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Profa. Dra. Fatima Salete Correra
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SUMÁRIO
Introdução
Definições gerais de ganho de potência de redes de dois acessos
Discussão de estabilidade de redes
◦ Critérios de estabilidade
◦ Círculos de estabilidade
Projeto de amplificadores visando máximo ganho
Projeto de amplificadores de ganho com valor especificado
Projeto de amplificadores de baixo ruído
Bibliografia – Microwave Engineering, de David M. Pozar
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Amplificadores de micro-ondas
INTRODUÇÃO
Aplicação de amplificadores em sistemas de micro-ondas
Transmissores
Receptores
Tipos de amplificadores
Diagrama de blocos do amplificador
Condições de projeto de amplificadores
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Amplificadores de micro-ondas Aplicação de amplificadores em sistemas de micro-ondas
Diagrama básico de sistema de comunicação sem fio
Receptor
Antena de
transmissão
fRF
Antena de
recepção
Linhas de
transmissão
Transmissor
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Amplificadores de micro-ondas Aplicação de amplificadores em sistemas de micro-ondas
Diagrama do transmissor
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Amplificadores de micro-ondas Aplicação de amplificadores em sistemas de micro-ondas
Diagrama do receptor
Informação fRF
Demodulador Conversor de
freqüência
down converter
Amplificador
de baixo ruído
fLO
FI
fRF = fLO + FI
ou
fRF = fLO - FI
Amplificadores
de ganho
Oscilador de
FI
Oscilador
local
Amplificador
de FI
Amplificador
Buffer
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Amplificadores de micro-ondas
Amplificador
de ganho
Amplificador
de
baixo ruído
Amplificador
de potência
GANHO
FIGURA DE RUÌDO
POTÊNCIA DE SAÌDA
MÁXIMO
MÉDIO
MÉDIO
MÉDIO
MÍNIMA
MÉDIO
MÉDIO
MÉDIO
MÁXIMA
Tipos de amplificadores
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Amplificadores de micro-ondas
Circuito de casamento de impedância de
entrada
Circuito de casamento de impedância de
saída
TRANSISTOR +
Circuito de estabilização
Filtro de polarização
de porta
Tensão de polarização de porta
Tensão de polarização de dreno
Filtro de polarização
de dreno
Entrada
Gerador
Z = 50
Saída
Carga
Z = 50
Diagrama de blocos do amplificador
ZS ZL
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Amplificadores de micro-ondas
Circuito de estabilização
- Usado com transistores condicionalmente estáveis
- Evitam oscilações indesejadas
Filtros de polarização
- Filtros passa-baixa
- Evitam vazamento do sinal de micro-ondas para os circuitos de polarização DC
Diagrama de blocos do amplificador
Circuito de casamento de impedância de
entrada
Circuito de casamento de impedância de
saída
TRANSISTOR +
Circuito de estabilização
Filtro de
polarização de porta
Tensão de polarização de
porta
Tensão de polarização de
dreno
Filtro de
polarização de dreno
Gerador Carga
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Amplificadores de micro-ondas Diagrama de blocos do amplificador
Circuito de casamento de impedância de
entrada
Circuito de casamento de impedância de
saída
TRANSISTOR +
Circuito de estabilização
Filtro de
polarização de porta
Tensão de polarização de
porta
Tensão de polarização de
dreno
Filtro de
polarização de dreno
Gerador Carga
Circuito de casamento de impedância de entrada
- Transforma a impedância do gerador ZG
- Na impedância desejada na entrada do transistor
Circuito de casamento de impedância de saída
- Transforma a impedância de carga ZL
- Na impedância desejada na saída do transistor
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Amplificadores de micro-ondas Etapas de projeto
Escolha do transistor
Depende das especificações do amplificador
- Frequência de operação – Ganho
- Figura de ruído – Potência de saída
Análise de estabilidade do transistor
Estabilização do transistor para evitar oscilação, quando necessário
Projeto das redes de casamento de entrada e saída
Projeto de filtros de polarização
