Microssistemas de RF

Microssistemas de RF

Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL Phone: +351-253-510190, Fax: +351-253-510189

http://lattes.cnpq.br/5589969124054528 João Paulo Carmo, PhD

Investigador Principal Universidade do Minho

Departamento de Electrónica Industrial

Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D

Sumário

1

– Amplificadores de potência

1.1

– Introdução

1.2

– Aspectos preliminares

1.3

– Classes de operação

2

– Amplificadores de potência lineares

2.1

– Classe A

2.2

– Classe B

2.3

– Classe AB

2.4

– Classe C

3

– Amplificadores de potência comutados

3.1

– Classe D

3.2

– Classe E

3.3

– Classe F

(1) Definição popular de PA

Amplificadores de potência

- Vantagens

Amplificador de sinais movido a esteroides

(a) Só o ultimo andar é optimizado em termos de dissipação de potência

(2) Projecto analógico

- Primeiros andares optimizados em tensão - Andar final optimizado em corrente

(b) Obtenção de elevados ganhos de potência e simultâneamente

- Optimização espacial das zonas de grande dissipação - Restrição bem definida dessas zonas

(3) Amplificador de potência no âmbito dos circuitos de RF

- É o último andar antes da antena no subsistema do emissor

- Andar de saída

(1) Dificuldades no projecto de um PA

Amplificadores de potência

- Tenta-se conciliar aspectos aparentemente contraditórios entre si

- PAs são os blocos que mais energia consomem num transceiver de RF - Proj. p/ operação linear a baixa tensão de alimentação extremamente difícil

- Não existe uma metodologia que sirva para todas as aplicações - A solução encontrada é específica para a aplicação em causa

(2) Projecto de um PA obriga a analisar

- A linearidade

- O balanço energético

(3) Nos amplificadores de pequenos sinais

- O problema da linearidade não se colocava - O balanço energético não era necessário

(1) PA divide-se em diversas categorias

Amplificadores de potência

- Dependentes da aplicação em causa

(2) Classificação dos PAs quanto à largura de banda

- Banda larga (ex., UWB) - Banda estreita (ex., AM)

(3) PAs com requisitos de saída em termos de replicação dos sinais à entrada

- Lineares (envolvente variável)

- Saída com envolvente constante

- Sinais à saída de um PA linear

- São sempre uma réplica exacta dos sinais à entrada

- Sinais à saída de um PA de envolvente constante

- Possuem amplitude independente do sinal à entrada

- Vantagens face aos PAs lineares

- Maior eficiência - Projecto simples

(1) Em amplificadores de pequenos sinais

Amplificadores de potência

- Máxima potência transferida para a carga quando Z_S=Z_L*

(2) No caso dos PAs para RF

- Máxima transferência de potência para a carga não é o critério de projecto

- Caso contrário a máxima eficiência teórica seria 50%

- Completamente inviável desperdiçar 50% de potência

- Se por exemplo P_RF=400 W, dissiparia no mínimo 400 W no interior do PA

- Na ausência de precauções relativamente à dissipação térmica

- Poderia resultar na destruição do PA ou mesmo do microchip

- Mesmo que não houvesse o perigo da destruição térmica

- O desperdício de potência limitaria a vida útil da bateria

- Para potências muito mais elevadas que 400 W

- Recorre-se a TWTs: G_power=70 dB @ 300 MHz-70 GHz

- Em aplicações de baixa potência (0.8 W, dispositivos móveis)

- Eficiência tem um impacto na autonomia das baterias

(1) Indicador muito usado para caracterizar PAs

Amplificadores de potência

I

V

P

FU



- Quantifica o nível de esforço (stress, ou solicitação) do PA

- Menor FU para uma dada potência RF

- Maior dissipação térmica no PA

- Pode ocorrer destruição do PA se a potência de pico for alta

- Se a destruição não for problema  diminuição da vida útil da bateria

- FU não pode ser dissociado da percentagem do tempo de condução [do dispositivo activo no PA] por ciclo RF

(2) Conjunto das técnicas para fazer um PA

- Classes de operação

(1) Classes de operação

Amplificadores de potência

- Classe A

- Dispositivo activo polarizado para se comportar como um PA linear

- Classe B - Classe AB - Classe C

- Dispositivo activo comutando p/ sinais RF na carga c/ amplitude constante

- Classe D - Classe E - Classe F

- Classes de funcionamento lineares

- Apropriadas para modulações de amplitude (AM, Amplitude Modulation)

