Microelectrónica das Telecomunicações
2º Teste - 21/12/2012 - Sem consulta - Duração 2h00m
(Atenção: Todas as respostas devem ser justificadas)
1. Misturadores (1.5+1.5+1.5+1.5+1=7)
a) Explique os significados de ganho de conversão, isolamento OL-FI e OL-RF num circuito misturador.
Ganho de conversão é a relação entre, por exemplo, a potência na saída FI de um misturador à frequência
FI e a potência na entrada RF à frequência de RF. Pode também ser definido com tensões ou correntes. O
isolamento OL-FI é a atenuação sofrida pelo sinal do oscilador local desde o seu porto até ao porto de FI.
O isolamento OL-RF é idêntico mas definido do porto de OL para o porto de RF.
b) Um dos parâmetros mencionados na alínea anterior depende fortemente do nível do oscilador local. Diga qual e porquê. Esse parâmetro é o ganho de conversão. Como este está relacionado com um produto de intermodulação e
estes aparecem devido ao funcionamento não linear causado pelo sinal forte do OL, depende fortemente
da amplitude do OL. c) O misturador de Gilbert é muito usado em emissores/receptores de RF. Desenhe o seu esquema indicando em que portos são normalmente aplicados o RF e o OL. Normalmente o OL é aplicado em v2 e o RF em v1. d) Mencione as vantagens deste circuito por comparação com o misturador simples
de um só par diferencial.
As principais vantagens são ter ambas as entradas diferenciais, um bom isolamento
OL-RF e OL-FI, ser um multiplicador de 4 quadrantes, maior ganho de conversão e menor factor de
ruído.
e) Redesenhe o esquema da alínea (c) com a inclusão de elementos que filtrem o sinal diferencial de
saída.
Repetir o esquema incluindo, por exemplo, em paralelo com cada RD um condensador CD. O valor de CD
deve ser tal que filtre todos os produtos de intermodulação acima do FI.
2. Amplificadores de potência (1.5+1+1.5+1+1.5+1.5=8)
a) Explique porque é difícil projetar amplificadores de potência para sistemas onde os sinais de RF tem
modulação de amplitude.
Normalmente a eficiência de um PA depende do valor da sua potência de saída (POUT) sendo o máximo
da eficiência energética atingido para valores de POUT próximos da saturação. Por outro lado a linearidade
do PA é maior para valores de POUT que conduzem a baixa eficiência. Para preservar a linearidade um
sinal com modulação amplitude só faz o PA atingir os valores alta eficiência nos pouco prováveis picos
da sua amplitude. Como resultado obtêm-se uma eficiência média baixa. Existem arquiteturas e classes de
amplificação adequadas para resolver este problema mas são mais complexas e estão associadas a novas
desvantagens.
b) Defina e compare os parâmetros rendimento de saída e rendimento para a potência adicionada (PAE).
Rendimento de saída é dado por POUT/PDC e o PAE por (POUT-PIN)/PDC, onde PDC é a potência fornecida
pela alimentação e PIN a potência de entrada do PA. O primeiro despreza PIN e o segundo não. Sempre
que PIN for da mesma ordem de grandeza de POUT o PAE faz mais sentido na avaliação da eficiência de
um PA.
c) Nas classes clássicas (A, AB, B e C) explique o que é o ângulo de condução e como o seu valor
influencia o rendimento e a linearidade destas.
Ângulo de condução é o ângulo medido da forma de onda da corrente de saída do dispositivo onde esta é
diferente de zero em relação a um período angular (de 2π ou 360º). Considerando este ângulo a diminuir
de 360º para 0º, as classes de funcionamento mudam começando na A, AB, B e terminando na C. O
rendimento e a distorção aumentam, pela mesma ordem. A linearidade diminui porque a corrente começa
a ficar distorcida, no entanto, porque o seu valor médio diminui e a sua componente fundamental
aumenta, o rendimento de saída melhora.
d) Justifique a seguinte afirmação: Os amplificadores comutados tem elevado rendimento.
