Modulo Politecnico di Torino Facoltà dell Informazione Elettronica delle telecomunicazioni A Amplificatori, oscillatori, mixer A2- Usare la nonlinearità» amplificatori accordati,» moltiplicatori di frequenza» compressori di dinamica,» oscillatori Contenuti del Gruppo A Amplificatori con transistori rete di polarizzazione analisi con modello lineare e nonlineare BJT e MOS applicazioni della nonlinearità Oscillatori oscillatori sinusoidali Mixer a trasconduttanza, BJT e MOS, a diodi Circuiti nonlineari amplificatori logaritmici 28/02/2004-1 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-2 ETLCE - A2-2004 DDC Contenuti di questa lezione (A2) Amplificatori con transistori Come ridurre gli effetti della nonlinearità» stabilizzare il guadagno» eliminare le armoniche Come utilizzare la nonlinearità» compressori di dinamica» oscillatori Riferimenti nel testo Transistori fuori linearità 1.2 28/02/2004-3 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-4 ETLCE - A2-2004 DDC Nonlinearità: combattere o usare? Ridurre gli effetti della nonlinearità Distorsione, Armoniche, Guadagno variabile, Eliminare le armoniche circuito accordato Stabilizzare il guadagno controreazione Utilizzare la presenza di armoniche: Utilizzare la variazione di guadagno: oscillatori Distorsione e compressione sono due effetti della stessa causa: una nonlinearità il guadagno dipende dall ampiezza del segnale Per ridurre la nonlinearità: ridurre l ampiezza effettiva del segnale presente sull elemento nonlineare (giunzione, ) Controreazione AO reazionati Amplificatori a transistore con Re o altra controreazione Circuito accordato in uscita attenua le componenti armoniche non modifica l effetto di compressione 28/02/2004-5 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-6 ETLCE - A2-2004 DDC Page 1 2004 DDC 1
Ridurre armoniche e/o distorsione Circuiti risonanti LRC Amplificatori a banda larga occorre ridurre la distorsione» Controreazione Amplificatori a banda stretta stadi di uscita TX, (PA) occorre buona purezza spettrale» circuito accordato in uscita occorre eliminare rumore e segnali non voluti amplificatori RF di antenna (LNA) e FI» circuito accordato all ingresso e in uscita Parametri pulsazione di risonanza ω o smorzamento ξ fattore di qualità: Q = 1/2 ξ Attenuazione X: Q z(ω) ξ k X ω Amplificatori accordati X = Q k 1 k ω I kω I 28/02/2004-7 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-8 ETLCE - A2-2004 DDC Amplificatori accordati Amplificatori accordati 28/02/2004-9 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-10 ETLCE - A2-2004 DDC Come valutare lo spettro in uscita Q costante, variazioni di ampiezza Armoniche nella Ic dipendono solo dalla ampiezza di Vi Effetto del gruppo LC sulla Vu Vu dipende anche da Zc, quindi dal Q sommare (in db) il livello dovuto alla nonlinearità con l attenuazione X del circuito risonante X dipende dallo scostamento in frequenza e dal Q relazione semplificata per valutare X: Z( ωi ) 1 Z( k ) = X = Q k ω k i Con ampiezza costante, il contenuto di armoniche della Ic non varia. Al variare di Q, varia l andamento del Zc, e quindi lo spettro dell uscita in tensione Vu Andamento di Zc, per Q = 200 costante Spettro della corrente Ic per Vi che varia da 5 a 200 mvp Spettro della tensione di uscita Vi = 5mV Vi = 20mV Vi = 200mV 28/02/2004-11 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-12 ETLCE - A2-2004 DDC Page 2 2004 DDC 2
