Electrónica de Comunicaciones CONTENIDO RESUMIDO: 1- Introducción. 2- Osciladores. 3- Mezcladores y su uso en modulación y demodulación. 4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos. 5- Amplificadores de pequeña señal para RF. 6- Amplificadores de potencia para RF. 7- Moduladores. 8- Demoduladores. 9- Tipos y estructuras de receptores de RF. 10- Tipos y estructuras de transmisores de RF. 11- Transceptores para radiocomunicaciones. ATE-UO EC piezo 00

4- Filtros pasa-banda basados en resonadores piezoeléctricos Idea fundamental: Conseguir una respuesta en frecuencia de filtro ideal pasa-banda vs/ve, vs/vg, [dB] f [Hz] ATE-UO EC piezo 01

Filtro pasa-banda elemental (I) vg Rg Filtro + RL - vs L C Rp Notación: wr = 1/(LC)1/2 XL(w)= jw·L XC(w)= -j/(w·C) XLr = jwr·L XCr= -j/(wr·C) = -XLr QF = L·wr/Rp GV = vs/vg QR, QF f 0,5·f 1,5·f -20 -40 -60 GV [dB] 1, 100 10, 100 1, 20 10, 20 Supongamos: RL = Rg = R Definimos: QR = L·wr/R ATE-UO EC piezo 02

Filtro pasa-banda elemental (II) QF = L·wr/Rp QR = L·wr/R GV = vs/vg ¿Es físicamente posible tener valores como QR =1000? Ejemplo: R = 100 W, fr = 10 MHz QR, QF f 0,5·f 1,5·f GV [dB] -20 -40 -60 -80 QR 1 10 100 1000 L 1,59 mH 15,9 159 1,5 C pF 0,15 100, 100 100, 20 1000, 100 1000, 20 No, porque sería CP > C CP C L ATE-UO EC piezo 03

Solución: usar resonadores piezoeléctricos Recordatorio del comportamiento de los cristales piezoeléctricos Ejemplo: cristal de mP de 10 MHz Rp = 20 W, L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF Por tanto: QF = L·wr/Rp = 47.237  Es un valor altísimo, no alcanzable con componentes discretos. Z(f) 200 Hz 10,0236 10,024 10,0244 f [MHz] Im(Z) [MW] 1 -1 ATE-UO EC piezo 04

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (I) Cristal de 10 MHz: R = 100 W, Rp = 20 W, L = 15 mH, C = 0,017 pF y CO = 3,5 pF f [MHz] 9,9 GV [dB] -20 -40 -60 -80 9,92 9,94 9,96 9,98 10 Cristal con su Co Cristal sin su Co ¿Cómo podemos cancelar la capacidad parásita Co? ATE-UO EC piezo 05

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (II) Como Co y Cext = Co soportan tensiones de igual magnitud y de signo contrario, entonces: iCo2 = -iCo1 Luego las dos corrientes se cancelan y no llegan a la carga vg Rg + RL - vs Cext = CO CO L C Rp 1:n:n iCo1 iCo2 ATE-UO EC piezo 06

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (III) Puede anularse la influencia de la inductancia magnetizante del transformador por resonancia Filtro vg Rg + RL - vs L C Rp 1:n LM CR ATE-UO EC piezo 07

Idea inicial sobre un filtro pasa-banda con un cristal de cuarzo (IV) Circuito final LM CR Filtro vg Rg + RL - vs Cext 1:n:n ATE-UO EC piezo 08

Filtro en celosía con dos cristales (I) vg Rg + RL - vs 1:n:n XT1: fRS1, fRP1 XT2: fRS2, fRP2 Se eligen los cristales de forma que: fRP1 = fRS2 10 f [MHz] Im(Z) [kW] 50 -50 10,005 fRP2 fRS2 fRP1 fRS1 ATE-UO EC piezo 09

Filtro en celosía con dos cristales (II) Rp1 C1 L1 CO2 Rp2 C2 L2 ZXT1 ZXT2 XT2: fRS2, fRP2 XT1: fRS1, fRP1 QXT1 = L1·wr/Rp1 QXT2 = L2·wr/Rp2 Supongamos: n = 1; Rg = RL = R GV = vs/vg = R(ZXT2 – ZXT1) 4·R2 + ZXT2·ZXT1 + 2·R·(ZXT2 + ZXT1) (aquí no demostrada) ATE-UO EC piezo 10

Filtro en celosía con dos cristales (III) Supongamos: n = 1 Rg = RL = R QXT = L·wr/Rp =105 GV [dB] -20 -40 -60 10 f [MHz] 10,010 Qfiltro = L·wr/R Transformador resonante 200 5·103 103 ATE-UO EC piezo 11

Filtro en celosía con cuatro cristales (I) Realización física 1 Filtro vg Rg + 1:1 RL - vs XT1: fRS1, fRP1 XT4: fRS1, fRP1 XT2: fRS2, fRP2 XT3: fRS2, fRP2 ATE-UO EC piezo 12

Filtro en celosía con cuatro cristales (II) Realización física 2 XT1: fRS1, fRP1 XT2: fRS2, fRP2 XT3: fRS2, fRP2 XT4: fRS1, fRP1 Filtro vg Rg + RL - vs XT2 XT3 XT1 XT4 ATE-UO EC piezo 13