Simulação e otimização do amplificador
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Amplificadores de micro-ondas
Amplificador
de ganho
Amplificador
de
baixo ruído
Amplificador
de potência
CASAMENTO DE IMPEDÂNCIA
Entrada Saída
Conjugado com a impedância do gerador
Conjugado com a impedância da carga
Impedância de Mínimo Ruído
Conjugado com a impedância da carga
Conjugado com a impedância do gerador
Impedância de Máxima Potência
Condições de projeto dos circuitos de casamento de impedância
Dependem do tipo de amplificador
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Amplificadores de micro-ondas
Definições gerais de ganho de potência
de redes de dois acessos
Ganho de potência
Ganho de potência disponível
Ganho de transdução
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Diagrama de blocos do amplificador
Rede de duas portas com impedâncias de fonte e carga arbitrárias
Circuito de casamento de impedância de
entrada
Circuito de casamento de impedância de
saída
TRANSISTOR +
Circuito de estabilização
Entrada
Gerador
Z = 50
Saída
Carga
Z = 50
ZS ZL
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Rede de duas portas com impedâncias de fonte e carga arbitrárias
Representação da Rede (transistor)
• Matriz S Z0
S11 S21
S12 S22
Fonte (gerador)
• Impedância ZS
Γ𝑆 =𝑍𝑆 − 𝑍0
𝑍𝑆 + 𝑍0
Carga
• Impedância ZL
Γ𝐿 =𝑍𝐿 − 𝑍0
𝑍𝐿 + 𝑍0
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Rede de duas portas com impedâncias de fonte e carga arbitrárias
Impedâncias e coeficientes de reflexão dos acessos da rede
Entrada 𝑍𝑖𝑛 → 𝑖𝑛 =𝑍𝑖𝑛−𝑍0
𝑍𝑖𝑛+𝑍0 Saída 𝑍𝑜𝑢𝑡 → 𝑜𝑢𝑡 =
𝑍𝑖𝑛−𝑍0
𝑍𝑖𝑛+𝑍0
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Zin é função: Matriz S da rede S11, S21, S12, S22 (para Zs = ZL = Z0)
Impedância de carga ZL coeficiente de reflexão L
Quando ZL = Z0 L = 0 in = S11
Γ𝑖𝑛 = 𝑆11 +𝑆12𝑆21𝐿
1 − 𝑆11𝐿=
𝑍𝑖𝑛 − 𝑍0
𝑍𝑖𝑛+ 𝑍0
Zin – Impedância de entrada da rede, com saída terminada pela impedância ZL genérica
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Zout é função: Matriz S da rede S11, S21, S12, S22 (para Zs = ZL = Z0)
Impedância de carga ZS coeficiente de reflexão S
Quando ZS = Z0 S = 0 out = S22
Zout – Impedância de saída da rede, com saída terminada pela impedância ZS genérica
Γ𝑜𝑢𝑡 = 𝑆22 +𝑆12𝑆21𝑆
1 − 𝑆22𝑆=
𝑍𝑜𝑢𝑡 − 𝑍0
𝑍𝑜𝑢𝑡+ 𝑍0
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Ganho de Potência Ganho de Potência Ganho de Potência
Disponível de Transdução
◦ PL potência entre a carga ZL
◦ Pin potência entregue na entrada do quadripolo
◦ Pavs potência disponível na fonte, para uma carga conjugadamente casada
◦ Pavn potência disponível na saída da rede para uma carga conjugadamente casada
𝐺𝐴 =𝑃𝑎𝑣𝑛
𝑃𝑎𝑣𝑠
𝐺𝑇 =𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠
𝐺 =𝑃𝐿
𝑃𝑖𝑛
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𝐺𝐴 =𝑃𝑎𝑣𝑛
𝑃𝑎𝑣𝑠=
𝑆212 1 − Γ𝑆
2
1 − 𝑆11Γ𝑆2 1 − Γ𝑜𝑢𝑡
2
𝐺𝑇 =𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠 =
𝑆212 1− Γ𝑆
2 1− Γ𝐿2
1−Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 1−𝑆22Γ𝐿
2
𝐺 =𝑃𝐿
𝑃𝑖𝑛=
𝑆212 1 − Γ𝐿
2
1 − Γ𝑖𝑛2 1 − 𝑆22Γ𝐿
2
Ganho de Potência
Ganho de Potência Disponível
Ganho de Potência de Transdução
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𝐺𝑇 =𝑃𝐿
𝑃𝑎𝑣𝑠=
𝑆212 1− Γ𝑆
2 1− Γ𝐿2
1−Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 1−𝑆22Γ𝐿
2
Ganho de potência mais usual GT
Ganho de Potência de Transdução
Relaciona parâmetros práticos de interesse
Potência recebida pela carga conectada à saída do amplificador
Potência que o gerador entregaria a uma carga casada
Potência nominal apresentada no painel do gerador
Valor medido por um medidor de potência de micro-ondas
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Quando ambas as portas estão terminadas em Z0
𝐺𝑇 = 𝑆212
𝐺𝑇 =𝑆21
2 1 − Γ𝑆2 1 − Γ𝐿
2
1 − Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 1 − 𝑆22Γ𝐿
2
𝑍𝑆 = 𝑍0 → Γ𝑆 =𝑍𝑆 − 𝑍0
𝑍𝑆 + 𝑍0= 0
𝑍𝐿 = 𝑍0 → Γ𝐿 =𝑍𝐿 − 𝑍0
𝑍𝐿 + 𝑍0= 0
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Ganho de potência de transdução unilateral
Definido quando S12 = 0 ou suficiente pequeno para ser desprezado
