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DispositivoseCircuitosdeRF

Prof.DanielOrquizadeCarvalho

SJBV SJBV

Tópicos abordados:

(Capítulo 13 – pgs 637 a 643 do livro texto)

§  Misturadores

§  Propriedades de Misturadores

§  Misturador single-ended a diodo

Osciladores

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SJBV SJBV

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Misturadores são dispositivos de três portas utilizados para realizar conversão de frequência.

Misturadores

Um misturador ideal gera sinais de saída nas frequência dadas pela soma E diferença das frequências dos sinais de entrada.

Misturadores 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.

SJBV SJBV

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Sistemas de micro-ondas modernos utilizam misturadores para converter:

Misturadores

Frequências inferiores (banda base/intermediárias) em frequências superiores (intermediária/RF) (up-conversion).

O processo de up-conversion (conversão ascendente) se dá no transmissor enquanto o processo de down-conversion (conversão descendente) se dá no receptor.

Frequências superiores (RF/intermediária) em frequências inferiores (banda base/intermediárias) (down-conversion).

No transmissor

No receptor

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SJBV SJBV

~

No processo de up-conversion, um oscilador local numa frequência relativamente alta, é aplicado a uma entrada do mixer.

Misturadores

No transmissor

No receptor

vLO (t) = cos 2π fLOt( )O sinal em banda base ou freq. Intermediária é conectado à outra entrada do misturador.

vIF (t) = cos 2π f IFt( )

~ fLO

fIF Oscilador IF

LO

Mixer fRF = fLO ± fIF

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SJBV SJBV

O Sinal de saída de um misturador no processo de up-conversion é:

Misturadores

No transmissor

No receptor

vRF (t) = K.vLO (t).vIF (t) = K.cos 2π fLOt( )cos 2π f IFt( )Utilizando a identidade trigonométrica

cos α ±β( ) = cos α( )cos β( ) ∓ sen α( ) sen β( )

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Obtemos:

vRF (t) =K2. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡

⎣⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡

⎣⎤⎦{ }

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SJBV SJBV Misturadores

No transmissor

No receptor

A frequência da saída de RF consiste na soma e diferença das frequências de entrada.

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vRF (t) =K2. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡

⎣⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡

⎣⎤⎦{ }

fRF = fLO ± f IF

fLO f 0 fIF fLO + fIF fLO - fIF

~

~ fLO

fIF

Oscilador IF

LO

Mixer fRF = fLO ± fIF

SJBV SJBV

No processo de down-conversion, um oscilador local é aplicado a uma entrada do mixer.

Misturadores

No transmissor

No receptor

vLO (t) = cos 2π fLOt( )O sinal de RF é aplicado à outra entrada do misturado.

vRF (t) = cos 2π fRFt( )

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~

~ fLO

fRF

Oscilador RF

LO

Mixer fIF = fRF ± fLO

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SJBV SJBV

O Sinal de saída de um misturador no processo de down-conversion é:

Misturadores

No transmissor

No receptor

vIF (t) = K.vLO (t).vRF (t) = K.cos 2π fLOt( )cos 2π fRFt( )Utilizando a identidade trigonométrica

cos α ±β( ) = cos α( )cos β( ) ∓ sen α( ) sen β( )

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Obtemos:

vIF (t) =K2. cos 2π fRF − fLO( ) t⎡

⎣⎤⎦+ cos 2π fRF + fLO( ) t⎡

⎣⎤⎦{ }

SJBV SJBV Misturadores

No transmissor

No receptor

A frequência da saída de RF consiste na soma e diferença das frequências de entrada.

