Medición de Amplificadores

Presentación del tema: "Medición de Amplificadores"— Transcripción de la presentación:

1 Medición de Amplificadores
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Unidad Temática Nro. 13 Medición de Amplificadores Rev /10/2012

2 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Introducción Existen varios motivos para realizar mediciones sobre los amplificadores de audio: Por parte del fabricante, proveer una especificación de performance del equipo y garantizar que el mismo se encuentra dentro de los valores de diseño. Por parte del equipo de mantenimiento, verificar que el equipo sigue funcionando dentro de los limites aceptados. Por parte del usuario, verificar que las especificaciones del fabricante son correctas y poder comprar la performance de distintos equipos. A su vez, ensayar condiciones que el fabricante pudo haber omitido o caracterizar un equipo del que no se cuenta con especificaciones.

3 Curvas de ponderación (Weighting)
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Curvas de ponderación (Weighting) En las mediciones de audio aparecen consideraciones respecto a la respuesta del oído. Dicha respuesta no es plana para el rango de frecuencias audibles y a su vez varía según el nivel de presión sonora. Las curvas de Fletcher-Munson muestran este efecto. Las mismas son curvas de sensación sonora en función de la frec. , parametrizadas en nivel de presión sonora. Estas cuestiones llevan a la utilización de filtros de ponderación (Weighting) de forma de que los resultados de las mediciones se correspondan con la percepción del oído. La ponderación se utiliza mayormente al realizar mediciones de nivel de ruido.

4 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Curvas de ponderación La curva A fue la primera en aparecer. Deriva de las curvas de Fletcher Munson para un nivel de 40 Phon. Esta curva representa la respuesta a un tono único. Desestima en gran medida las componentes de baja frecuencia. No se ajusta bien para niveles diferentes o para mediciones de ruido. A pesar de esto sigue utilizándose. (en especial para ruido ambiente)

5 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Curvas de ponderación La curva A no daba énfasis en la zona de 6KHz, donde el oído es mas sensible al ruido. Para ajustarse mejor a este hecho, se creo la curva ITU-R_468 conocida también como CCIR. Nótese el realce de esta curva en la zona de los 6KHz

6 Principales mediciones de performance
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Principales mediciones de performance Los tests mas importantes para caracterizar la performance de un amplificador de audio son los siguientes: Distorsión Distorsión por intermodulación (IMD) Relación señal ruido (SNR) Respuesta en frec. / Fase Rango Dinámico Relación de rechazo de modo común (CMRR) Separación de canales (crosstalk) Slew Rate

7 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión Es una medida de las señales indeseadas que aparecen a la salida del amp. Existen 2 variantes de esta medición: THD ( o DAT) y THD + N THD Mide la alinealidad del amp. que causa la aparición de armónicas de las señal de entrada. Se excita el amp con un tono simple. Se examina la salida en busca de las componentes armónicas N.fo Para el análisis puede utilizarse un AE, un analizador de señal, un analizador de Fourier, etc. El valor de THD se calcula luego con la siguiente expresión: Nota: No confundir Vn con Vnoise Donde V1 es la tensión RMS del tono fundamental a la salida del amp. , V2 la tensión RMS de la 2da armónica, etc. Nota: En algunos textos se define THD como relación de potencias. Si bien arrojan idénticos valores en dB, el valor en % es diferente. Esta medición es complicada y no se hace normalmente. Es mas común THD+N THD+N siempre es mayor que THD, por lo que especificar THD puede ser una estrategia de venta. La especificación DEBE detallar las condiciones de prueba (fo, nro armónicas, nivel de fo, Ganancia, ancho de banda). Ej: THD (5to orden) menos de 0.01%, 1KHz, +4dBu, 20-20KHz, ganancia unitaria.

8 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión THD + N Es similar a la THD excepto que incluye el ruido en el análisis. Es la relación entre la suma RMS de todas las armónicas y ruido dentro del ancho de banda, a la fundamental. Como es mas simple de instrumentar, se usa un calculo aproximado: Generalmente se realiza eliminando la fundamental con un filtro Notch y midiendo todo lo que queda en el ancho de banda del medidor utilizado (Typ: 22KHz, 30KHz u 80KHz) Al eliminar la fundamental se mide tanto distorsión como ruido. Se trata de una medición relativa ya que se compara el residuo del filtrado contra la señal completa. El resultado de la medición debe mencionar los siguientes parámetros: fo, Nivel de fo, BW, Cantidad de armónicas dentro del BW, Tipo de filtro (si se utiliza alguno).