Usado quando o transistor é modelado como unilateral
Despreza-se efeitos de realimentação internos ao transistor
Impedância conectada á entrada do transistor na afeta sua impedância de saída
Impedância conectada à saída do transistor não afeta sua impedância de entrada
S12 = 0 → in = S11
Ganho de Potência de Transdução Unilateral - GTU
Modelo BILATERAL de transistor FET Modelo UNILATERAL de transistor FET
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Ganho de potência de transdução unilateral
Ganho de potência de transdução – GT
Ganho de potência de transdução unilateral – GTU
S12 = 0 → in = S11 𝐺𝑇𝑈 =𝑆21
2 1 − Γ𝑆2 1 − Γ𝐿
2
1 − 𝑆11Γ𝑆2 1 − 𝑆22Γ𝐿
2
Ganho de Potência de Transdução Unilateral - GTU
𝐺𝑇 =𝑆21
2 1 − Γ𝑆2 1 − Γ𝐿
2
1 − Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 1 − 𝑆22Γ𝐿
2
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Γ𝑆 = Γ𝑖𝑛∗ e Γ𝐿 = Γ𝑜𝑢𝑡
∗
Ganho máximo
Condição de casamento conjugado de impedância simultâneo
Só é definido para frequências em que o transistor é incondicionalmente estável
(caso contrário essa condição pode levar a oscilação)
𝐺 = 𝐺𝐴 = 𝐺𝑇 = 𝐺𝑀𝐴𝑋
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Parâmetros S de um transistor bipolar, em 1 GHz, impedância de referência Z0= 50
Exemplo - Pozar
Impedâncias de fonte e carga
ZS= 25 e ZS= 40
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Coeficientes de reflexão de entrada e saída da rede
Ganho de Potência
Ganho de Potência Disponível
Ganho de Potência de Transdução
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• Rede de dois acessos
• A rede é instável e pode oscilar se Re(Zin) < 0 → |in|>1 ou
Re(Zout) < 0 → |out|>1
Zin depende de: Matriz S e de ZL
Zout depende de: Matriz S e de ZS
Zin Zout
ZS
~ ZL [S]
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Incondicionalmente estável
• A rede é incondicionalmente estável se
| IN| < 1 e |OUT| < 1
para qualquer valor de Re(ZIN) > 0 e Re(ZOUT) > 0
Condicionalmente estável
• A rede é condicionalmente estável
|IN| > 1 e |OUT| > 1
para uma faixa de valores de Re(ZIN) < 0 e Re(ZOUT) < 0
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Critérios para verificação da estabilidade da rede
Teste K e B1
• Duas condições devem ser obedecidas simultaneamente para que o transistor seja estável em uma dada frequência
• K - Fator de Estabilidade de Rollett
e
• B1 – Medida de estabilidade
sendo
Estabilidade requer K > 1 e B1 > 0
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Critérios para verificação da estabilidade da rede
Teste
• Distância do centro da carta de Smith até o ponto
mais próximo do círculo de estabilidade de saída
Teste _prime
• Distância do centro da carta de Smith até o ponto
mais próximo do círculo de estabilidade de entrada
sendo
Estabilidade requer > 1 ou _prime > 1
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Atividade com o ADS
• Simular um transistor de 2 a 26 GHz
• Traçar os parâmetros de estabilidade K, , e prime
• Analisar a estabilidade do transistor através dos testes:
K >1 e B1 > 0 ou >1 ou prime >1
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>1 ou prime >1
Condicionalmente estável Incondicionalmente estável
Atividade com o ADS
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34
Critérios para verificação da estabilidade da rede
Círculos de estabilidade
• Mapeiam círculos sobre a carta de Smith
• Dividem a carta de Smith em regiões de cargas que podem ou não causar instabilidade
Círculos de estabilidade de saída
• Valores de ZL que causam
|IN| ≤ 1 e |IN| > 1
Círculos de estabilidade de entrada
• Valores de ZS que causam
|OUT| ≤ 1 e |OUT| > 1
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• Cálculo do círculo de estabilidade de entrada
• Impondo-se
• Obtém-se o centro CS e o raio RS do círculo de estabilidade das
impedâncias de gerador que causam out = 1
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• Cálculo do círculo de estabilidade de saída
• Impondo-se
• Obtém-se o centro CL e o raio RL do círculo de estabilidade das cargas
que causam in = 1
=1
