase es 180º, las magnitudes empezarán a crecer constantemente ¿Existe un límite a este crecimiento? Evidentemente sí, por razones energéticas hay límites. Incluso el sistema podría destruirse al crecer la magnitud de salida. ATE-UO EC osc 05

  7. |Gpm(jwosc)·H(jwosc)| > 1 |Ggm(jwosc)·H(jwosc)| = 1 Condición de oscilación (IV) Observaciones: Gpm(s): función de transferencia de pequeña magnitud Ggm(s): función de transferencia de gran magnitud ATE-UO EC osc 06

  8. xe(jwosc)·G(jwosc)·H(jwosc) xe(jwosc) Condición de oscilación (V) Si |G(jwosc)·H(jwosc)| < 1 cuando el desfase es 180º, entonces la oscilación se extinguirá ATE-UO EC osc 07

  9. Para que empiece la oscilación: • Tiene que existir una wosca la que se se cumpla G(jwosc)·H(jwosc) = 180º • A esawosctiene que cumplirse|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 • Cuando se estabiliza la oscilación: • Disminuye la G(jwosc) hasta que |G(jwosc)·H(jwosc)| = 1cuando G(jwosc)·H(jwosc) = 180º Condición de oscilación (VI) Formulación formal: Criterio de Nyquist ATE-UO EC osc 08

  10. |G(jw)·H(jw)| [dB] 80 Oscilará 40 0 -40 1 102 104 106 G(jw)·H(jw)[º] 0 -60 -120 -180 -240 wosc 1 102 104 106 Condición de oscilación (VII) Interpretación con Diagramas de Bode • Para que empiece la oscilación. ATE-UO EC osc 09

  11. |G(jw)·H(jw)| [dB] 80 80 |G(jw)·H(jw)| [dB] 40 40 0 0 -40 -40 No oscilará G(jw)·H(jw)[º] G(jw)·H(jw)[º] 0 0 -60 -60 -120 -120 wosc -180 -180 -240 -240 wosc 1 1 102 102 104 104 106 106 Condición de oscilación (VIII) • Cuando ya oscila. • Para que no oscile. ATE-UO EC osc 10

  12. Existencia de wosctal que G(jwosc)·H(jwosc) = 180º • A wosc se cumple|G(jwosc)·H(jwosc)| > 1 • Existencia de wosctal que A(jwosc)·b(jwosc) = 0º • A wosc se cumple|A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 Condición de oscilación en osciladores • Caso general • Oscilador Para que empiece la oscilación: Cuando ya oscila: |G(jwosc)·H(jwosc)| = 1 |A(jwosc)·b(jwosc)| = 1 ATE-UO EC osc 11

  13. Tipos de Osciladores BJT, JFET, MOSFET, Amp. Integrados, etc • RC en baja frecuencia. • LC en alta frecuencia (y variable). • Dispositivo piezoeléctrico en alta frecuencia (y constante). • Líneas de transmisión en muy alta frecuencia. ATE-UO EC osc 12

  14. FET Osciladores LC con tres elementos reactivos (I) ATE-UO EC osc 13

  15. D G + + + ve g·vgs vgs Rs - - - S + vs + ver vsr Z2 - - Z1 Z3 Osciladores LC con tres elementos reactivos (II) ATE-UO EC osc 14

  16. Hartley fosc = 1 Rs·C1 Rs·L3 Colpitts g· > 1 g· > 1 2p (L1+L3)C2 L1 C3 1 fosc = C1·C3 2p ·L2 C1+C3 Resumen de los resultados (véase tema 8 de FEA) obtenidos ATE-UO EC osc 15

  17. Realización práctica de un Colpitts en “drenador común” ATE-UO EC osc 16

  18. Realización práctica de un Colpitts en “fuente común” Realización práctica de un Colpitts en “puerta común” ATE-UO EC osc 17

  19. Realización práctica de un Hartley en “drenador común” ATE-UO EC osc 18

  20. Realización práctica de un Hartley en “fuente común” Realización práctica de un Hartley en “puerta común” ATE-UO EC osc 19

  21. Condiciones de oscilación: Rs·C1 1 g· > 1 fosc = C3 C1·C2·C3 2p ·L2 C1·C2+C1·C3+C2·C3 Osciladores LC con más de tres elementos reactivos: El oscilador de Clapp (I) • C2 no influye en la condición |A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 • C2 influye en la frecuencia de oscilación, especialmente si C2 << C1,C3 • Especialmente útil para osciladores de frecuencia variable. ATE-UO EC osc 20

  22. + Vcc D G CS RG S C3 L2 LCH C1 + R1 C2 vs osc - Osciladores LC con más de tres elementos reactivos: El oscilador de Clapp (II) Realización práctica en “drenador común” ATE-UO EC osc 21

