Dispositivos de RF
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1
�Osciladores�Osciladores
�Mezcladores
�PLL
�Sintetizadores
� Conversores
�Multiplicadores de frecuencia
2
Osciladores - Introducción
El oscilador es un circuito que presenta perturbaciones
eléctricas de amplitud en periodos de tiempo regulares, que
pueden ser discretos o analógicos.
El oscilador analógico tiene un comportamiento senoidal y es
el elemento utilizado en transmisores y receptores parael elemento utilizado en transmisores y receptores para
obtener la frecuencia portadora o de sincronismo
En todo el sistema de comunicaciones los osciladores se
utilizan para transportar los espectros de señales de
información alrededor de la frecuencia del oscilador
(modular), a una frecuencia intermedia (Mezclar), o
transportarla a la frecuencia cero (demodular)
4 Redes de radiofrecuencia
3
Oscilador senoidal
Los osciladores senoidales de rf, son circuitos amplificadores
inestables, al contrario de los amplificadores lineales hay que
asegurar la inestabilidad con un circuito de realimentación
Amplificador
Red que estabiliza y limita la amplitud de salida
red que determine la frecuencia
3 Redes de radiofrecuencia
4
Oscilador senoidal
La función de salida es de la forma
Y la función de transferenciaY la función de transferencia
Ao(s) es la ganancia de lazo abierto
Ac(s) es la ganancia de lazo cerrado y es de la forma
3 Redes de radiofrecuencia
5
Oscilador senoidal
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Re
aaaa
O
O
X
X
X
Im
Im
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Re
bbbb
cccc
O
jwo
X
X
-jwo
X
Im
4 Redes de radiofrecuencia
6
Oscilador senoidal – criterio de oscilación Barkhaussen
La ganancia de lazo cerrado Ac(s) debe ser uno
la señal realimentada debe estar en fase a la entrada del
sumador
H1(s) elige la frecuencia de oscilación del sistema
Lo ideal es que con un Q → ∞, para la red H2(s), y se pueda
pasar en el plano complejo de π a –π en forma vertical, esto
implica que no hay variación de frecuencias.
4 Redes de radiofrecuencia
7
Oscilador senoidal – modelos LC
Los modelos LC garantizan el criterio de Barkhaussen
El modelo general se muesta en (a), para el modelo con
transistor BJT en (b).
La admitancia de salida yo y la impedancia Z’2 se agrupan
como la Z2 final, La admitancia de entrada yi y la impedancia
Z’ se agrupan como la Z final, y la impedancia deZ’1 se agrupan como la Z1 final, y la impedancia de
realimentación Z’3
4 Redes de radiofrecuencia
8
Oscilador senoidal – modelos LC Colpitts
El modelo Colpitts es un oscilador senoidal el cual tiene las
siguientes caracteristicas
Está compuesto por las impedancias reactivas
Con Z1 y Z2 como capacitivos, y Z3 como inductiva.
4 Redes de radiofrecuencia
9
Oscilador senoidal – modelos LC Hartley
El modelo Hartley es un oscilador senoidal el cual tiene las
siguientes características
Está compuesto por las impedancias reactivas
Con Z1 y Z2 como inductivas, y Z3 como inductiva.
4 Redes de radiofrecuencia
10
Oscilador senoidal – modelos LC Clapp
Es una variación del modelo Colpitts, el cual se le involucra un
capacitor en serie con la bobina
El objetivo es minimizar el efecto de las capacitancias de
transistor, y consiste en tomar valores muy grandes de C1 y
C2 luego L se hace muy pequeña.
4 Redes de radiofrecuencia
11
Oscilador senoidal – a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado
Hay características requeridas en los osciladores que son muy
específicas y que son limitadas en los osciladores vistos
anteriormente.
4 Redes de radiofrecuencia
12
Oscilador senoidal – a) Vackar, b) Seiler, c) Seiler mejorado
Otras características a tener en cuanta son:
Buena estabilidad en frecuencias, aunque con el oscilado
Clapp es aceptable.
mejor respuesta al ruido de fase.
Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros
para osciladores variablespara osciladores variables
4 Redes de radiofrecuencia
13
Oscilador senoidal – a) Vackar
Características a tener en cuanta
Es muy estable.