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• É necessário testar se as impedâncias que causam instabilidade estão fora ou dentro do círculo
• Verifica-se se ZL = 50 → in < 1 ou in > 1
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Atividade com o ADS
• Traçar de estabilidade de entrada e de saída entre 10 e 12 GHz
• Analisar quais impedâncias podem causar instabilidade
• O transistor é incondicionalmente estável?
• Repita para frequências entre 2 e 26 GHz
Círculos de estabilidade
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Atividade com o ADS
Círculos de estabilidade
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Estabilização do Transistor
• No projeto do amplificador, deve-se analisar a estabilidade do transistor
• Na banda de frequência do amplificador
• Em toda a banda do operação do transistor
• Objetivo → evitar oscilações “in band” e “out band”
• Se o transistor for incondicionalmente estável
• Projeto das redes de casamento de impedância
• Se o transistor é condicionalmente estável
• Estabilização do transistor
• Projeto das redes de casamento de impedância
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Estabilização do Transistor
Circuitos de estabilização do transistor
• Auxiliam na estabilidade, mas afetam parâmetros do transistor
• Ganho
• Figura de Ruído
• Potência de saída
• Linearidade
• Solução de compromisso
• Estabilidade x desempenho do amplificador
• Podem estabilizar o transistor
• Em banda larga de frequência
• Em frequências abaixo da banda do amplificador
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Estabilização do Transistor
Exemplos de circuitos de estabilização
• Resistores conectados aos acessos do transistor
• Atuam em banda larga de frequência
• Resistores com capacitores de bypass em paralelo
• Estabilização do transistor em frequências abaixo da banda do amplificador
• Resistores associados a filtros de polarização
• Estabilização do transistor em frequências abaixo da banda do amplificador
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Estabilização do Transistor
• Resistor em série ou paralelo com a entrada do transistor
• Desvantagem: aumenta a Figura de Ruído
• Aplicações: amplificadores de ganho e de potência
• Resistor em série ou paralelo com a saída do transistor
• Desvantagem: reduz a potência de saída
• Aplicações: amplificadores de ganho e de baixo ruído
Exemplos de circuitos de estabilização
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Estabilização do Transistor
Exemplos de circuitos de estabilização
• Realimentação série
• Realimentação paralela
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Estabilização do Transistor
Exemplos de circuitos de estabilização
• Estabilização do transistor via o filtro de polarização
• Usado para estabilizar o transistor em baixas frequências
• Circuito de estabilização
• Conectado ao filtro de polarização, em paralelo com C1 que tem baixa reatância na banda de operação desejada
• Resistor R, geralmente de 50
• Capacitor C3 com baixa reatância na faixa de frequência a ser estabilizada
Filtro de polarização
Circuito de estabilização
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Trace os círculos de estabilidade de entrada e saída em 2 GHz
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Transistor FSX52WF da Fujitsu
Círculos de Estabilidade @2 GHz
Atividade com o ADS
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
1) Ajuste o resistor R1 para o mínimo valor que estabilize o transistor em 2 GHz
2) Verifique os círculos de estabilidade de 0,5 a 16 GHz
Resistência em série com a entrada do transistor
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Círculos de Estabilidade @ 2 GHz
Resistência de 10 em série com a porta do transistor
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Círculos de Estabilidade – 0,5 a 16 GHz
Resistência em série com a porta do transistor se 10
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Em quais frequência o transistor é condicionalmente estável usando R1 = 10 ?