9 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Diagrama en bloques de un medidor de THD+N manual El bloque fundamental es el filtro notch sintonizable. El selector de rango de tensión atenúa las señales al nivel adecuado. El conversor de impedancia provee una etapa de bajo ruido y distorsión, alta impedancia y ganancia constante e independiente de la fuente. El atenuador no calibrado (SET LEVEL) permite ajustar el nivel de señal a fondo de escala durante la calibración. Generalmente existe un filtro pasa alto para eliminar zumbido de fuente. La llave L permite seleccionar entre el modo Calibración ,medición o voltímetro. El atenuador calibrado permite tomar el valor de la medición luego de eliminar la fundamental, variando la atenuación de a pasos fijos ( ej: 10dB) El último elemento es el conversor AC-DC y el voltímetro rms. ( average en algunos) El equipo provee una salida con el residuo para analizar en un osciloscopio.

10 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Cuadripolo Utilizado para eliminar la fundamental: filtro notch con puente de wien. Ecuaciones de equilibrio: Ra=2Rb fo= 1/(2.П.R.C)

11 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión El cuadripolo pasivo tiene un rechazo pobre por si solo. Para mejorar el mismo se utilizan amplificadores realimentados. Un esquema ilustrativo es el siguiente: Para ganancias grandes, cuando B es distinto de 0, la transferencia es unitaria y cuando B-> 0, la transferencia tiende a 0 también. A mayor ganancia de lazo, mayor selectividad del filtro.

12 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión

13 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión

14 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Circuito real de un filtro notch con estructura puente de Wien Factor de selectividad Ganancia en banda pasante

15 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Proceso de medición: Seleccionar el mayor rango de tensión de entrada adecuado. Calibrar la indicación del instrumento. Para esto se coloca la llave L en la posición CAL y se coloca la señal a la entrada. Se opera sobre el atenuador no calibrado hasta que la indicación del instrumento sea 100%. Luego se pasa a la posición MED. Con lo cual se activa el filtro y se elimina fo. La indicación del instrumento será notablemente menor. Luego se procede a ajustar el puente. Es necesario ajustar la sintonía y el balance. La sint. se ajusta operando sobre la rama R-C. El balance opera la rama resistiva del puente de wien. A medida que se sintoniza el puente, la indicación disminuye. Al obtener la mínima indicación, disminuir la atenuación del atenuador calibrado y repetir el proceso. Al llegar al último valor del atenuador calibrado posible, se puede leer la distorsión directamente. A medida que se realiza el ajuste puede utilizarse un osciloscopio para ir verificando el mismo. El ajuste de la frecuencia debe hacerse hasta que el residuo de salida es un tono en fase con la fundamental. Luego con el control de balance se termina de anular el residuo. Existen equipos que realizan todo este proceso automáticamente. Los mismos tienen generalmente 2 opciones de frecuencia de filtro de 1K y 400Hz, aunque también existen equipos automáticos que permiten elegir la frec fundamental. Para una explicación mas detallada del proceso de medición, referirse al manual del equipo LDM-170 ( Leader:LDM170_Manual.pdf)

16 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión El setup de la figura permite analizar el residuo de la señal mediante la salida del medidor. Esto permite comparar la entrada con el residuo a medida que se hace el ajuste de los controles. La figura inferior muestra como varia la visualización a medida que se ajusta el filtro. Si el residuo no esta en fase con la fundamental, Se debe seguir ajustando fo. Luego se opera sobre el balance. Asimismo, si el residuo de la señal se conecta al canal horizontal del ORC, se puede formar una figura de Lissajous como se ve a continuación.

17 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Al utilizar la salida del medidor de distorsión junto con la señal a medir para trazar figuras de Lissajous, se pueden obtener los siguientes gráficos: La primer figura muestra las gráficas obtenidas durante el ajuste de los controles. La figura siguiente muestra las gráficas formadas con el residuo de la señal filtrada. De estas pueden extraerse conclusiones sobre cual es la armónica preponderante de la señal.