- Classes de funcionamento comutadas

(1) Circuito genérico às classes A, B, AB e C

Amplificadores lineares

- Distinção entre as 4 classes

- Na forma como a polarização é feita

entrada R_L C_b saída L_choke L C antena v_ds i ds v_in(t) v_out(t) I_choke - Comonentes

- L_choke: indutância de choke suficientemente elevada p/ se comportar como fonte de corrente constante

- LC: circuito tanque (“circuito aberto” apenas para fRF, sujeito a Q)

- C_B: condensador de bloqueio DC, impede I_choke na antena e mantém-na cte - n-MOSFET: disp. activo como interruptor ON/OFF (e OFF/ON) à taxa f_RF

(1) Circuito genérico às classes A, B, AB e C

Amplificadores lineares

- Assumindo um tanque com Q elevado

- Tensão sinusiodal pura nos terminais

entrada R_L C b saída L choke L C antena v ds i ds v_in(t) v_out(t) I_choke - Frequência f_RF

- “Elimina” componentes espectrais resultantes de não-linearidades

- Ângulo de condução depende da fracção [%] do período do sinal RF que o n-MOSFET conduz [rad]

T

F









2

- Diversas tensões e correntes para uma tensão v_in(t) sinusoidal

v_in(t) 0 V_DC V_in,pk t i_ds 0 I_choke I_pk=I_choke+A_RF t 2A_RF v_ds 0 V_dd V_pk=2V_dd t v_out(t) -V_dd 0 +V_dd t Tensão DC de polarização (V_bias)

Situação limite (toque tangencial)

entrada R_L C b saída L choke L C antena v ds i ds v_in(t) v_out(t) I_choke (1) Circuito genérico às classes A, B, AB e C

Amplificadores lineares

- Valor médio de Vds igual a Vdd porque

- Choque é CA para sinais de RF - Choque é CC para sinais DC

- Vdd aplicado directa/ na source

- Ramos não podem ter potenciais negativos  Swing máximo: 0 a 2Vdd - Como os ramos CASTANHO só “passam” por pontos de potencial  zero (2) PA de classe A

- Ângulo de condução:





- max[i_RF(t)]I_choke

i_ds 0 I_choke I_pk=I_choke+A_RF t 2A_RF max[i_RF(t)]

- Para o MOSFET não entrar em corte

- Portanto: i_ds=I_choke+i_RF(t)=I_choke+A_RFcos(2f_RFt)

- Só o persistir da corrente de polarização I_choke

- Há uma dissipação térmica constante - Traduz-se em baixa eficiência

entrada R_L C b saída L choke L C antena v ds i ds v_in(t) v_out(t) I_choke

(1) Amplificador de classe A funcionando no limite

Amplificadores lineares

(a) max[i_RF(t)]=A_RF=I_choke

i_ds 0 I_choke I_pk=I_choke+A_RF t 2A_RF

(b) Potência DC no amplificador é P_DC=I_chokeV_dd - ou seja, P_DC=A_RFV_dd L RF L RF RF

R

t

i

R

i

P







2

)]

(

max[

(c) Potência RF à saída do amplificador é

- : valor RMS de i2 _RF(t)

RF

i

(c) Potência RF à saída pode ainda ser

- : valor RMS de v2 _out(t) out v L out L out RF

R

v

R

v

P

2

]

max[





V

R

t

i

V

t

i

R

P

P

2

)]

(

max[

)]

(

max[













(1) Amplificador de classe A funcionando no limite

Amplificadores lineares

(a) Considerando V_in(t) de forma a max[v_out(t)]=V_dd

v_out(t)

-V_dd

0

+V_dd

t - Não esquecer o swing máximo de V_ds [0,2V_dd]

- Cuja componente DC (V_dd) é cortada por C_b

(b) Todavia max[v_out(t)]=max[i_RF(t)]×R_L (=V_dd)

- Substituindo max[i_RF(t)]×R_L por V_dd em







max[

i

(

t

)]



R

 

/

2

V



- Resulta para o funcionamento no limite (=50%)

2

1





(c) Para max[i_RF(t)]×R_L=k.V_dd, k<1 max[v_out(t)]<V_dd, i.e., é uma fracção de V_dd

- Resulta (menor que 50%)

2

k





- A eficiência teórica máxima é de apenas 50%

- Quanto maior a amplitude do sinal RF na saída maior é a eficiência - Na ausência de sinal a amplificar: v_in(t)=0

As perdas de energia são máximas e iguais a 100% da energia fornecida pela fonte de alimentação