Verifique qual o valor de R1 é necessário para estabilizar o transistor em banda larga.
Verifique qual o impacto do valor de R1 no ganho máximo disponível do transistor
Mantenha R1 em 10 e estabilize o transistor em baixa frequência usando o filtro de alimentação de porta
Verifique o máximo ganho disponível do transistor nessa última condição
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Resistência em série com a entrada do transistor
Filtro de polarização
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Atividade com o ADS
Transistor FSX52WF da Fujitsu
Círculos de Estabilidade – 0,5 a 16 GHz
Resistência em série com a portado transistor + filtro de polarização
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Projeto de Amplificador de Ganho
• Características gerais do amplificador de ganho
• Ganho máximo
• Figura de ruído mediana
• Potência de saída mediana
• Objetivo do projeto
• Projetar o amplificador de modo a obter o máximo ganho do o transistor na faixa de frequência de projeto
• Amplificadores de banda estreita (BW 10%)
• Muito usuais em sistemas de comunicação
• Projeto na frequência central gera bons resultados
• Exemplo: amplificador par abanda ISM de 2,45 GHz:
• Faixa de operação 2,40 a 2,48 GHz frequência de projeto: 2,44 GHz
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Projeto de Amplificador de Ganho
• Hipóteses de projeto
• Transistor operando em pequenos sinais (de forma linear)
• Ponto quiescente de polarização do transistor
• IDSQ e VDSQ no qual o transistor apresenta máximo ganho
• Representação do transistor em pequenos sinais
• Parâmetros S (no ponto de polarização escolhido)
• Modelo de circuito equivalente de pequenos sinais
• Condição de projeto para máximo ganho
• Casamento de impedância conjugado simultâneo
• entrada do transistor casada com a impedância do gerador
• saída do transistor casada com a impedância de carga
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Projeto de Amplificador de Ganho
Casamento conjugado de impedância • Objetivo
• Maximizar a transferência de potência do gerador para o transistor
• Maximizar a transferência de potência do transistor para a carga
• Diagrama de blocos do amplificador a transistor
• Casamento de impedância conjugado simultâneo
𝑆 = ∗
𝑖𝑛 e 𝐿 = ∗
𝑜𝑢𝑡
𝑍𝑆 = 𝑍∗
𝑖𝑛 e 𝑍𝐿 = 𝑍∗
𝑜𝑢𝑡
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Diagrama de blocos do amplificador
• Ganho do amplificador → depende de ZS e ZL
• Circuito de casamento de impedância de entrada
• Transforma a impedância do gerador Z0 ZS
• Circuito de casamento de impedância de saída
• Transforma a impedância da carga Z0 ZL
Projeto de Amplificador de Ganho
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Diagrama de blocos do amplificador
Ganho de potência de transdução
𝐺𝑇 =𝑆21
2 1 − Γ𝑆2 1 − Γ𝐿
2
1 − Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 1 − 𝑆22Γ𝐿
2 𝐺𝑇 =
1− Γ𝑆2
1−Γ𝑆Γ𝑖𝑛2. S21
2. 1− ΓL
2
1−S22ΓL2
𝐺𝑇 = 𝐺𝑆 . 𝐺0 . 𝐺𝐿
Projeto de Amplificador de Ganho
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Diagrama de blocos do amplificador
Ganho de potência de transdução
𝐺𝑇 = 𝐺𝑆. 𝐺0 . 𝐺𝐿
𝐺𝑆 = 1− Γ𝑆
2
1−Γ𝑆Γ𝑖𝑛2 𝐺0 = S21
2 𝐺𝐿= 1− ΓL
2
1−S22ΓL2
Projeto de Amplificador de Ganho
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• Amplificador de Ganho
• Projeto visa obter o máximo ganho do transistor
• Potência de saída e figura de ruído moderadas
Para G = GMAX, transistor incondicionalmente estável
• Casamento de impedância conjugado simultâneo na entrada e saída do transistor
e Γ𝑖𝑛 = Γ𝑆
∗ Γ𝑜𝑢𝑡 = Γ𝐿∗
Projeto de Amplificador de Ganho