18 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión También pueden visualizarse otras características de la distorsión existente como se muestra en las siguientes gráficas de Lissajous

19 Distorsión – Medidores automáticos
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores automáticos Son equipos que tienen la característica de realizar el ajuste del puente automáticamente. Esto acelera el proceso de medición y minimiza el error de ajuste. El proceso de ajuste se basa en la medición del residuo para operar sobre los controles de frecuencia y balance del puente. El ajuste de frecuencia se realiza en proporción a las componentes en cuadratura del residuo respecto de la fundamental. El balance se ajusta en proporción a las componentes en fase del residuo respecto de la fundamental. Antes de pasar a modo automático, el filtro debe ser sintonizado cerca de f1.

20 Distorsión – Medidores automáticos
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores automáticos

21 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Al realizar las mediciones de distorsión debe tenerse en cuenta la distorsión introducida por el generador, según se muestra en el setup siguiente:

22 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión La distorsión del generador varía con la frecuencia y el nivel de salida. Las curvas siguientes muestran las variaciones típicas.

23 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión La Siguiente figura muestra la distorsión del generador y del equipo en función de la frecuencia. Para la medición conviene seleccionar la frecuencia donde la distorsión del generador sea despreciable. Si la misma no puede despreciarse, deberá corregirse la medición mediante la siguiente ecuación:

24 Distorsión – Especificaciones típicas
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Especificaciones típicas Especificaciones del equipo LEADER LDM-170.

25 Distorsión – Especificaciones típicas
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Especificaciones típicas

26 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Existen equipos analizadores de audio que realizan las mediciones automáticamente variando en forma continua los parámetros de interés. Con ellos es posible obtener las siguientes curvas por ejemplo. En la primera se ve la distorsión para todo el rango de frecuencias, donde se aprecia el incremento en bajas frecuencias debido al ruido 1/f y en altas frecuencias debido a alinealidades como crossover. En la grafica inferior, el incremento en baja potencia se debe a la baja relación S/N y en alta se debe a recorte.

27 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión SINAD Es otra forma de representar la THD+N

28 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión

29 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión Proceso de medición: A diferencia de los anteriores, este equipo no necesita ningún ajuste. Posee un filtro de 1KHz fijo, por lo que solo puede trabajar a esa frec. A diferencia de los anteriores, el SINADER posee un AGC en su entrada de forma de que el nivel de la señal a la entrada del filtro se mantiene siempre constante. De esta forma, no hace falta el proceso de calibración pues la indicación siempre esta referida al mismo valor. Debe tenerse cuidado de no exceder el rango de tensiones de entrada permitido. Al colocar la señal de entrada, comienza la medición y ya se cuenta con la indicación del SINAD.

30 Distorsión – Medidores de distorsión
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Distorsión – Medidores de distorsión

31 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Voltímetro selectivo Permite analizar las componentes espectrales de salida de un equipo. Básicamente se trata de un filtro pasabanda sintonizable por donde se hace pasar la señal a analizar y la salida del mismo se mide con un voltímetro de banda ancha. Se analizará solo el tipo de BW absoluto constante. (filtro con BW fijo) A continuación se muestra el diagrama básico del equipo HP3581 Referirse al manual del equipo HP3581 para mas información

32 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Voltímetro selectivo Su principio de funcionamiento es muy similar al de un AE heterodino. Consta de un mezclador que traslada las frecuencias de entrada a una FI (100KHz). Las señales trasladadas a la FI son filtradas por una serie de filtros a cristal de BW seleccionable. La salida de la etapa de FI es amplificada ( en escala lineal o log) y enviada a un circuito detector. El circuito detector obtiene el valor pico de la señal y presenta en pantalla el valor de la componente sintonizada. La sintonía se realiza a través de un oscilador local ajustable por el usuario. Posee también un circuito de control automático de frecuencia para mantener la estabilidad de la medición. La frecuencia a la que está sintonizado el equipo se indica en un display. El equipo permite hacer una sintonía manual o realizar barridos automáticos. Posee disponible una salida de tracking para realizar ensayos de respuesta en frec. (medición de lazo cerrado). Permite hacer mediciones absolutas o relativas mediante el vernier de ajuste. Permite analizar tanto distorsión como productos de intermodulación.

