Dispositivos e Circuitos de RF

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Isaque Braga
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1 Dispositivos e Circuitos de RF Prof. Daniel Orquiza de Carvalho Tópicos abordados: (Capítulo 1 pgs 558 a 56 do livro texto) Projeto de amplificadores de Micro-ondas Ganho de potência de redes de duas portas

2 A amplificação de sinais é uma das funções mais prevalentes em sistemas de RF e micro-ondas. Os primeiros amplificadores eram baseados em válvulas. Devido a avanços importantes na área de microeletrônica a partir da década de 70, a maior parte destes dispositivos passaram a utilizar transistores de i e GaAs como: - TBJs; - MOFETs e MEFETs; - Transistores baseados em heteroestruturas. 7/05/19 1 Passemos a tratar dos amplificadores transistorizados como redes de duas portas representadas principalmente por parâmetros de espalhamento. Neste sentido é importante definir expressões para diferentes tipos de GANHO, em termos dos parâmetros da matriz []. 7/05/19

3 Ganho de Potência (G = P L /P in ): é a razão entre potência dissipada na carga Z L e a potência entregue à rede P in. Este ganho não depende da impedância da fonte Z, embora as características de alguns dispositivos ativos possam depender de Z. 7/05/19 3 Ganho de Potência Disponível (G A = P avn / ): é a razão entre potência disponibilizada pela rede de portas e a potência disponibilizada pela fonte. Aqui, assume-se casamento conjugado tanto com a fonte, quanto com a carga. G A depende de Z,, mas não de Z L. 7/05/19 4

4 Ganho de Potência Transferível (G T = P L / ): é a razão entre potência dissipada na carga Z L e a potência disponibilizada pela fonte. G T depende de ambos Z L e Z. 7/05/19 5 Os três tipos de ganho diferem na forma em que a rede está casada com a fonte e a carga. e houver casamento conjugado em ambas as pontas, o ganho é maximizado e: G A = G T = G. Para obter expressão para cada tipo de ganho, notemos que: = Z L Z 0 Z L Z 0 e = Z Z 0 Z Z 0, onde Z 0 é a impedância de referência para a rede de duas portas. 7/05/19 6

5 Da matriz de espalhamento da rede de portas temos: V 1 = 11 V 1 1 V = 1 V 1 Note que a potência entrando na porta dois V coincide com a potência refletida pela carga, tal que: V = ubstituindo nas expressões para V - 1 e V -. = 11 1 = 1 (1) () 7/05/19 7 7/05/19 _

6 = 11 1 V = 1 V (1) 1 () A equação () permite escrever ( 1 ) = 1 = V 1 1 / ( 1 ) ubstituindo na equação (1): Que coincide com o coeficiente de reflexão na entrada olhando para a rede de duas portas = =, = Z in Z 0 Z in Z 0 Z in = Z /05/19 8 Partindo novamente da matriz de espalhamento da rede de portas V 1 = 11 V 1 1 V = 1 V 1 Note que a potência entrando na porta dois V 1 coincide com a potência refletida pela fonte, tal que: V 1 = ubstituindo nas expressões para V - 1 e V -. = 11 1 = 1 (3) (4) 7/05/19 9

7 = 11 1 = 1 (3) (4) A equação (3) permite escrever ( 1 11 ) = 1 V 1 =V 1 / ( 1 11 ) ubstituindo na equação (4): Que coincide com o coeficiente de reflexão na saída olhando para a rede de duas portas = Γ out = Γ out = Z out Z 0 Z out Z 0 Z out = Z 0 Γ out 1 Γ out 1. 7/05/19 10 A equação (3) permite escrever ( 1 11 ) = 1 V 1 =V 1 / ( 1 11 ) ubstituindo na equação (4): Que coincide com o coeficiente de reflexão na saída olhando para a rede de duas portas = Γ out = Γ out = Z out Z 0 Z out Z 0 Z out = Z 0 Γ out 1 Γ out 1. 7/05/19 10

8 A tensão na entrada pode ser relacionada com a tensão no gerador: Z =V in s Z in Z s =V1 V 1 =V 1 1 ubstituindo as expressões para Z in e Z s em Z V in s Z in Z s =V1 1 7/05/19 11 Obtemos a expressão para onda de tensão incidente em função de V V 1 = V ( 1 Γ s ) 1 A potência na entrada da rede é igual à potência incidente menos a potência refletida ubstituindo nesta última P in = 1 ( ) Z 1 1 Γ. in 0 P in = V s 8Z 0 1 ( 1 Γ ). in 1 7/05/19 1

9 A potência entregue à carga é. P L = 1 Γ Z L 0 Lembrando que a equação () fornecia = 1 () Que foi reescrito usando a equação (1) V ( 1 ) = 1 = V 1 1 / ( 1 ) Esta última pode ser usada na expressão para P L P L = V ΓL Z 0 7/05/ Como vimos anteriormente (slide 1) V 1 = V ( 1 Γ s ) 1 ubstituindo esta expressão em P L = V ΓL, Z 0 1 Obtemos: ( 1 ΓL ) 1 P L = V 1 8Z Γ 7/05/19 14

10 ubstituindo a potência dissipada na carga P L = V 1 8Z, Γ e a potência entregue à rede P in = V s 8Z 0 na expressão para o Ganho de Potência 1 1 ΓL G = P L P in = 1 1 ΓL 1 ( 1 Γ ), in Γin 7/05/19 15 A potência disponibilizada pela fonte é, por definição, a máxima potência que pode ser entregue à rede. Isto ocorre sob a condição de casamento conjugado onde = *. P in = V s 8Z = P = V in * Γin = 8Z 0 7/05/19 16 ( 1 Γ ) = V s in 8Z 0 Manipulando esta última equação: 1 Γ ( ) 1 Γ 1 1 Γ ( ). 1 ( 1 Γ ),

11 = =, A potência disponibilizada pela rede P avn é, por definição, a máxima potência que pode ser entregue à carga. Isto ocorre sob a condição de casamento conjugado onde = Γ out *. Após alguma manipulação: 1 Γ P avn = P L = V 1 * ΓL =Γ out 8Z Γout 7/05/19 17 ubstituindo a potência disponibilizada pela rede P avn = P L = V 1 * ΓL =Γ out 8Z Γout e a disponibilizada pela fonte = P in Γin = * na expressão para o Ganho de Potência Disponível G A = P avn = 7/05/19 18 = V 8Z Γ 1 Γ 1 Γ ( ) Γout

12 ubstituindo a potência dissipada na carga P L = V 1 8Z, Γ e a disponibilizada pela fonte = P in Γin = * = V 8Z 0 na expressão para o Ganho de Potência Transferível G T = P L = 1 1 ΓL 1 1 ΓL 1 Γ ( ). 1 ( 1 Γ ) 1 1 7/05/19 19 Um caso particular de Ganho de Potência Transferível ocorre quando a entrada e a saída da rede estão casadas de modo que = =0: G T = P L = 1 1 ΓL 7/05/19 0 ( 1 Γ ) 1 1 = 1 Outro caso de importância, com ocorrência frequente para diversos amplificadores transistorizados, é se ter 1 = 0. Neste caso: = = 11 e G TU = P L =. ( 1 Γ ) 1 1 ΓL é definido com o Ganho de Potência Transferível Unilateral.

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