Bajo ruido de fase y bajos espurios
Mínima influencia de la carga, en selección de parámetros
para osciladores variables
Tiene un ancho de banda mayor
Es un modelo ampliamente utilizado en osciladores
variables
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal –b) Seiler, c) Seiler mejorado
Características a tener en cuanta del oscialdor Seiler son:
Mejora la estabilidad, haciendo imperceptible lasreactancias parasitas
Mínima influencia de la carga
Muy utilizado en los sistemas modulados de amplitudAM y FMAM y FM
Los parámetros de diseño son los siguientes
El oscilador Seiler mejorado es el mas estable y se utiliza par
sistemas modulados en BLU (SSB)
4 Redes de radiofrecuencia
15
Oscilador senoidal – Cristal
Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del
cristal
El material del cristal pueden ser varios como: el cuarzo
(SiO2), la sal de Rochelle (tartarato de sodio y potasio
tetrahidratado, NaKC4H4O6.4H2O), el fosfato de hidrógeno
de amonio, ADP (NH4H2PO4), etc.de amonio, ADP (NH4H2PO4), etc.
La característica principal de estos cristales es el efecto
piezoeléctrico, el cual consiste en que si se deforma aparece
en sus paredes un campo eléctrico y viceversa, estas
deformaciones hace que se presenten frecuencias mecánicas
con factor Q muy elevado puesto que tiene muy pequeñas
pedidas por fricción.
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal – Cristal
Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del
cristal
La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la
masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del
cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del
cristal.cristal.
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal – Cristal
Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del
cristal
La relación mecánica y eléctrica del cristal es: L representa la
masa vibrante del cristal, Cs representa la elasticidad del
cuarzo y R representa las pérdidas que ocurren dentro del
cristal.cristal.
El modelo circuital del cristal equivale
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal – Cristal
Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del
cristal
Zona inductiva
X(w)
0 w
p
Zona capacitiva
Zona inductiva
Resonancia serieResonancia serieResonancia serieResonancia serie Antiresonancia paraleloAntiresonancia paraleloAntiresonancia paraleloAntiresonancia paralelo
ws
w
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal – Cristal - Pierce
Es un modelo LC el cual controla la frecuencia por medio del
cristal.
4 Redes de radiofrecuencia
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Oscilador senoidal VCO – Variable
Es un oscilador controlado por voltaje, permite una variación
de frecuencia a la salida proporcionalmente a la variación de
voltaje a la entrada
Un dispositivo con capacitancia variable se le conoce como
Varicap, el cual es un tipo especial de diodo polarizadoVaricap, el cual es un tipo especial de diodo polarizado
inversamente que tiene una capacidad y al variar el volteje
cambia la capacitancia. También es característico de ciertos
transistores.
La variación de la capacitancia de un diodo polarizado
inversamente ocurre porque hay cargas eléctricas en los
extremos de signo contrarios, separado por una zona de
ausencia de portadores llamada zona de exclusión, el ancho
de esta zona es proporcional a la tensión aplicada en los
extremos del diodo 4 Redes de radiofrecuencia
21
Oscilador senoidal VCO – Varicap
El diodo varicap obedece a la siguiente expresión
Donde k es una constante que depende de la concentración
de equilibrio de los portadores mayoritarios y de la constante
dieléctrica del semiconductor.dieléctrica del semiconductor.
4 Redes de radiofrecuencia
22
Oscilador senoidal VCO – Modelo comercial
4 Redes de radiofrecuencia
23
Oscilador senoidal – elementos activos
4 Redes de radiofrecuencia
24
Oscilador senoidal – elementos activos- características
4 Redes de radiofrecuencia
25
Oscilador senoidal – redes resonantes
4 Redes de radiofrecuencia
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MULTIPLICADORES
� Un multiplicador analógico es un circuito que produce unaseñal de salida proporcional al producto algebraico de dosseñales de entrada, donde la función de transferencia sedenomina factor de escala o constante de ganancia
� Clasificación de los multiplicadores � Clasificación de los multiplicadores
� Lineales, no lineales, conmutados
� También se clasifican por la eliminación de productos de intermodulación simples, balanceados o doblemente balanceados
� Y por la polaridad de las señales de entrada de uno, dos o cuatro cuadrantes
4 Redes de radiofrecuencia
27
MULTIPLICADORES – Lineal de Gilbert
El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la
unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro
cuadrantes de Gilbert
4 Redes de radiofrecuencia
28
MULTIPLICADORES – lineales de Gilbert
� El par diferencial es un multiplicador de un cuadrante, y es la
unidad básica para el multiplicador analógico de cuatro
cuadrantes de Gilbert
� Para el análisis de la operación del transistor bipolar, se
empleará el modelo unidimensional de Ebers-Moll, el cual la
corriente de colector se determina como:corriente de colector se determina como:
4 Redes de radiofrecuencia
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MULTIPLICADORES – lineales de Gilbert
� La salida del par corresponde a
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1
-0.5
0
0.5
1
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-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1
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-vT
-vT
vT
vT
aaaa
bbbb4 Redes de radiofrecuencia
30
MULTIPLICADORES – lineales de Gilbert
� La salida del para la celda de Gilbert
� De igual manera vo es lineal en la región de VT < 1
4 Redes de radiofrecuencia
31
MULTIPLICADORES – No lineales - Mezcladores
� El mezclador forma parte de cualquier sistema de
comunicaciones.