33 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Voltímetro selectivo

34 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD Es la aparición de componentes indeseadas al ingresar múltiples tonos a un dispositivo alineal. (en contraste con THD donde se trata de componentes armónicas de un solo tono) Se analiza generalmente el comportamiento del sistema al ingresar al mismo la suma de dos tonos puros. (mas cantidad de tonos hace complicado el análisis ) Los productos de intermodulación generados son , Donde M, N= 0,1,2,….. Se define como orden de los productos de intermodulación a la suma de M+N. La intermodulación puede ser filtrada en sistemas de banda angosta, pero la de 3er orden es de especial importancia por ser difícil de filtrar

35 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD La amplitud de las componentes depende del valor de la fundamental. Para el caso de un solo tono (THD) se tiene: donde A es la amplitud de la fundamental y an es la funcón transferencia para cada componente Se ve que la amplitud de las componentes de orden 2 y 3 depende de A2 y A3 respectivamente. Un aumento del nivel de la fundamental en 6dB por ej hará que el nivel de la 2da y 3er armónica suban 12 y 18 dB respectivamente.

36 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD Para los productos de intermodulación sucede lo mismo, los productos de mayor orden sufren incrementos relativos mayores que los de menor orden. Esto permite trazar un gráfico del nivel (o potencia) de los IMP en función del nivel (o potencia) de alguna de las fundamentales (generalmente tienen el mismo nivel). En este gráfico se definen los puntos de Intersección de segundo y tercer orden. El valor de estos puntos es un factor de mérito del equipo.

37 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD En la práctica, las curvas nunca se cortan y el punto de intersección es teórico. Como se conocen las pendientes de las curvas, si se toma la medición de un punto, puede calcularse el valor del punto de intersección correspondiente. Ej: Pf1=10dBm = Po, pIM3=-40dBm TOIP = Po + pIM3[dBc] / dBc= dB Carrier (relativo a la fundamental) TOIP= 10 + (10dB - (-40dB) )/2 TOIP= 35dBm Inversamente, conociendo el TOIP puede calcularse el IMP para una potencia determinada.

38 IMD – Métodos de medición
UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD – Métodos de medición Evalúa los productos de distorsión que no están armónicamente relacionados a la señal de entrada. Existen 2 métodos principalmente: SMPTE y ITU-R (CCIF) SMPTE Method Se utilizan 2 señales de entrada: una baja de 60Hz y una alta no relacionada armónicamente de 7KHz. Ambas se suman en una relación de amplitudes 4:1. Dependiendo la norma, pueden establecerse otras frecuencias y relaciones de amplitud. La salida se examina para verificar si existe modulación de la alta frec por la baja. El análisis se realiza con los mismos instrumentos que para THD. Se expresa como resultado la relación entre las amplitudes de las bandas laterales y la portadora.

39 IMD – Métodos de medición
UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD – Métodos de medición El espectro de salida se verá como muestra La figura 25. Si se eliminan las componentes de baja frecuencia, el remanente es una modulación de AM. Si la señal de baja frecuencia es de 60Hz por ejemplo, las bandas laterales estarán a 60Hz, 120Hz …. etc de la portadora. Se usa un demodulador para extraer las bandas laterales. Estas se miden con un voltímetro true RMS calibrado en porcentaje respecto a la portadora. Este valor es el índice de intermodulación

40 IMD ITU-R (CCIF) Method
UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD ITU-R (CCIF) Method En este método se analizan las alinealidades producidas por 2 tonos próximos de alta frecuencia. Los tonos tendrán la misma amplitud. Generalmente se utilizan tonos separados 1KHz. Utilizando frecuencias de 3 y 4KHz se obtiene un espectro de intermodulación como el de la figura:

41 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD Para sistemas cuyo ancho de banda es todo el rango de audio, se suele usar 19KHz y 20KHz. Esto da un producto de IMD de 2do orden en 1KHz, muy fácil de medir con el setup de la figura 27. Este método simplificado tiene la limitación de medir solo la IMD de 2do orden. El resultado es Análisis mas detallados se efectúan con analizadores de Fourier donde pueden tenerse en cuenta todos los productos de IMD. Sin embargo este método no arroja un simple resultado numérico como el simplificado y su análisis requiere un conocimiento detallado del efecto de intermodulación.

42 UTN FRBA Medidas Electrónicas II IMD Cuando se trata de amplificadores de mas alta frecuencia, puede también medirse la IMD utilizando 2 generadores y un power combiner. En este caso, es importante que la señal de un generador no llegue a la salida del otro. Para evitar esto se utilizan filtros y atenuadores. El power combiner de por si aporta cierto grado de aislacion entre puertos.