(1) Amplificador de classe A funcionando no limite

Amplificadores lineares

(a) Anteriormente: MOSFET ser interruptor ideal

entrada R_L C b saída L choke L C antena v ds i ds v_in(t) v_out(t) I_choke

- Sem perdas: min(v_ds)=0

(b) Além disso, o valor mínimo não é nulo pq

- Os elementos reactivos tem perdas

- Existem variações nas condições de polarização

- Tudo isto faz com que a máxima eficiência se situe abaixo de 50%

(c) Os níveis de tensão e corrente que o dispositivo deve suportar é importante

- Na classe A saber

- MOSFET deve suportar V_pk=2V_dd entre a source e o drain - MOSFET deve suportar o fluxo de I_pk=2V_dd/R_L

8

1

2







V

I

V

P

FU

(d) O factor de utilização em classe A é tal que

- O amplificador de classe A enfrenta condições muito

desfavoráveis de funcionamento

- Uso reservado quando não é possível

linearidade desejada com outras configurações

(1) Amplificador de classe B

Amplificadores lineares

(a) Nesta classe, a corrente i_ds é

- i_ds=A_RFcos(2f_RFt) , para i_ds>0 i_ds 0 I_pk t - i_ds=0 , para i_ds<0

(b) Graças ao tanque a componente fundamental da corrente na carga é

- i₁(t)=A₁cos(2f_RFt)

- onde A₁ é tal que

2

)

2

cos(

)]

2

cos(

[

2

A

dt

t

f

t

f

A

T

A











(c) Portanto, a tensão na antena é

- v_out(t)R_LA_RFcos(2f_RFt)/2

- Teoricamente, v_out é uma sinusóide pura de amplitude máxima V_dd - Adicionalmente, A_1,max=V_dd/R_L

A_RF,max=2V_dd/R_L

- max[i₁(t)]=V_dd/R_L

- max[v_out(t)]=V_dd São os mesmo valores em classe A

- Portanto, em classe B tem-se:

GRALHA

(1) Amplificador de classe B

Amplificadores lineares

(a) Calculo da eficiência máxima requer o conhecimento de

- potência máxima na carga P_RF - potência DC P_DC

(b) Potência máxima na carga P_RF ocorre quando

- max[v_out(t)]=V_dd

(c) Potência máxima na carga P_RF vale

L dd L out R V R t v RF

P





(d) Potência DC P_DC é dada pelo produto de

- tensão de alimentação Vdd pelo

- pelo valor médio da corrente Ids que flui no canal do n-MOSFET





A

dt

t

f

A

T

I







cos(

2

)

1

- Esse valor médio é

(d) A potência DC é então



V

A

V

I

P





(1) Amplificador de classe B

Amplificadores lineares

(a) Por definição, a eficiência é =P_RF/P_DC -- L dd R V RF

P







V

R

V

V

A

P







)

2

(

%

6

.

78

4

)

2

(

2















V

R

V

R

V

(c) Conclusões (comparando com a classe A)

- Eficiência maior quando comparada com a classe A

(1) Amplificador de classe C

Amplificadores lineares

(a) Nesta classe escolhe-se





- A amplitude de v_in(t)

- Para que o ângulo de condução seja tal que

- A componente DC

(b) Para ângulos de condução progressivamente menores

- Filtros evolutivamente mais selectivos (distorção harmónica crescente)

(c) A corrente no drain pode-se exprimir por

- i_ds=I_DC+i_RF(t)=I_DC+A_RFcos(2f_RFt) , para i_ds>0 - i_ds=0 _, para i_ds<0

(d) Ajustando a origem dos tempo para se ter

(e) Neste caso I_DC pode então exprimir-se em termos de



)

2

cos(



A

I





_)]

2

cos(

)

2

(

)

2

[sen(

)

cos(

2

1



























A

d

A

I

I

(1) Amplificador de classe C

Amplificadores lineares

(a) A potência DC vem então igual a P_DC=I_dsV_dd=A_RFV_dd/[sen(/2)-(/2)cos(/2)]

(b) Graças ao choque

- A componente fundamental que flúi na carga é a mesma no MOSFET e é )] sen( [ 2 ) 2 cos( 2 ₂ 2 1          



- A tensão correspondente na carga é dada por

)] sen( [ 2 ) ( ₁        RF L L out R A R i t v

- Supondo max[v_out(t)]=V_dd significa que _{[ sen( )]}

2 ) max(       RF L dd R A V

- É possível variar A_RF até atingir a máxima potência RF na carga que é

)] sen( [ 4 ) max( 2 )] sen( [ 2 ) max(         _{  }   RF dd L L RF dd RF V A R R A V P (c) A eficiência em função de



)

2

cos(

)

2

(

)

2

sen(

)

sen(

4

1























P

P

- TODAVIA, P_RF só aumenta se  também