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ETLCT - A4 24-Sep-02 Elettronica per le telecomunicazioni Obiettivi del gruppo di lezioni A • Informazioni logistiche e organizzative • Applicazione di riferimento Amplificatori, oscillatori, mixer – caratteristiche e tipologie di moduli • Circuiti con operazionali reazionati – amplificatori AC – filtri • A.4 - Oscillatori e Mixer » » » » » • Amplificatori con transistori Oscillatori sinusoidali circuiti LC, –gm, differenziali parametri di molt/mixer moltiplicatori a trascond, cella di Gilbert – modello lineare – effetti e uso delle nonlinearità • Oscillatori • Mixer 24-Sep-02 - 1 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 2 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Oscillatori e mixer: dove ? Low Noise Amplifier 900MHz/1GHz Canale FI RX Canale RX - I/Q XX Oscillatori di riferimento e VCO • Oscillatori e Mixer XX A/D A/D – Parametri di oscillatori – Struttura degli oscillatori sinusoidali – Circuiti amplificatore-LC, a –gm, differenziali DEM. DEM. XX O I/Q Oscillatori e sintetizzatori Mixer a radiofrequenza XX Power Amplifier 900MHz/1GHz Oscillatori in microP, DSP, memoria, .. fase/quadratura I/Q XX D/A D/A XX D/A D/A Canale FI TX RF: 0,9/2GHz BANDA BASE IF: 100 MHz MISTI A/D • Moltiplicatori e mixer CONTROLLO CONTROLLO DIGITALE TRASDUTTORI – parametri ed errori – moltiplicatori a trasconduttanza, cella di Gilbert MOD. MOD. • Riferimenti nel testo Mixer I/Q Canale TX(seconda - I/Q conversione) Interfaccia – oscillatori sinusoidali – moltiplicatori analogici D/A D/A PLL PLL O DDS DDS A/D A/D A/D A/D ANTENNA Contenuti di questa lezione (A4) utente Microf. Microf.Auric. Auric.Display, Display,Tasti Tasti 24-Sep-02 - 3 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 4 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Parametri del segnale sinusoidale Struttura di oscillatori sinusoidali • v(t) = V sen (ω t + θ) – Ampiezza – Frequenza/pulsazione – Fase • Anello di reazione V ω = 2π f θ I + D U A + • criterio di Barkhausen – condizioni su modulo e fase del guadagno di anello – poli sull’asse immaginario – oscillazioni con ampiezza costante • Caratteristiche spettrali – purezza spettrale f » componenti ad altre frequenze (armoniche, disturbi, …) fo 2fo β E U = A ⋅D D = I + E = I + βU = 3fo – rumore di fase U= » θ = θ(t) f ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 6 U A A I 1 − Aβ ∠Aβ 0 fo 24-Sep-02 - 5 1.2.4 2.2.4 Aβ 1 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 1 © 2002 DDC 1 ETLCT - A4 24-Sep-02 Guadagno e fase Circuiti risonanti LRC • Controllo del guadagno • Parametri – ωo – ξ – amplificatore con compressione per nonlinearità » il guadagno d’anello iniziale deve essere > 1 » la condizione sul modulo viene garantita dalla diminuzione del guadagno all’aumentare dell’ampiezza del segnale » la condizione |Aβ| = 1 è valida solo per una ben determinata ampiezza » Q = 1/2 ξ • relazione dissonanza • Variazione di fase Z (ωi ) Z (kωi ) – circuito risonante » unico elemento che ruota la fase è il gruppo LC » la condizione arg(Aβ) = 0 è valida solo per la frequenza di risonanza del gruppo LC 24-Sep-02 - 7 ETLCT - A4 - © 2002 DDC = Q 1 − k1 24-Sep-02 - 8 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Amplificatore e gruppo LC • • • • Esempio: Oscillatore Colpitts Amplificatore a transistore carico LC reazione positiva compressione per nonlinearità • Rete di reazione capacitiva 24-Sep-02 - 9 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 10 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Effetto del Q Trasconduttanza negativa (–gm) • Pendenza della rotazione di fase legata al Q • Circuito risonante RLC con R = 0 • Per l’innesco: – piccolo segnale, » alta gm » R regativa • Regolazione di ampiezza con la nonlinearità: – aumentando l’ampiezza » cala gm » R diventa positivo 24-Sep-02 - 11 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 12 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 2 © 2002 DDC 2 ETLCT - A4 24-Sep-02 Circuiti differenziali Oscillatori a quarzo • Vantaggi • Cristalli di quarzo – assorbimento costante – no armoniche pari – ... – materiale piezoelettrico: » risponde con variazioni dimensionali a stimoli elettrici » genera segnale elettrico se stimolato meccanicamente – alto rendimento alla risonanza (meccanica) – circuito equivalente: LC (serie o parallelo) – risonatore con Q molto alto • Oscillatori a quarzo – cristallo di quarzo (o altro) al posto del gruppo LC – frequenze: 455 Hz …. 32 kHz …. 30 MHz …. 