43 UTN FRBA Medidas Electrónicas II SNR Este parámetro da una indicación del nivel de ruido a la salida del amplificador. La relación se calcula midiendo el ruido a la salida del equipo sin señal de entrada y relacionándolo con un nivel de referencia. Para eliminar la señal de entrada se deja el generador conectado y se setea su amplitud de salida a 0 o bien se desconecta el generador y se coloca a la entrada del amp. Una impedancia igual a la de salida del generador. Se mide el ruido a la salida con un voltímetro rms. Se debe tener en cuenta el ancho de banda del voltímetro así como su función de ponderación si se utiliza. El nivel de referencia puede ser el máximo nivel de salida u otro nivel siempre y cuando se especifique. Ej: S/N= 90dB , re +4dBu, 22KHz BW, flat, Ganancia unitaria.

44 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Rango Dinámico Este parámetro da la relación entre el máximo nivel de salida del amplificador y el mínimo nivel de ruido. El ruido se mide de la misma forma que en el parámetro anterior. El nivel de salida máximo puede tomarse de las especificaciones del fabricante si existe. Otra forma de evaluar el mismo es incrementar la señal de entrada hasta obtener recorte en la salida. Una vez alcanzado este punto se baja el nivel de entrada de forma de obtener el máximo valor de salida sin recorte. Como este punto suele ser ambiguo, se suele definir el mismo como el máximo nivel de salida para el cual la distorsión se mantiene debajo de un valor especificado. (Ej: Max Output Power = 10W @ THD <1%) Este valor se usa para el cálculo de la relación. Salvo para equipos con procesamiento digital, si se especifica que la medición se realizó con una ponderación A-Weighted, generalmente se debe a que se trata de eliminar ruidos de baja frecuencia de forma de obtener un valor de rango dinámico mas atractivo. Esto puede ser una estrategia de venta ya que la ponderación A no se ajusta bien a la percepción del oído frente al ruido.

45 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Separación de canales También llamado crosstalk. A pesar de esto, crosstalk es mas adecuado para designar a la interferencia de dos señales que no están íntimamente relacionadas y separación se utiliza para señales como por ejemplo 2 canales L y R de un equipo. Esta medición evalúa que cantidad de señal de un canal interfiere con otro. También aplica a los canales L y R de un sistema stereo. Para la medición, se excita un canal con una determinada frecuencia y amplitud y se mide el nivel en dicha salida. El segundo canal se deja o bien con el generador conectado y salida 0V o con una impedancia a masa igual a la interna del generador. En esta condición se mide el nivel a la salida del segundo canal con un voltímetro rms. La relación entre el nivel del segundo canal y el principal se expresa en dB y es la separación de canales. Es importante especificar a que frecuencia se realiza la medición pues en muchos casos el acoplamiento se debe a condiciones de layout y efectos capacitivos por lo que depende en gran parte de la frecuencia.

46 Respuesta de frec. y fase.
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Respuesta de frec. y fase. Este parámetro especifica el rango de frecuencias de trabajo del equipo. Para su medición se toma un tono de referencia, usualmente 1KHz. Dicho tono debe tener una amplitud fija y precisa. Esa referencia se tomara como el 0dB. Luego se varía la frecuencia y se calcula la ganancia con la expresión siguiente: Para la medición de fase se puede utilizar un osciloscopio y medir la diferencia de tiempo entre las señales de entrada y salida. Luego se aplica la siguiente expresión para obtener la respuesta de fase:

47 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Rechazo al modo común. Para equipos que cuentan con entrada de señal diferencial, este parámetro caracteriza el rechazo de dicha entrada a señales en modo común. Las señales de modo común generalmente son interferencia de RF, interferencia electromagnética , señales acopladas por lazos de masa o problemas de layout. Para su medición se toma nota de la ganancia del equipo. Se excitan ambas líneas de la entrada diferencial con un mismo generador, a través de dos resistencias idénticas de valor igual a la mitad de la impedancia interna del generador. Se mide la salida con un voltímetro RMS y se calcula luego la relación entre el valor de la señal de entrada y este valor. Se multiplica esta relación por la ganancia y se expresa en dB. Debe indicarse para que frecuencia se realizo la medición pues el rechazo puede depender de la misma. CMRR = AVd / AVc CMRR = (Vic/Voc). AVd

48 UTN FRBA Medidas Electrónicas II SLEW RATE Se define como la máxima relación de cambio de la salida como respuesta a una excitación escalón. Esta limitación esta dada por la respuesta en frecuencia del equipo y por la tecnica de compensación de fase utilizada.

