Dispositivos e Circuitos de RF Prof. Daniel Orquiza de Carvalho Osciladores Tópicos abordados: (Capítulo 13 pgs 637 a 643 do livro texto) Propriedades de Misturador single-ended a diodo
são dispositivos de três portas utilizados para realizar conversão de frequência. Um misturador ideal gera sinais de saída nas frequência dadas pela soma E diferença das frequências dos sinais de entrada. de RF e Micro-ondas utilizam dispositivos com resposta não-linear, como diodos e transistores. Dispositivos não lineares são capazes de gerar harmônicos e soma/ diferença das frequências de entrada. Assim, é necessário filtrar componentes indesejadas. 30/05/19 1 Sistemas de micro-ondas modernos utilizam misturadores para converter: Frequências inferiores (banda base/intermediárias) em frequências superiores (intermediária/rf) (up-conversion). Frequências superiores (RF/intermediária) em frequências inferiores (banda base/intermediárias) (down-conversion). O processo de up-conversion (conversão ascendente) se dá no transmissor enquanto o processo de down-conversion (conversão descendente) se dá no receptor. 30/05/19 2
No processo de up-conversion, um oscilador local numa frequência relativamente alta, é aplicado a uma entrada do mixer. v LO ( = cos( 2π O sinal em banda base ou freq. Intermediária é conectado à outra entrada do misturador. Oscilador IF ( = cos( 2π Mixer f RF = ± LO 3 O Sinal de saída de um misturador no processo de up-conversion é: v RF ( = K.v LO (. ( = K.cos( 2π cos( 2π Utilizando a identidade trigonométrica Obtemos: cos( α ± β) = cos( α)cos( β) sen( α)sen( β) v RF ( = K 2. cos 2π ( f f LO IF )t + cos 2π ( f + f LO IF )t 4
v RF ( = K 2. cos 2π ( f f LO IF )t + cos 2π ( f + f LO IF )t A frequência da saída de RF consiste frequências de entrada. na soma e diferença das f RF = ± Mixer f RF = ± Oscilador IF LO 0 - f + 5 No processo de down-conversion, um oscilador local é aplicado a uma entrada do mixer. v LO ( = cos( 2π O sinal de RF é aplicado à outra entrada do misturado. Oscilador RF v RF ( = cos( 2π f RF f RF Mixer LO 6 = f RF ±
O Sinal de saída de um misturador no processo de down-conversion é: ( = K.v LO (.v RF ( = K.cos( 2π cos( 2π f RF Utilizando a identidade trigonométrica Obtemos: cos( α ± β) = cos( α)cos( β) sen( α)sen( β) ( = K 2. cos 2π ( f f RF LO )t + cos 2π ( f + f RF LO )t 7 ( = K 2. cos 2π f f ( RF LO )t + cos 2π f + f ( RF LO )t A frequência da saída de RF consiste frequências de entrada. Oscilador RF f RF Mixer LO = f RF ± = f RF ± na soma e diferença das Filtrado com passa-baixas 0 f RF - f RF f RF + f 6 8
No processo de down-conversion a frequência intermediária é dada por: = f RF Frequência Imagem: para um receptor com oscilador local na frequência e frequência intermediária : f RF = + Considere a frequência imagem dada por f IM =. A inserção de f IM na expressão para (substituindo f RF ), fornece: = 9 A frequência é idêntica a uma vez que a Transf. Fourrier de um sinal real é simétrica com relação à f = 0. Um sinal na freq. f IM = - é designado como a resposta imagem. Um sinal na frequência imagem (resposta imagem) não pode ser distinguido de um sinal na frequência f RF. Cuidado deve ser tomado para não selecionar um sinal em uma frequência indesejável. f IM pode também estar acima de f RF 0 f RF - f RF f RF + 10 = f RF ± f
Perda de conversão: perdas em misturadores são atribuidas a: ² Perdas no processo de conversão, associadas com a geração de outras frequências; ² Perdas introduzidas por cargas resistivas utilizadas para garantir que frequências indesejáveis sejam absorvidas em cada porta. Idealmente, cada porta é projetada para estar casada apenas na frequência correspondente (, e f RF ). As outras frequências devem ser absorvidas 11 Perda de conversão No caso de down-conversion (receptor), a perda de conversão em db é: L c =10log P disponível na entrada RF P IF na saída 0dB a diodo têm perda de conversão típicas entre 4 e 7dB entre 1 e 10GHz. transistorizados têm perda de conversão menores e podem até apresentar ganho. Perdas mínimas ocorrem para potência de LO entre 0 e 10dBm 12
Figura de Ruído Ruído é gerado devido aos elementos ativos (diodos e transistores), assim como por fontes térmicas associadas com perdas ohmicas. Figuras de ruído típicas variam de 1 a 5dB, sendo os misturadores a diodo os que apresentam menores figuras de ruído. Consideremos um sinal com banda dupla (DSB): v DSB ( = A. cos 2π ( f IF )t + cos 2π f + f ( LO IF )t Após mistura com LO e filtragem (passa-baixas): ( = KA 2. cos ω t IF { ( ) + cos( ω IF } = KAcos( ω IF 13 Potência do sinal de entrada: S i = A2 2 + A2 2 = A2 Potência do sinal de saída: S o = A2 K 2 2 A potência do ruído de entrada é definida: Onde k é a constante de Boltzmann, T 0 ( o K) é a temperatura e B é a largura de banda na IF. N i = kt 0 B k = 1.3806 10 23 J K 1 14
A potência de ruído na saída é igual N i somado à potência de ruído adicionada dividido pela perda de conversão (L c ): N i = N added + kt 0 B L c Onde N added é a potência de ruído adicionada pelo misturador. A Figura de Ruído é definida como a SNR na entrada sobre a SNR na saída: F = S i / N i S o / N o 15 Substituindo as expressões (N i, N o, S i e S o ) associadas a um sinal com banda lateral dupla: F DSB = 2 K 2 L c 1+ N added kt 0 B Fazendo uma análise similar para um sinal SSB: F SSB = 4 K 2 L c 1+ N added kt 0 B Mostrando que a Figura de ruído para um sinal SSB é o dobro da Figura de Ruído para um sinal DSB. F SSB = 2F DSB 16