Video Lecture RF Laps
Agenda 1. Considerações no projeto de circuitos RF 2. Casamento de impedância 3. Parâmetros S e Carta de Smith 4. Dispositivos/blocos comumente usados 5. Arquiteturas de transceptores 6. Modulação e detecção
Considerações no projeto de circuitos Não-linearidade RF Característica de transferência de um circuito linear Os circuitos utilizados em RF são não-lineares Característica de transferência de circuitos nãolineares pode ser descrita por series de potência.
Considerações no projeto de circuitos RF Alguns problemas associados a nãolinearidade Harmônicos Introduzem sinais que não existiam no sinal de entrada Harmônicos
Considerações no projeto de circuitos Compressão de ganho RF Amplitude de entrada em que a potência de saída é 1 db menor do que deveria ser no circuito linear
Considerações no projeto de circuitos Intermodulação RF Acontece quando há multiplas frequências presentes no sinal de entrada. Intermodulação
Considerações no projeto de circuitos Intermodulação RF Adiciona outras componentes de frequência próximas aos sinais de entrada São mais difíceis de filtrar do que os harmônicos
Métricas Distorção harmônica Comparação entre a amplitude da frequência do sinal de entrada e um dos harmônicos (m) Distorção harmônica total
Métricas Intermodulação Relaciona o produto da intermodulação com o com amplitude de saída do sinal de entrada.
Métricas Pontos de interceptação (IP) IP harmônico ou IPnh: valor de amplitude para o qual a resposta linear e a distorção harmônica n têm a mesma magnitude. Amplitude da resposta linear Amplitude da distorção hormônica (2ª)
Métricas Ponto de interceptação IP2h: ponto de interceptação harmônico em relação ao segundo harmônico. IP3h
Métricas Ponto de interceptação da intermodulação IP harmônico ou IPni: valor de amplitude para o qual a resposta linear e a distorção por intermodulação n têm a mesma magnitude.
Ruído Ruído térmico Proveniente do movimento aleatório dos eletrons Característico de componentes resistivos
Ruído Ruído flick ou ruído 1/f Ocorre na maioria dos dispositivos eletrônicos É mais problemático em baixas frequências Interfere na demodulação (downconversion) de sinais
Ruído Ruído Shot Proveniente do fluxo de eletrons na junção pn dos componentes eletrônicos É problemático para sistemas que operam em baixa corrente (<1uA)
Ruído Potência de ruído disponível a partir de uma antena É possível modelar uma antena a partir de um resistor Se a Carga for casada com a antena, então tem-se máxima transferência de potência
Ruído Potência de ruído disponível a partir de uma antena Para impedâncias casadas
Ruído Chão de ruído (Noise Floor NF) Potência de ruído disponivel em determinada banda
Ruído Relação sinal ruído (RSR) Relação entre a potência do sinal e potência do ruído Para o exemplo anterior, se não houver nenhuma outra fonte de ruído, então:
Ruído Relação sinal ruído (RSR) Cada sistema de comunicação define a mínima RSR necessária para a recuperação da informação Sensibilidade do receptor: RSR mínima para haver recuperação da informação. Exemplo: Dois sistema um que requer 0 e outro 7 db. Logo, se não houver outra fonte de ruído, então para o sistema anterior sinais de -121 dbm e -114 dbm poderão ser detectados com sucesso, respectivamente.