� Es un dispositivo no lineal que desplaza las frecuencias de
entrada, una de las entradas esta saturada.
� Es el dispositivo rf que traslada el espectro de la informacion al� Es el dispositivo rf que traslada el espectro de la informacion al
lugar correspondiente
� Se utiliza un elemento activo como, diodos, transistores, tubos
etc.
4 Redes de radiofrecuencia
32
MULTIPLICADORES – No lineales - Mezcladores
4 Redes de radiofrecuencia
33
MULTIPLICADORES –Mezclador
� Símbolo del mezclador )(tm ⊗ y(t)
x(t)
4 Redes de radiofrecuencia
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MULTIPLICADORES –Mezclador - ejemplo
� Para dos tonos se obtiene
m(t) = A1 sin ω1t xc(t) = A2 sin ω2t
M(f) = 0.5*A1 δ(f±f1) Xc(f)=0.5 A2 δ(f±f2)]1 2 2
y(t) = A[cos (ω1-ω2)t - cos (ω1+ω2)t]
� La transformada de Fourier de y(t)
Y(f) = 0.5*A[ δ(f+f1±f2) + δ(f-f1±f2)]
4 Redes de radiofrecuencia
35
f
│M(f)│
A1
f
│X(f)│
A2
-f f-f f
MULTIPLICADORES –Mezclador - ejemplo
-f2 f2-f1 f1
f
A
f2- f1 f2+ f1-f2- f1 -f2+ f1
4 Redes de radiofrecuencia
/2
36
Mezclador con transistor
4 Redes de
radiofrecuencia
37
MULTIPLICADORES – detector de fase
� El detector de fase en un red de tres puertos, dos puertos
de entrada y un puerto de salida, el cual muestra a la
salida el desfase de las señales de entrada
� Es un multiplicador no lineal y ocurre cuando los voltajes
de entrada están por encima del voltaje de transición VT de entrada están por encima del voltaje de transición VT
(saturación).
� La señal de salida es una señal discreta que es
proporcional al desfase de las señales de entrada.
� la función de salida es el del circuito digital XNOR
4 Redes de radiofrecuencia
38
MULTIPLICADORES – detector de fase
� La función de transferencia es
4 Redes de radiofrecuencia
39
MULTIPLICADORES – angular
� Hace que el ángulo de la señal exponencial sea
multiplicada por un numero entero K>1
� Es un circuito no lineal, seguido por un circuito
sintonizado el cual selecciona el orden le multiplicador
4 Redes de radiofrecuencia
40
MULTIPLICADORES – angular
� La señal de entrada es la parte real de una exponencial
� Con un filtro se selecciona el factor de multiplicación
4 Redes de radiofrecuencia
41
DETECTORES – detector de producto
� Detector de producto es un
mezclador, donde y(t) es una
señal modulada en forma lineal,
x(t) es la señal del oscilador local
y m(t) es una señal banda base
)(tm⊗y(t)
x(t)
y m(t) es una señal banda base
(mensaje)
� y(t) y x(t) son señales sincrónicas
(fc, = fo), también se denomina
detector sincrónico o coherente.
4 Redes de radiofrecuencia
42
DETECTORES – detector de envovlente
� Produce una forma de onda igual a la evolvente de
la señal pasa banda que está en la entrada y se
muestra en la (figura a). Es útil en AM
4 Redes de radiofrecuencia
43
DETECTORES – detector de pendiente
� Es una red de radifrecuencia, el cual convierte los
cambios de frecuencia de una señal pasa bandas en
niveles de voltaje (figura b), lo cual convierte una
señal modulada en FM a AM.