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• Para G = GMAX → resolução do sistema de equações
Γ𝑖𝑛 = 𝑆11 +𝑆12𝑆21𝐿
1 − 𝑆11𝐿
Γ𝑜𝑢𝑡 = 𝑆22 +𝑆12𝑆21𝑆
1 − 𝑆22𝑆
Γ𝑖𝑛 = Γ𝑆∗
Γ𝑜𝑢𝑡 = Γ𝐿∗
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• Para G = GMAX → resolução do sistema de equações
sendo
• Ganho de potência de transdução máximo
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Ganho de potência de transdução máximo
• Só é definido para transistor incondicionalmente estável K > 1
• Se o transistor é condicionalmente estável K < 1,
• A equação de ganho máximo não se aplica
• Define-se “Máximo Ganho Estável” – Gmsg
• Para K =1
• Útil para comparar transistores
• Na prática G < Gmsg
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Uma vez conhecidos S = in* para G = GTMAX, é necessário projetar
• Rede de casamento de impedância de entrada
• Transforma a impedância interna do gerador Z0 em ZS
• Sendo ZS tal que
Γ𝑆 =𝑍𝑆 − 𝑍0
𝑍𝑆 + 𝑍0
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Uma vez conhecidos L = out* para G = GTMAX, é necessário projetar
• Rede de casamento de impedância de saída
• Transforma a impedância de carga Z0 em ZL
• Sendo ZL tal que
Γ𝐿 =𝑍𝐿 − 𝑍0
𝑍𝐿 + 𝑍0
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Exemplo - Pozar
• Projetar um amplificador de um estágio, em 4 GHz
• Dados do transistor
• MESFET de GaAs
• Parâmetros S para impedância de referência Z0 = 50
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• Análise da estabilidade do transistor • Cálculo de k e
Teste de estabilidade do transistor
k < 1 e || < 1 Condicionalmente estável k >1 e || < 1 Incondicionalmente estável
• Opção do projeto empregada
• Não usar circuito de estabilização
• Teste posterior da estabilidade em 3 GHz
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• Cálculo de S = L
![Page 69: Profa. Dra. Fatima Salete Correra...• No projeto do amplificador, deve -se analisar a estabilidade do transistor • Na banda de frequência do amplificador • Em toda a banda do](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022053109/607a9652bd81373a0d6bb72d/html5/thumbnails/69.jpg)
• Cálculo do ganho - GTMAX
𝐺𝑇𝑀𝐴𝑋 = 𝐺𝑆. 𝐺0. 𝐺𝐿
𝐺𝑇𝑀𝐴𝑋 𝑑𝐵 = 10. log (𝐺𝑇𝑀𝐴𝑋) 𝐺𝑇𝑀𝐴𝑋 𝑑𝐵 = 𝐺𝑆 𝑑𝐵 + 𝐺0 𝑑𝐵 + 𝐺𝐿(𝑑𝐵)
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• Projeto das redes de casamento de impedância
• Linhas de transmissão e carta de Smith
S
out
in
L
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• Resposta em frequência do amplificador simulada
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![Page 73: Profa. Dra. Fatima Salete Correra...• No projeto do amplificador, deve -se analisar a estabilidade do transistor • Na banda de frequência do amplificador • Em toda a banda do](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022053109/607a9652bd81373a0d6bb72d/html5/thumbnails/73.jpg)
A ideia básica:
Rede de casamento entre uma carga e uma linha de transmissão
• Projeto e construção de uma rede de casamento de impedâncias usada para otimizar a transferência de potência de uma fonte para uma carga.
• A rede de casamento também é conhecida como transformador de impedâncias.
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A máxima transferência de potência de uma fonte para uma carga é obtida através do “casamento conjugado”
ZL ZL* Z0
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Outras aplicações das redes de casamentos:
• Minimizar a figura de ruído de transistores de baixo ruído.
• Maximizar potência de estágios amplificadores de potência.
• Amplificadores de potência podem queimar quando a potência refletida na carga retorna ao amplificador.