Ruído Fator de ruído (F) Ruído adicionado por componentes eletrônicos ao sinal Relação entre RSR de entrada e de saída G -> Ganho Figura de ruído (Noise Figure NF)
Ruído Figura de ruído de componentes em série
Exemplo Ruído
Ruído Exemplo Sensibilidade para um sistema que requer 7dB de RSR
Modelos dos componentes passivos Os componentes passivos operando em altas frequências podem apresentar variação de suas características Um capacitor pode se comportar como um indutor e vice-versa. Bem com os resistores podem ter efeitos indesejados
Modelos de componentes passivos Capacitor Resistor
Modelos dos componentes passivos Indutor
Parametros S Sistemas lineares podem ser caracterizados por parâmetros medidos em seus terminais Com os parâmetros, o comportamento pode ser modelado Scattering parameters ou Parâmetros de espalhamento ou Parâmetros S São mais fáceis de medir que outros parâmetros Facilitam o trabalho em altas frequências São relacionados a ondas propagando que são refletidas quando encontram a entrada de um sistema
Parâmetros S Considere o sistema com duas portas Pode ser modelado por:
Parâmetros S Os parâmetros y podem ser determinados Considerando o modelo de ondas refletidas: Artigo: Power Waves and the Scattering Matrix, K. Kurokawa
Parâmetros S Considerando Zi positivo e real: Coeficientes de reflexão na entrada e saída Ganhos da entrada para a saída
Parâmetros S Coeficiente de reflexão Mede o quanto de uma onde incidente no terminal de um sistema é refletida Usado para casamento de impedância
Carta de Smith Permite se ache como as impedâncias são transformadas ao longo de uma linha de transmissão Relaciona a impedância com o coeficiente de reflexão É baseada na equação: Normalizada pela impedância característica
Carta de Smith Fazendo as devidas manipulações matemáticas: r e x são as partes real e imaginária de Zin
Carta de Smith Analisando separadamente u=1 Círculos de resistências normalizadas no plano dos coeficientes de reflexão
Carta de Smith Analisando separadamente u=1
Juntando os gráficos Carta de Smith
Carta de Smith Através da carta de Smith é possível Determinar o coeficiente de reflexão de uma linha de transmissão Projetar uma carga casada com a impedância característica
Dispositivos comumente usados Mixer É um disposivo com três portas que utiliza um elemento não-linear para produzir conversão de frequências.
Dispositvos comumente usados Mixer Idealmente é um circuito que multiplica dois sinais Base Matemática Sinal em alta frequência Elemento filtrado
Dispositivos comumente usados Oscilador Gera um sinal períodico Usado para conversão de frequências Idealmente seria obtido através de um circuito LC Compensação das perdas Resistência parasita Frequência de oscilação
Dispositivos comumente usados Oscilador Colpitts Baseado no princípio da realimentação Obtém a resistência negativa (repositor de energia Gera o sinal a partir do ruído interno dos componentes
Dispositivos comumente usados Oscilador controlado por tensão (Voltage controlled oscilator VCO) Gera um sinal periódico que é proporcional a tensão aplicada em um de seus terminais
Dispositivos comumente usados PLL Phase locked loop É um dispositivo que gera um sinal de fase relacionada com um sinal de entrada É composto por um VCO e um detector de fase É utilizado para: Sintetizar frequências Manter a frequência de um sistema em fase com a frequência de um sinal de entrada Demodulador FM
Dispositivos comumente usados Amplificadores de baixo ruído É o primeiro bloco depois da antena de um receptor Tem o objetivo de amplificar sinais introduzindo o mínimo possível de ruído Deve ser composto por elementos com baixa figura de ruído
Dispositivos comumente usados Amplificadores de potência Compõem o último estágio de um transmissor antes da antena Tem o objetivo de entrega a maior potência possível do sinal para a antena É classificado em três tipos básicos Classes A, B e C Eficência: relação da energia entregue a carga e energia consumida
Dispositivos comumente usados Amplificadores de potência classe A Amplifica toda a amplitude do sinal O Amplificador conduz durante todo o tempo O nível dc do sinal fica acima do limiar de condução do amplificador Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 50%
Dispositivos comumente usados Amplificador de potência classe B Amplifica somente a parte positiva do sinal O amplificador está ligado somente em parte do tempo O sinal fica exatamente no limiar de condução Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 78.5%
Dispositivos comumente usados Amplificador de potência classe C Amplifica somente a parte positiva do sinal O amplificador está ligado somente em parte do tempo O sinal fica abaixo do limiar de condução Nível DC Limiar de condução Eficiência Máxima: 78.5 ~100 %
Arquiteturas de transceptores Receptor heterodino Filtragem de sinais de banda estreita em altas frequência é difícil Converte o sinal para uma frequência intermediária onde é filtrado Muito usado quando os dispositivos disponíveis não têm a precisão suficiente para construir filtro e outros componentes.
Arquiteturas de transceptores Receptor heterodino Frequência intermediária Banda base Alta Frequência Filtragem
Arquiteturas de transceptores Receptor homodino Converte o sinal diretamente para a banda base A frequência do oscilador local é a mesma do sinal em RF É mais simples e consome menos energia Tornou-se mais facilmete realizável devido aos componentes mais precisos Pode haver transmissão reversa