49 Compresión de 1dB UTN FRBA Medidas Electrónicas II Típicamente se espera que un amplificador muestre una relación lineal entre entrada y salida, representando ésta relación su ganancia A medida que aumenta la potencia de entrada al amplificador, comienza a aparecer cierto apartamiento en esta relación lineal, para entrar en la zona de saturación Esta desviación creciente es debida a la compresión del amplificador, y comienza generalmente 5 a 10 dB antes del punto de compresión de 1dB Este fenómeno es una característica destacable en los amplificadores de RF, y se toma como valor de mérito cuando el apartamiento es de 1dB respecto al valor lineal El mismo se indica para un frecuencia de referencia, y puede indicarse con la potencia de entrada (Pin) o la de Salida (Pout)

50 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Compresión de 1dB También puede realizarse la gráfica considerando el apartamiento de la ganancia nominal del amplificador Se parte siempre de una potencia que no sobre cargue el amplificador y se aumenta de manera creciente la medición Debe considerarse que la medición es necesaria que sea en banda angosta, es decir, con un instrumento selectivo como un Analizador de Espectro En el caso de utilizar un Power Meter, no debe obviarse el uso de un filtro que mitiguen el efecto de los armónicos propios de la distorsión en la medición Un VNA con la función de barrido en potencia también es perfectamente aplicable

51 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Compresión de 1dB Para realizar la medición del punto de compresión del amplificador debe utilizarse típicamente un Atenuador en la entrada del Analizador de Espectro para protegerlo de una potencia excesiva Antes de realizar la medición con un Analizador de Espectro debe realizarse una calibración (normalización), para tener en cuenta las pérdidas de inserción de los cables, conectores, atenuador, etc. Antes de realizar la medición con un VNA, debe realizarse la calibración correspondiente Setup con Analizador de Espectro Setup con VNA y Generador de RF

52 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono Considerando que un amplificador, no ideal, ya no posee solamente un término lineal sino las alinealidades. Puede aproximarse con el polinomio de Taylor de la forma: Donde: Tensión de salida del amplificador Tensión de entrada al amplificador Componente de DC Ganancia de Tensión Coeficientes de alinealidad del amplificador Para el caso de excitar con un único tono se tiene: Considerando que: y que

53 Alinealidades – 1 Tono Da como resultado:
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono Da como resultado: Lo cual muestra que la falta de linealidad del amplificador traerá como consecuencia directa la aparición de componentes de frecuencias distintas a la original, relacionadas armónicamente con la fundamental Notar que las amplitudes de las alinealidades dependen directamente de los coeficientes del polinomio que varían de amplificador a amplificador Los coeficientes de 2do y 3er orden, aumentan respectivamente su amplitud 2dB y 3dB por cada dB que aumente la amplitud de la fundamental, en síntesis, una variación de en la entrada produce en el armónico una variación de

54 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono La relación entre los armónicos y la fundamental depende de: La potencia de entrada El orden del armónico Los coeficientes “ak” del polinomio Debe buscarse un valor de mérito para caracterizar el amplificador que sea independiente de estos valores mencionados para poder comparar distintos amplificadores uno contra otro en una especificación.

55 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono Se define el punto de intercepción de 2do armónico (SHI, 2nd Harmonic Intercept) para tener un valor comparativo El SHI es el nivel de potencia que causa un valor igual de fundamental y de 2da armónica en la salida del amplificador, considerando ideal el amplificador Este valor es ficticio y en la realidad no se alcanza por la compresión del amplificador El SHI puede darse en la entrada o en la salida del amplificador

56 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono Para medir la distorsión armónica de 1 tono al amplificador debe ingresar: Una potencia lo suficientemente chica como para asegurar que el mismo se encuentra en su zona lineal y no ha empezado a comprimir Una potencia lo suficientemente grande como para que los productos de su alinealidad queden bien por encima del piso de ruido del instrumento medidor El SHI se calcula a partir de una única medición como: SHI_In (dBm) = Pin(dBm) + ∆P2 (dB) SHI_Out (dBm) = SHI_In(dBm) + G(dB) y considerando que Pout(dBm) = Pin (dBm) + G(dB) se tiene también que: SHI_Out (dBm) = Pout(dBm) + ∆P2 (dB)