• Evitar reflexões que causem distorção de sinais em linhas de transmissão.
• Reduzir os erros nas amplitudes e fases de sinais que alimentam uma rede de antenas.
• Ajuste da frequência de oscilação em osciladores através da impedância de carga.
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Fatores importantes na escolha de uma rede de casamento:
Complexidade: uma rede mais simples é menor, mais barata e tem menos perda.
Largura de Banda: adequada a aplicação do circuito (estreita, larga ou ultra-larga).
Implementação: elementos concentrados, linhas de transmissão ou guias de onda.
Facilidade de ajuste: permite a correção de desvios durante o processo de fabricação.
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Tipos de redes de casamentos
Alguns tipos de redes de casamentos:
Redes em “L”.
Redes com toco simples (toco em paralelo).
Transformador de quarto de onda.
Com toco duplo (tocos em paralelo).
Casamento em banda larga.
Linhas cônicas.
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Carta de Smith Linhas de Resistências Constantes
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Carta de Smith Linhas de Reatâncias Constantes
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Carta de Smith de Impedâncias (Linhas de Resistências e Reatâncias Constantes)
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Carta de Smith de Admitâncias (Linhas de Condutâncias e Susceptâncias Constantes)
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Carta de Smith (Círculos Importantes)
Resistência de
50 Condutância de
0,02 S
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Tipos de redes de casamentos
Alguns tipos de redes de casamentos:
Redes em “L”.
Redes com toco simples (toco em paralelo).
Transformador de quarto de onda.
Com toco duplo (tocos em paralelo).
Casamento em banda larga.
Linhas cônicas.
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Redes de casamento em “L”
•Elementos reativos sem perdas (ideais)
•Elementos reativos com perdas (reais)
•Linhas de transmissão
•Combinação de elementos concentrados e distribuídos
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Qual é o procedimento?
• Ajustar B para que a parte real seja igual a Zo.
• Ajustar X para anular a parte imaginária resultante.
• Duas soluções possíveis somente se Zo<1/GL.
ZL
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Qual é o procedimento?
• Ajustar X para que a parte real seja igual a Yo.
• Ajustar B para anular a parte imaginária resultante.
• Duas soluções possíveis somente se Yo<1/RL.
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Redes de casamento em “L”
São 8 combinações de indutores e capacitores possíveis:
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Redes de casamento em “L”
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Redes de casamento em “L”
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Redes de casamento em “L”
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Elementos discretos utilizados em circuitos de microondas nas redes em “L”
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Exemplo: Rede de Casamento em 500 MHz
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Exercício:
Projete uma rede em “L” para casar uma carga ZL=(25+j30) com uma linha de 50 na frequência de 2 GHz.
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Exercício:
Projete uma rede em “L” para casar uma carga ZL=(25+j30)com uma linha de 50 na frequência de 1 GHz.
Resposta:
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Exercício:
Projete uma rede em “L” para casar a carga ZL=(25-j60)com uma linha de 50 na frequência de 2 GHz, utilizando uma rede diferente daquela encontrada no exercício anterior.
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Capacitor paralelo Toco em aberto paralelo Indutor paralelo Toco em curto paralelo Indutor série Linha em série Capacitor série Não há solução
Tocos são trechos de linhas de transmissão terminadas em curto circuito ou em circuito aberto cujas impedâncias de entrada são puramente reativas.
Relembrando: Tocos de linha de transmissão
)d.tan(.Z.jZ oIN
)d.(ancot.Z.jZ oIN
Equivalência entre elementos concentrados e distribuídos
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Redes de casamento com toco simples em paralelo
Parâmetros a serem determinados:
• Localização do toco (distância L) • Comprimento do toco (distância Ls)
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Redes de casamento com toco simples em paralelo
Construído com “Microstrip” Esquema elétrico
IN
OUT
Toco Simples (“Stub”)
“Via Hole”
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Comportamento de uma Linha de Transmissão na Carta de Smith
Zin
Zin ZL
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Exercício:
Um transistor com impedância de entrada de Zin=(5+j3,5)e impedância de saída de Zout=(10-j15)em 2 GHz. Dimensione os casamentos de entrada e de saída utilizando casamento com toco simples.
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Casamento com transformador /4
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Casamento com transformador /4
/4