Filtro en celosía con cuatro cristales (III) Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada) Supongamos: XT1 = XT4; XT2 = XT3; Rg = RL = R Definimos: R·(ZXT2 – ZXT1)2 4·R·ZXT2 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT2)·(ZXT2 + ZXT1) Y1 = R·(ZXT2 – ZXT1)2 4·R·ZXT1 + 2·ZXT2·ZXT1 + (2·R + ZXT1)·(ZXT2 + ZXT1) Y2 = R·(ZXT2 – ZXT1) 2·R + ZXT1 Y3 = Entonces: GV = vs/vg = R·(Y1 + Y2) + ZXT1·Y1 + ZXT3·Y3 + 1 1 ATE-UO EC piezo 14

Filtro en celosía con cuatro cristales (IV) Supongamos: QXT = L·wr/Rp =105 GV [dB] -20 -40 -60 10 f [MHz] 10,010 Qfiltro = L·wr/R 1333,3 2000 4·103 Transformador resonante ATE-UO EC piezo 15

Comparación de los filtro con uno, dos y cuatro cristales GV [dB] -20 -40 -60 10 f [MHz] 10,010 Qfiltro = L·wr/R 4XT, Qfiltro = 2000 2XT, Qfiltro = 2000 1XT, Qfiltro = 10000 1XT, Qfiltro = 2000 ATE-UO EC piezo 16

Filtro en escalera con dos cristales (I) Inconveniente de los filtros en celosía: los cristales tienen que ser de dos frecuencias Solución: filtros en escalera. Los cristales son de la misma frecuencia Filtro vg Rg + RL - vs CP XT1 XT2 XT1 = XT2 ATE-UO EC piezo 17

vg vs Filtro en escalera con dos cristales (II) ZXT R + ZCP - R·ZCP Función de transferencia GV = vs/vg (no demostrada) Supongamos: Rg = RL = R vg R + - vs ZCP ZXT GV = vs/vg = R·ZCP (R + ZXT)·(R + ZXT + 2·ZCP) ATE-UO EC piezo 18

Filtro en escalera con dos cristales (III) Definimos: QXT = L·wr/Rp; Qfiltro = L·wr/R; QCP = R·CP·wr GV [dB] -20 -40 -60 10 f [MHz] 10,010 QCP; Qfiltro 0,5; 10000 0,5; 5000 1; 10000 1; 5000 Supongamos: QXT =105 ATE-UO EC piezo 19

Filtro en escalera con cuatro cristales vg R + - vs ZXT ZCP Filtro a cristal del Iler 40 Filtro a cristal del Iler 20 ATE-UO EC piezo 20

Ejemplos de otros filtros en escalera Cristales de 8 MHz Transformadores para adaptar impedancias Cristales de 8,467 MHz Kit KN-Q7 ATE-UO EC piezo 21

Parámetros de definición de filtros a cristal GV/GV max [dB] -20 -40 -60 Rizado Ancho de banda (DB) Rizado DB 6 dB Frecuencia central Pérdidas de inserción. Impedancia de terminación (R y C) Atenuación final Factor de forma a 60 o a 80 dB Factor de forma a 60 dB = = DB/DF60dB Df 60dB ATE-UO EC piezo 22

Otros filtros basados en materiales piezoeléctricos Los filtros a cristal de cuarzo son muy efectivos, pero son caros Se pueden usar otros materiales piezoeléctricos artificiales de precios muy inferiores Se comportan de una forma similar, pero con peores características Otros tipos de filtros piezoeléctricos: Filtros cerámicos  f  0,45-60 MHz; Qdispositivo  800-2000; Pinserción  3-4dB Filtros de ondas acústicas superficiales (Surface Acustic Waves, SAW)  f  20-1000 MHz; f/DB  2-100; DB/DF60dB  1:1,5; Pinserción  10-30dB ATE-UO EC piezo 23

Filtros cerámicos (I) Los materiales piezoeléctricos cerámicos usados son del tipo titanato-circonato de plomo o niobato de sodio-potasio La forma característica es de un disco de material cerámico con electrodos depositados Ejemplo: resonador cerámico para amplificador de Frecuencias Intermedias (FI) de 455 kHz: Circuito equivalente: Rp = 20 W L = 8,7 mH C = 14 pF y CO = 180 pF Qresonador =1000 Circuito externo: Rg = RL = R = 100 W GV [dB] -20 -40 -60 400 f [kHz] 500 0,4 mm Con CO Sin CO 5,6 mm ATE-UO EC piezo 24

Filtros cerámicos (II) Filtro de un único resonador cerámico y circuito resonante (híbrido): Aspecto Filtro de varios resonadores cerámicos: ATE-UO EC piezo 25

Filtros cerámicos (III) Filtro cerámico monolítico: Aspecto Símbolos Conexión ATE-UO EC piezo 26

Filtros de ondas acústicas superficiales, SAW Se basan láminas finas de materiales piezoeléctricos tipo niobato de litio (LiNbO3) que actúan como sustrato En los extremos se depositan electrodos de aluminio en forma de “dedos” “Dedos” vg + Rg + - vs RL Substrato piezoeléctrico La onda acústica superficial generada se traslada por el substrato, alcanza los “dedos” de salida y genera tensión en la carga La frecuencia de filtrado depende de las dimensiones ATE-UO EC piezo 27

Ejemplos de filtros SAWs ATE-UO EC piezo 28