Ampiezza costante, variazioni di Q Amplificatore accordato: esempio Con ampiezza costante, il contenuto di armoniche della Ic non varia. Al variare di Q, varia l andamento del Zc, e quindi lo spettro dell uscita in tensione Vu Andamento di Zc per Q = 50, 200, 500 Q = 50 Q = 200 Q = 500 Parametri funzionali: ampiezza di ingresso guadagno purezza spettrale potenza e rendimento Spettro della corrente Ic per Vi = 200 mvp costante Spettro della tensione di uscita Parametri circuitali corrente Ic Q del circuito risonante Esercizio 1.4 dati ampiezza e Q, calcolare gli spettri in uscita 28/02/2004-13 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-14 ETLCE - A2-2004 DDC Trasconduttanza per ampio segnale Piccolo segnale: Ampio segnale: (fondamentale!) G m (x) è la trasconduttanza per ampio segnale dipende da g m e da x 28/02/2004-15 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-16 ETLCE - A2-2004 DDC Variazione del guadagno Tabella Gm(x) All aumentare del segnale di ingresso diminuisce il guadagno Per segnale di ingresso molto piccolo (x 0) Gm(x)/gm = 1 (piccolo segnale) Al cresce del livello di ingresso dimunuisce Gm(x)/gm, e quindi cala il guadagno. La zona di variazione più rapida è intorno a x = 5. 28/02/2004-17 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-18 ETLCE - A2-2004 DDC Page 3 2004 DDC 3
Verifica per piccolo segnale Con segnale di ingresso 0 Per la fondamentale ritornano i risultati dell analisi per piccolo segnale 28/02/2004-19 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-20 ETLCE - A2-2004 DDC Controreazione sull emettitore R su emettitore: calcolo del guadagno La tensione di ingresso Vi viene ripartita tra V BE e R E La parte su V BE corrisponde alla V i di uno stadio senza R E La caduta su R E vale R E ic Dalla maglia di ingresso si può ricavare una relazione tra x, Gm e R E x è definito da una relazione che può essere risolta in modo approssimato, con iterazioni successive. 28/02/2004-21 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-22 ETLCE - A2-2004 DDC Applicazioni fuori linearità Sfruttare la presenza di armoniche:» amplificatore accordato su una delle armoniche Sfruttare la variazione di guadagno:» lavorare nella zona di massima compressione (x compreso tra 3 e 10 circa) oscillatori» la variazione di guadagno permette di ottenere Aβ = 1 28/02/2004-23 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-24 ETLCE - A2-2004 DDC Page 4 2004 DDC 4
Moltiplicatori di frequenza Moltiplicatori di frequenza Il segnale di ingresso ha pulsazione wi Nella Ic sono presenti le armoniche della Vi Il segnale di ingresso ha pulsazione wi Nella Ic sono presenti le armoniche della Vi Un circuito accordato estrae l armonica voluta 28/02/2004-25 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-26 ETLCE - A2-2004 DDC Moltiplicatore di frequenza: esempio Compressori di dinamica Parametri funzionali: moltiplicatore N purezza spettrale ampiezza di ingresso Parametro circuitale Q del circuito risonante Esercizio 5.1 progetto di un triplicatore di frequenza, dati il livello di ingresso e la purezza spettrale» calcolare il Q minimo richiesto per il circuito risonante Zona di compressione Il guadagno varia rapidamente con l ampiezza x del segnale 28/02/2004-27 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-28 ETLCE - A2-2004 DDC Compressore di dinamica: esempio Oscillatore sinusoidale Parametri funzionali: livelli di ingresso coefficiente di compressione Parametro circuitale Q del circuito risonante Esercizio 1.3 Analisi di un compressore di dinamica» dati i livelli di ingresso, calcolare l indice di modulazione m in uscita V V m = max min V + V max min Anello con reazione positiva, in cui il guadagno A diminuisce all aumentare dell ampiezza del segnale il livello si stabilizza per Aβ = 1. Lezione A3 28/02/2004-29 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-30 ETLCE - A2-2004 DDC Page 5 2004 DDC 5