Se os transístores que funcionam como comutadores forem ideias, i.e., apresentarem resistência zero no
estado ON, infinita no estado OFF, e transitarem instantaneamente entre estados, então não dissipam
energia. Adicionalmente, se os restantes componentes passivos não tiverem perdas, o amplificador terá
100% de eficiência. Na realidade isto não acontece, mas mesmo assim são das classes de PAs mais
eficientes.
e) Para um amplificador de potência explique o que é a distorção de intermodulação de 3ª ordem e o que
pode causar quando este é usado num sistema multicanal.
É a distorção que aparece associada ao produto de intermodulação de 3ª ordem (em 2f1-f2 ou 2f2-f1)
quando um PA é excitado por pelo menos duas frequências (f1 e f2). A sua influência é agravada quando
f1 e f2 são próximas e o PA é usado em sistemas de vários canais próximos e equidistantes. Neste caso a
distorção gerada entre dois canais consecutivos pode perturbar os que lhes são adjacentes
maioritariamente devido a estes termos de 3ª ordem.
f) Desenhe o diagrama blocos de um amplificador com arquitetura EER e explique o seu funcionamento.
O sinal RF de entrada (IN) tem informação na fase e na envolvente.
V
O detector de envolvente retira uma amostra da envolvente que é um
bias
modulator
sinal em banda-base. O modulador de envolvente usa esse sinal para
envelope
alimentar o PA. Para isso vai amplificar a tensão e conseguir aplicádetector
bias
la ao PA com os níveis de corrente exigidos por este. O sinal RF de
entrada é aplicado ao limitador que lhe anula a informação de
limiter
PA
IN
OUT
envolvente. O sinal resultante, que é de amplitude constante mas
com modulação de fase, é aplicado ao PA. O PA pode ser de elevada eficiência (saturado ou comutado)
pois o seu sinal de entrada não tem informação de amplitude. Por fim a informação de envolvente é
reposta no sinal de saída (OUT) modulado em fase, através da alimentação do PA.
DC
3. Arquiteturas (2+1+1.5+1.5=6)
a) Num receptor com arquitetura heterodina a frequência imagem constitui um problema. Explique a
causa do seu aparecimento e os cuidados a ter para a minimizar.
A frequência imagem aparece porque a operação multiplicação do misturador converte para fFI não só o
sinal desejado (fRF) mas também o sinal indesejado que é a frequência imagem (fIM). Isto acontece porque
fRF e fIM distam ambas fFI de fOL. Só há dois modos de minimizar o seu efeito: a) filtrá-la em RF antes do
misturador; b) cancelá-la com arquiteturas adequadas que usam sinais em quadratura (Weaver ou
Hartley).
b) Quais as desvantagens de um receptor integrado necessitar de filtros externos.
- Aumenta custo do sistema: componente externo, pcb e montagem mais complexos, chip com pinos de
entrada e saída do sinal.
- Aumenta consumo: estes filtros, normalmente adaptados a 50ohm, requerem buffers no chip.
c) Compare em termos de vantagens e inconvenientes os receptores heterodino e homodino.
Vantagens heterodino: Desmodulador em quadratura em baixa frequência, logo mais emparelhado; fRF e
fLO diferentes, logo menos VCO pulling e re-radiação de OL.
Desvantagens heterodino: Frequência imagem; filtros externos; complexidade.
Vantagens homodino: Simplicidade, filtro só em banda-base, sem frequência imagem.
Desvantagens homodino: DC-offset; desmodulador em quadratura em RF; fRF e fLO iguais, logo mais
VCO pulling e re-radiação de OL.
d) Explique porque a grande maioria dos receptores atuais usam um desmodulador em quadratura.
As modulações usadas nos sistemas modernos conseguem usar o espectro de um modo mais eficiente
modulando a portadora em fase e em amplitude. Para isso modula-se parte da informação com uma
portadora em fase e a parte restante com uma portadora em quadratura, ambas da mesma frequência. A
soma de ambas é emitida. No receptor a informação contida ambas as portadoras só pode ser recuperada
fazendo a operação inversa, i.e., com um desmodulador em quadratura.