57 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono Para el caso de medir el SHI con un Analizador de Espectro puede utilizarse el siguiente setup, realizando una normalización tal como se hizo para la compresión La inclusión del filtro pasa bajos, atenúa la distorsión armónica del propio generador, de manera tal que se parezca más a un generador ideal Debe tenerse presente las alinealidades propias del mezclador del Analizador de Espectro, realizando el gráfico de Rango Dinámico del mismo Durante la medición, debe variarse el atenuador en 10dB y no debería notarse un cambio significativo del valor medido (<1dB), como indicación que el mixer no es el responsable de las alinealidades medidas

58 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 1 Tono

59 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos En un caso real, es muy posible que a un amplificador ingresen más de una componente Cuando esto ocurre es muy importante el efecto alineal del amplificador, porque ahora aparecen componentes espectrales que son mezcla de éstas. En general se especifica sólo con 2 tonos porque aumentar la cantidad de tonos aumenta la complejidad del problema pero no aporta más datos sobre el amplificador Se excita en la misma función transferencia del amplificador no lineal: En este caso se utiliza una señal de excitación como sigue: Recordando las siguientes identidades: Distorsión de 2da armónica Distorsión de 3er armónica Productos de Intermodulación de 2do Orden

60 Alinealidades – 2 Tonos Recordando también las siguientes identidades:
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos Recordando también las siguientes identidades: Productos de Intermodulación de 3er Orden Tenemos como resultado las siguientes componentes (considerando sólo hasta 3er orden):

61 Alinealidades – 2 Tonos El resultado sería como sigue: UTN FRBA
Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos El resultado sería como sigue:

62 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos Puede verse que aparecen componentes indeseadas al ingresar múltiples tonos a un dispositivo alineal Los productos de intermodulación generados son , Donde M, N= 0,1,2,….. Se define como orden de los productos de intermodulación a la suma de M+N. La intermodulación puede ser filtrada en sistemas de banda angosta, pero la de 3er orden es de especial importancia por ser difícil de filtrar (dado la cercanía)

63 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos En general las componentes de orden impar (que salen de la resta de ambas componentes) son las problemáticas porque caen cerca de los tonos de entrada En el caso de amplificadores de banda ancha (CATV), donde se necesita amplificar en más de una octava, tanto la distorsión armónica como los productos de intermodulación de orden par serán de interés Para el ensayo, se utiliza la misma amplitud en ambos tonos Al igual que antes, ahora un cambio de en ambos tonos, causará una variación en los productos de intermodulación asociados de Se necesita definir una figura de mérito que caracterice esta alinealidad, entonces se define: IP2 o SOI (second intercept point, o punto de intercepción de 2do orden): Corresponde al nivel ficticio de potencia (definido a entrada o salida) al cual el producto de intermodulación de 2do orden exhibe el mismo nivel que la fundamental IP3 o TOI (third intercept point, o punto de intercepción de 3er orden): Corresponde al nivel ficticio de potencia (definido a entrada o salida) al cual el producto de intermodulación de 3er orden exhibe el mismo nivel que la fundamental

64 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos

65 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos El IP2 se calcula a partir de una única medición: IP2_In (dBm) = Pin(dBm) + ∆P_IM2 (dB) IP2_Out (dBm) = IP2_In(dBm) + G(dB) y considerando que Pout(dBm) = Pin (dBm) + G(dB) se tiene también que: IP2_Out (dBm) = Pout(dBm) + ∆P_IM2 (dB) El IP3 se calcula a partir de una única medición: IP3_In (dBm) = Pin(dBm) + ∆P_IM3 / 2 (dB) IP3_Out (dBm) = IP3_In(dBm) + G(dB) IP3_Out (dBm) = Pout(dBm) + ∆P_IM3 (dB) Por otro lado existe una relación entre el SHI y el IP2 / SOI a saber: SHI (dBm) = IP2 (dBm) + 6dBm

66 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Alinealidades – 2 Tonos

67 UTN FRBA Medidas Electrónicas II Medición con VNA Se utiliza un VNA para caracterizar los parámetros S de un amplificador, de manera que pueda luego utilizarse un CAD para diseñar las redes de adaptación entre etapas Dicha medición permite caracterizar: Ganancia, Aislación y Pérdidas de Retorno

68 Bibliografía Mini'Circuits, AN-60-038, “Amplifier Terms Defined”
UTN FRBA Medidas Electrónicas II Bibliografía Mini'Circuits, AN , “Amplifier Terms Defined”