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f IF = fRF ± fLO

fLO f 0 fRF fRF+fLO

vIF (t) =K2. cos 2π fRF − fLO( ) t⎡

⎣⎤⎦+ cos 2π fRF + fLO( ) t⎡

⎣⎤⎦{ }

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~

~ fLO

fRF

Oscilador RF

LO

Mixer fIF = fRF ± fLO

fRF - fLO

Filtrado com passa-baixas

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No transmissor

No receptor

No processo de down-conversion a frequência intermediária é dada por:

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f IF = fRF − fLOFrequência Imagem: para um receptor com oscilador local na frequência fLO e frequência intermediária fIF:

fRF = fLO + f IF

Considere a frequência imagem dada por f IM = fLO − f IF .

A inserção de fIM na expressão para fIF (substituindo fRF), fornece:

f IF = − f IF

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No transmissor

No receptor

A frequência –fIF é idêntica a fIF uma vez que a Transf. Fourrier de um sinal real é simétrica com relação à f = 0.

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fLO f 0 fRF fRF+fLO fRF - fLO

Um sinal na freq. fIM = fLO - fIF é designado como a resposta imagem.

Um sinal na frequência imagem (resposta imagem) não pode ser distinguido de um sinal na frequência fRF.

fIM

Cuidado deve ser tomado para não selecionar um sinal em uma frequência indesejável.

fLO pode também estar acima de fRF fLO = fRF ± f IF

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No transmissor

No receptor

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Perda de conversão: perdas em misturadores são atribuidas a:

²  Perdas no processo de conversão, associadas com a geração de outras frequências;

Idealmente, cada porta é projetada para estar casada apenas na frequência correspondente (fLO, fIF e fRF).

²  Perdas introduzidas por cargas resistivas utilizadas para garantir que frequências indesejáveis sejam absorvidas em cada porta.

As outras frequências devem ser absorvidas

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No transmissor

No receptor

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Perda de conversão

Misturadores a diodo têm perda de conversão típicas entre 4 e 7dB entre 1 e 10GHz.

No caso de down-conversion (receptor), a perda de conversão em dB é:

Lc =10logPRF disponível na entrada

PIF na saída

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ ≥ 0dB

Misturadores transistorizados têm perda de conversão menores e podem até apresentar ganho.

Perdas mínimas ocorrem para potência de LO entre 0 e 10dBm

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No transmissor

No receptor

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Figura de Ruído

Figuras de ruído típicas variam de 1 a 5dB, sendo os misturadores a diodo os que apresentam menores figuras de ruído.

Ruído é gerado devido aos elementos ativos (diodos e transistores), assim como por fontes térmicas associadas com perdas ohmicas.

Consideremos um sinal com banda dupla (DSB):

vDSB (t) = A. cos 2π fLO − f IF( ) t⎡⎣

⎤⎦+ cos 2π fLO + f IF( ) t⎡

⎣⎤⎦{ }

Após mistura com LO e filtragem (passa-baixas):

vIF (t) =KA2. cos ω IFt( )+ cos −ω IFt( ){ }= KAcos ω IFt( )

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No transmissor

No receptor

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Potência do sinal de saída:

Potência do sinal de entrada:

A potência do ruído de entrada é definida:

Onde k é a constante de Boltzmann , T0 (oK) é a temperatura e B é a largura de banda na IF.

Si =A2

2+A2

2= A2

So =A2K 2

2

Ni = kT0B k = 1.3806×10−23 J⋅K−1

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No transmissor

No receptor

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A potência de ruído na saída é igual Ni somado à potência de ruído adicionada dividido pela perda de conversão (Lc):

Onde Nadded é a potência de ruído adicionada pelo misturador.

Ni =Nadded + kT0B

Lc

A Figura de Ruído é definida como a SNR na entrada sobre a SNR na saída:

F =Si / NiSo / No

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No receptor

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Substituindo as expressões (Ni, No, Si e So) associadas a um sinal com banda lateral dupla:

FDSB =2K 2Lc

1+NaddedkT0B

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

Fazendo uma análise similar para um sinal SSB:

FSSB =4K 2Lc

1+NaddedkT0B

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

Mostrando que a Figura de ruído para um sinal SSB é o dobro da Figura de Ruído para um sinal DSB.

FSSB = 2FDSB