Parametri di nonlinearità Come caratterizzare un amplificatore per quanto riguarda le nonlinearità Livello di compressione 1 db Punti di intersezione (Intercept Point ) (IP2) IP3 Come compensare gli effetti della nonlinearità predistorsione 28/02/2004-31 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-32 ETLCE - A2-2004 DDC Livello di compressione 1 db Compressione 1 db Livello in cui il guadagno cala di 1 db (rispetto alla linearità) Dalla curva di Gm(x): Gm(x) = gm- 1 db = 0,79 gm x 1,5; Vi 39 mv 28/02/2004-33 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-34 ETLCE - A2-2004 DDC Intermodulazione Disturbi in banda Segnale di ingresso: due componenti sinusoidali f1 e f2 In uscita: segnali di ingresso f1, f2 armoniche 2f1, 2f2, 3f1,... battimenti tra segnali di ingresso f2-f1, f1+f1 battimenti tra armoniche 2f1-f2, 2f2-f1,.. Esempio: Amplificatore con segnali di ingresso: Vi = Va + Vb: Fa = 1 GHz, Fb = 1,01 GHz La distorsione genera termini di ordine > 1 Vu = A Vi + B Vi 2 + C Vi 3 +... I termini A e B determinano prodotti tra armoniche II ordine: 2Fa, 2Fb, Fa-Fb, Fa+Fb III ordine: 3Fa, 3Fb, 2Fa-Fb, 2Fb-Fa I termini del II ordine vanno fuori banda I termini del III ordine generano segnali in banda non filtrabili 28/02/2004-35 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-36 ETLCE - A2-2004 DDC Page 6 2004 DDC 6
Esempio numerico Intermodulazione negli amplificatori Amplificatore con banda 900 MHz 1,1 GHz Segnali di ingresso: Vi = Va + Vb: Fa = 1 GHz, Fb = 1,01 GHz II ordine: 2Fa, 2Fb, Fa- Fb, Fa+Fb 2 GHz, 2,02 GHz, 2,01 GHz, 10 MHz Tutti segnali fuori banda, eliminabili con filtri III ordine: 3Fa, 3Fb, 2Fa- Fb, 2Fb- Fa 3 GHz, 3,03 GHz, 1,02 GHz, 0,99 GHz I termini di ordine più elevato hanno ampiezza ridotta I termini pericolosi sono quelli del III ordine Cosa interessa in un amplificatore: uscita con le stesse componenti del segnale di ingresso» no armoniche» no prodotti di intermodulazione effetti nei LNA» segnali spuri riportati nella banda FI effetti nei PA» emissione di segnali indesiderati Bassa intermodulazione = buona linearità 28/02/2004-37 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-38 ETLCE - A2-2004 DDC Armoniche in uscita Intercept Point Segnale in uscita espresso come somma di potenze Vu = K1 Vi + K2 Vi 2 + K3 Vi 3 +. Vi = A Va + B Vb Vu = K1(AVa+BVb) + K2(AVa+BVb) 2 + K3 (AVa+BVb) 3 Il termine più critico è quello del III ordine (AVa+BVb) 3 = A 3 Va 3 + 3A 2 BVa 2 Vb + 3AB 2 VaVb 2 + B 3 Vb 3 Se A e B raddoppiano» termine del I ordine (K1(AVa+BVb)) x 2» termine del III ordine (K3(3A 2 BVa 2 Vb)) x 2 3 = x 8 Al crescere del segnale di ingresso la potenza delle armoniche aumenta più rapidamente rispetto alla potenza della fondamentale La distorsione genera segnali spuri in banda non possono essere filtrati aumentando il segnale, Pout il livello delle armoniche cresce più rapidamente IP3 della fondamentale Intercept Point III ordine (IP3) fondamentale e termini di III armonica hanno la stessa ampiezza non raggiunto per la compressione Fond. III armonica IP3 Pin 28/02/2004-39 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-40 ETLCE - A2-2004 DDC Altri intercept point Compensazione della nonlinerità E possibile definire IP per i prodotti di ordine qualsiasi Ordine basso Cresce lentamente Espansore di dinamica Introduce una distorsione tale da compensare quella dovuta alla compressione Riduce il contenuto di armoniche Ordine elevato Coefficienti bassi I termini più pericolosi sono quelli del III ordine 28/02/2004-41 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-42 ETLCE - A2-2004 DDC Page 7 2004 DDC 7
Espansore di dinamica Sommario lezione A2 Re eliminare le armoniche» amplificatori accordati» moltiplicatori di frequenza» compressori di dinamica» oscillatori Parametri significativi:» livello di compressione 1 db» livello IP3 28/02/2004-43 ETLCE - A2-2004 DDC 28/02/2004-44 ETLCE - A2-2004 DDC Prossima lezione (A3) Oscillatori sinusoidali» principio di funzionamento» circuiti risonanti circuiti» oscillatori con circuiti LC e a trasconduttanza negativa ( g m )» circuiti differenziali Riferimenti nel testo» oscillatori sinusoidali 1.2.4 Prerequisiti» Sistemi con reazione» Amplificatori a transistore con ampio segnale» Reti R L C (circuiti risonanti) 28/02/2004-45 ETLCE - A2-2004 DDC Page 8 2004 DDC 8