  23. Usando un condensador variable Osciladores de frecuencia variable (I) • Hay que hacer variar uno de los elementos reactivos de la red de realimentación. • Tipos: • Con control manual • Controlado por tensión (Voltage Cotrolled Oscillator, VCO) Con control manual de la frecuencia ATE-UO EC osc 22

  24. Clapp (Colpitts sintonizado en serie) en “drenador común” Colpitts sintonizado en paralelo en “drenador común” Rs·C1 1 g· > 1 1 fosc = C3 fosc = C1·C2·C3 Condiciones de oscilación: (común) C1·C3 2p ·L2 2p ( +C2)·L2 C1·C2+C1·C3+C2·C3 C1+C3 Osciladores de frecuencia variable (II) ATE-UO EC osc 23

  25. Osciladores de frecuencia variable (III) Osciladores Controlado por Tensión (VCOs) Se basan en el uso de diodos varicap (también llamados “varactores”) ATE-UO EC osc 24

  26. Hojas de características de un diodo varicap (BB131) (I) ATE-UO EC osc 25

  27. Hojas de características de un diodo varicap (BB131) (II) ATE-UO EC osc 26

  28. Símbolo: Cristal Contacto metálico Cápsula • Aspecto: Terminales Osciladores de frecuencia muy constante • Se basan en el uso de cristales de cuarzo (u otro material piezoeléctrico) • Interior del dispositivo: ATE-UO EC osc 27

  29. R1 R2 R3 L1 L2 L3 CO C1 C2 C3 Cristales piezoeléctricos (I) • Circuito equivalente de un cristal de cuarzo: ATE-UO EC osc 28

  30. Z(f) Im(Z(f)) [kW] 50 0 -50 f2 f1 Cristales piezoeléctricos (II) Comportamiento inductivo Comportamiento capacitivo ATE-UO EC osc 29

  31. Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz R = 20 W L = 15 mH C = 0,017 pF CO = 3,5 pF Z(f) Im(Z) [MW] 1 0 200 Hz -1 10,0236 10,024 10,0244 f [MHz] Cristales piezoeléctricos (III) Modelo simplificado (alrededor de una de las frecuencias en las que se produce comportamiento inductivo) XL(10 MHz)= 2p·107·15·10-3 = 942 kW ATE-UO EC osc 30

  32. C = 0,017 pF R = 20 W L = 15 mH CO = 3,5 pF Im(Z) [kW] 600 Margen de comportamiento inductivo 25 kHz 0 -600 10 10,01 10,02 10,03 f [MHz] Cristales piezoeléctricos (IV) Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz En otra escala ATE-UO EC osc 31

  33. (L·C·s2 + 1) (L·CS·s2 + 1) 1 CP·s C·CO 1 1 siendo: CP = C+CO CS = (L·s + ) CO·s CO·s C+CO Z(s) = = · 1 1 + L·s + C·s C·s 1 1 (1 – (w/w1)2) -j(w1/w2)2 w1 = w2 = = · L·C -j (1 - L·C·w2 ) L·CS CO·w (1 – (w/w2)2) Z(jw) = · CP·w (1 - L·CS·w2) siendo: Cristales piezoeléctricos (V) Calculamos la impedancia del modelo del cristal Análisis senoidal: s =jw ATE-UO EC osc 32

  34. (1 – (w/w1)2) -j(w1/w2)2 Z(jw) = · (1 – (w/w2)2) 1 1 w1 = w2 = L·C L·CS CO·w Cristales piezoeléctricos (VI) Como CS < C, entonces: w2 > w1 • Si w < w1, entonces también w < w2 y entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo. • Si w1 < w < w2, entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad negativa) > 0, es decir, comportamiento inductivo. • Si w2 < w, entonces también w1 < w y entonces: • Z(jw) = -j·(cantidad positiva) < 0, es decir, comportamiento capacitivo. Solo se comporta de modo inductivo si w1 <w< w2 ATE-UO EC osc 33

  35. (1 – (w/w1)2) -(w1/w2)2 Z(jw) = jX(w) X(w) = · (1 – (w/w2)2) C·CO X(w) CS = Comp. inductivo C+CO 1 1 0 w1 = w2 = w2 w1 L·C L·CS CO·w Cristales piezoeléctricos (VII) Resumen: Comportamiento capacitivo ATE-UO EC osc 34

  36. Hojas de características de cristales de cuarzo ATE-UO EC osc 35

  37. Basados en la sustitución de una bobina por un cristal (I) Osciladores a cristal • Se basan en el uso de una red de realimentación que incluye un dispositivo piezoeléctrico (típicamente un cristal de cuarzo). Tipos: • Basados en la sustitución de una bobina por un cristal de cuarzo en un oscilador clásico (Colpitts, Clapp, Hartley, etc.)  El cristal de cuarzo trabaja el su zona inductiva. • Basados en el uso del cristal de cuarzo en resonancia serie. ATE-UO EC osc 36

