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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
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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
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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
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U
A
A
I
1 − Aβ
∠Aβ 0
fo
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1.2.4
2.2.4
Aβ 1
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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
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= Q 1 − k1
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Amplificatore e gruppo LC
•
•
•
•
Esempio: Oscillatore Colpitts
Amplificatore a transistore
carico LC
reazione positiva
compressione per nonlinearità
• Rete di reazione
capacitiva
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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
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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
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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
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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
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fy-fx
f2
fo
fx
fy-fx
fy
fy+fx
fy+fx
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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
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fd
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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
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Moltiplicatori a 2 e 4 quadranti
Mixer a diodi
• 4 quadranti: doppio differenziale:
modulatore doppio bilanciato
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• Ponte di diodi
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Cella di Gilbert
Mixer a MOS
• Doppio differenziale
• Ponte di MOS
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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)
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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
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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
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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
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