300 MHz – elevata precisione e stabilità di frequenza 24-Sep-02 - 13 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 14 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Contenuti di questa lezione (A4) Moltiplicatori analogici • Oscillatori e Mixer – – – – • Fdt ideale Struttura di oscillatori sinusoidali circuiti amplificatore-LC circuiti a trascondutanza negativa (–gm), circuiti differenziali – Vu = Km Vx Vy • Con ingressi sinusoidali – Vu contiene solo Fx-Fy e Fx+Fy • Fdt reale • Moltiplicatori e mixer – – – – – Vu = Km Vx Vy = Ex Vx + Ey Vy + Eo parametri ed errori moltiplicatori a trasconduttanza, cella di Gilbert applicazioni • Ingressi sinusoidali – Vu contiene Fx-Fy, Fx+Fy, Fx, Fy, DC » eventuali termini di ordine superiore 24-Sep-02 - 15 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 16 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Effetti degli errori sullo spettro Errori in uscita - 1 • Fdt reale • Errori di feedthrough – Vu = Km Vx Vy = Ex Vx + Ey Vy + Eo – – – – f presenza in uscita di componenti in ingresso dovuti a offset eliminabili correggendo il bilanciamento specifica: » livello rispetto a componenti utili fy fx SFDR f f fo f1 24-Sep-02 - 17 fy-fx f2 fo fx fy-fx fy fy+fx fy+fx ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 18 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 3 © 2002 DDC 3 ETLCT - A4 24-Sep-02 Errori in uscita - 2 Moltiplicatori con reti nonlineari • Errori di nonlinearità • Circuito nonlineare con Vi = Vx + Vy – presenza in uscita dei prodotti di ordine superiore – sviluppando la nonlinearità in serie di potenze i termini di ordine 2 o > contengono » 2fx, 2fy, 2fx+fy, 2fx-fy, 2fx+2fy, 3fx, 3fy, 3fx+fy, ….. » Vx*Vy » molti altri termini – eliminabili con circuiti accordati – specifica: – occorre isolare la componente desiderata con un circuito risonante » livello rispetto a componenti utili • Utilizzabili: – Caratteristica esponenziale di diodo o BJT – Caratteristica quadratica di MOS-FET f fo fa fb fy-fx fc fy+fx 24-Sep-02 - 19 fd ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 20 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Moltiplicatori a trasconduttanza Moltiplicatori a 2 e 4 quadranti • Per un amplificatore a BJT o MOS-FET • 2 quadranti: differenziale – Vu = Vx gm Rc – gm = K Vy Modulatore bilanciato • possono coprire 1 - 2- 4 quadranti • annulla feedthrough da Vx 24-Sep-02 - 21 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 22 Moltiplicatori a 2 e 4 quadranti Mixer a diodi • 4 quadranti: doppio differenziale: modulatore doppio bilanciato 24-Sep-02 - 23 ETLCT - A4 - © 2002 DDC • Ponte di diodi ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 24 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 4 © 2002 DDC 4 ETLCT - A4 24-Sep-02 Cella di Gilbert Mixer a MOS • Doppio differenziale • Ponte di MOS 24-Sep-02 - 25 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 26 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Mixer: dove ? ANTENNA Low Noise Amplifier 900MHz/1GHz Canale FI RX XX Applicazioni dei mixer Canale RX - I/Q • Ricevitore supereterodina XX A/D A/D – prima conversione DEM. DEM. XX microP, DSP, memoria, .. I/Q I/Q XX Mixer a radiofrequenza CONTROLLO CONTROLLO • Parametri dei mixer – guadagno di conversione XX XX Canale FI TX » IFrms/RFrms D/A D/A D/A D/A – rumore – linearità (Intercept point) MOD. MOD. » dinamica dei segnali di ingresso Canale TX - I/Q Mixer I/Q (seconda conversione) 24-Sep-02 - 27 Interfaccia utente D/A D/A O Oscillatori e sintetizzatori Power Amplifier 900MHz/1GHz – seconda conversione A/D A/D PLL PLL O DDS DDS » RF, dinamica A/D A/D – isolamento Microf. Microf.Auric. Auric.Display, Display,Tasti Tasti ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 28 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Applicazioni 2 Sommario lezione A4 • Relazioni base • Oscillatori e Mixer – senA senB = cos(A-B) - cos(A+B) – senA cosB = sen(A-B) + sen(A+B) – cosA cosB = cos(A-B) + cos(A+B) – – – – Struttura di oscillatori sinusoidali circuiti amplificatore-LC circuiti a trascondutanza negativa (–gm), circuiti differenziali • Solo differenza – senA senB + cosA cosB = 2 cos (A-B) • Moltiplicatori e mixer – – – – • Solo somma parametri ed errori moltiplicatori a trasconduttanza, cella di Gilbert applicazioni • Sintesi di segnali SSB 24-Sep-02 - 29 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 30 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 5 © 2002 DDC 5 ETLCT - A4 24-Sep-02 Prossima lezione (A5) Laboratorio (Lab A) • Esercizi • Progetto, montaggio e misure su filtro attivo – amplificatori AC con AO » gudagno, banda – amplificatori a componenti discreti » modello lineare – amplificatori a transistori fuori linearità » variazione di guadagno, armoniche – Oscillatori sinusoidali » circuiti LC, –gm, differenziali – Mixer » calcolo dei parametri di moltiplicatori e mixer 24-Sep-02 - 31 ETLCT - A4 - © 2002 DDC 24-Sep-02 - 32 ETLCT - A4 - © 2002 DDC Page 6 © 2002 DDC 6