  38. Condiciones de oscilación: Cristal de 10 MHz L = 15 mH R = 20 W (no depende del cristal) CO = 3,5 pF C = 0,017 pF 1000 C1 = C3 = 50pF 500 Gráficamente: -(XC1(w)+XC3(w)), XXtal(w) [W] Rs·C1 C1 = C3 = 100pF g· > 1 C3 C1 = C3 = 500pF XXtal(w) 0 f [MHz] 10,004 10 10,002 Osciladores basados en la sustitución de una bobina por un cristal (II) Cálculo de la frecuencia de oscilación : XC1(wosc)+XC3(wosc)+XXtal(wosc) = 0 ATE-UO EC osc 37

  39. (1 – (wosc /w1)2) -(w1/w2)2 XXtal(wosc) = · CO·wosc (1 – (wosc /w2)2) Despejando wosc se obtiene: C w2 = w1 1 + C CO wosc = w1 1 + -1 -1 C1·wosc C3·wosc Nótese quew1 < wosc < w2ya que: C1·C3 XC1(wosc) + XC3(wosc) = + + CO C1+C3 Osciladores basados en la sustitución de una bobina por un cristal (III) Analíticamente: XC1(wosc)+XC3(wosc)+XXtal(wosc) = 0 ATE-UO EC osc 38

  40. 1500 C 10 MHz 1000 wosc = w1 1 + XXtal, -(XC1 + XC3) [W] + CO + Cext Cext = 15pF 500 10pF 5pF 0 -(XC1 + XC3) xXtal C1 = C3 = 50pF 9,999 10 10,001 10,002 10,003 0pF C1·C3 C1+C3 f [MHz] Osciladores basados en la sustitución de una bobina por un cristal (IV) Ajuste de la frecuencia de oscilación: modificar el valor de CO externamente poniendo un condensador Cext en paralelo con el cristal fosc(Cext= 0pF) = 10.002,9622 kHz fosc(Cext= 5pF) = 10.002,5201 kHz fosc(Cext= 10pF) = 10.002,1929 kHz fosc(Cext= 15pF) = 10.001,9408 kHz ATE-UO EC osc 39

  41. ZXtal = jXxtal Rs·R1 A(jw)·b(jw) =-g· En este caso: jXXtal + R1 + RS Osciladores basados en el uso del cristal de cuarzo en resonancia serie (I) ATE-UO EC osc 40

  42. En oscilación: • XXta = 0 ya que A(jwosc)·b(jwosc) = 0º jXxtal Osciladores basados en el uso del cristal de cuarzo en resonancia serie (II) • 0 > -(R1+RS)/(R1·RS) > g ya que |A(jwosc)·b(jwosc)| > 1 ATE-UO EC osc 41

  43. Carga Conexión de la carga a un oscilador Etapa en “colector común” para minimizar la influencia de la carga en el oscilador. ATE-UO EC osc 42

  44. En este caso: A(jwosc)·b(jwosc) =-b· = 0 -X3·X1 X1(wosc) A(jwosc)·b(jwosc) =b· queda: j·Re·(X1+X2+X3)-X3·(X1+X2) X3(wosc) Osciladores con transistores bipolares (I) Estudio y resultados prácticamente idénticos al caso de transistores de efecto de campo. Z1 = j·X1 Z2 = j·X2 Z3 = j·X3 ATE-UO EC osc 43

  45. Como: A(jwosc)·b(jwosc) = 0º (es decir, POSITIVO),X1y X3 deben ser del mismo tipo (dos bobinas o dos condensadores). • Como para que el circuito oscile debe cumplirse que |A(jwosc)·b(jwosc)| > 1, entoncesqueda: X1(wosc) b· > 1 X3(wosc) Osciladores con transistores bipolares (II) Colpitts en colector común con transistor bipolar + seguidor de tensión. ATE-UO EC osc 44

  46. El oscilador de frecuencia variable (pero poco) del Iler40 A +8 V ATE-UO EC osc 45

  47. El oscilador de frecuencia fija del Iler40 A +8 V ATE-UO EC osc 46

  48. + Vcc D G C2 C3 CS RG D1 S C1 L2 LCH + Resistencia de arranque vs osc - Diodo para polarizar negativamente la puerta con relación a la fuente Circuitos para limitar automáticamente la ganancia en el transistor (ejemplo con JFET) (I) ATE-UO EC osc 47

  49. Circuito equivalente Thévenin Circuitos para limitar automáticamente la ganancia en el transistor (ejemplo con JFET) (II) ATE-UO EC osc 48

  50. Corriente despreciable (resistencia muy grande) Corriente media nula (por ser condensadores) Luego: la corriente media por el diodo debe ser nula. Para ello, C3 debe cargarse de tal forma que no conduzca el diodo. Tensión media nula (por ser una bobina) Circuitos para limitar automáticamente la ganancia en el transistor (ejemplo con JFET) (III) ATE-UO EC osc 49

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