� Esta red es un filtro pasa bandas el cual el voltaje
máximo de salida ocurre en la frecuencia resonante
f0 del circuito tanque y su salida disminuye
proporcionalmente conforme la frecuencia de
entrada se desvía por encima o por debajo de fc
4 Redes de radiofrecuencia
44
DETECTORES – detector de pendiente
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∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ffff ∆∆∆∆ ffffffffcccc ffffccccffff∆∆∆∆ ffff ffffoooo
aaaa bbbb
cccc dddd 4 Redes de radiofrecuencia
45
DETECTORES – Circuito de fase cerrada PLL
� El PLL es un sistema de realimentación que está caracterizadomatemáticamente con las mismas ecuaciones que aplican a losotros sistemas de realimentación convencionales.
� Las constantes “k” corresponden a la respuesta del detector de fase, el amplificador, el filtro y el VCO respectivamente
4 Redes de radiofrecuencia
46
DETECTORES – Circuito de fase cerrada
� Intervalo de seguimiento: si la frecuencia inicial aplicada es
fo, el PLL se cierra y el VCO rastrea la señal de entrada
durante un intervalo finito llamado intervalo de retención
� Intervalo de enganche (captura): es el intervalo de
frecuencia en el cual la entrada aplicada hace que el PLL se
cierre durante un rango de contencióncierre durante un rango de contención
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0 pi 2pi
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2 fc2 fs
a b 4 Redes de radiofrecuencia
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DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Ejemplo
� Al PLL ingresa la señal de radiofrecuencia vi(t) y la señal de
salida vo(t) del VCO
� Encontrar la función de transferencia. La salida del detector
4 Redes de radiofrecuencia
48
DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Ejemplo
� Por tabla de transformada se tiene que
� Y la función de transferencia que linealiza al PLL es
4 Redes de radiofrecuencia
49
DETECTORES – Circuito de fase cerrada - Sintetizador
4 Redes de radiofrecuencia
50
Ejercicios
1. El oscilador Hartley, oscila a una frecuencia de 110 MHz. Con unacapacitancia de 24 Pf. Encuentre el valor de las bobinas para la oscilación yel Q de la redes.
2. El Q de un oscilador Colpitts tiene un valor de Q de 2000, con unafrecuencia de 500 MHz. Y esta acoplado a una carga de 75 Ohms.Encuentre los valores que determinan esta frecuencia.
3. Para el ejercicio anterior se requiere hacer más estable el oscilador, paraesto se utiliza el modelo Clapp. Halle el valor del elemento que lo haga másestable sin modificar la frecuencia.esto se utiliza el modelo Clapp. Halle el valor del elemento que lo haga másestable sin modificar la frecuencia.
4. El oscilador Seiler mejorado tiene los siguientes valores c1, c2, c3, c4 de 120,180, 100, 240 pF respectivamente y oscila a 200 Mhz, complete el modelo.
5. Diseñar oscilador Colpitts que utiliza un cristal, la oscilación debe ser de150 Mhz.
6. Evaluar el voltaje a la salida del LPF del PLL si se tienen dos señales deentrada senoidales de 100 y 80 MHz. Respectivamente. Si la ganancia deldetector de fase es 0.01 Rad/V.
7. Cual es la frecuencia de salida, si la Ko = 5 MHz/V
4 Redes de radiofrecuencia
51
1. Un PLL tiene una frecuencia de referencia de 100 MHz, realice un modelo que sintetice los canales del sistema de TV VHF.
2. Evalué la función de transferencia para sintetizador a partir de la del PLL
3. Se tiene una señal m(t)=2cos(62.8Kt)+sen(94.25Kt) y una señal 3cos(2pi*Mt).
1. Si entran a un mezclador evaluar la salida y graficar la señal en frecuencia
2. Si entran a un convertidor de subida, para colocarla m(t) en una portador de 10 MHz como debe ser este sistema. También realice el modela para un convertidor de bajada a 2 MHz.
4. La señal y(t)=m(t)cos(628Kt), m(t) como una señal de voz, diseñar un detector que extraiga la señal de información.
5. Si la anterior señal y(t) se quiere trasladar a una frecuencia portadora de 2MHz, diseñe el modelo a utilizar.