Microssistemas de RF - USP · Amplificadores de potência - Tal como na classe E, aqui tenta-se -...

Microssistemas de RF

Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL

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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

[email protected]

Sumário

1 – Amplificadores de potência comutados

1.1 – Classe D

1.2 – Classe E

1.3 – Classe F

(1) Amplificadores lineares

Amplificadores de potência

- Conduzir durante toda ou parte da duração de um ciclo da portadora

- Polarizados por forma a

(a) Tensão Vds0

(a) O produto VdsIds é a potência dissipada no MOSFET

- Desperdício de energia eficiência<100%

- Consequências disto:

- Sujeito à existência simultânea de

(b) Corrente Ids0pelo menos no todo/parte de TRF

- Existência de um produto VdsIds0

(b) Consequências de VdsIds0

- Os picos podem ter amplitude passível de destruir o MOSFET

(2) Amplificadores comutados

- Excelente alternativa para

- Elevada potência entregue na carga (antena)

- Eficiências reais muito próximas de 100%



- Se os elementos comutadores forem ideais

- Máxima eficiência pode ser de 100%

- Comutadores ideais

(a) Resistência nula durante a condução

(b) Resistência infinita durante o corte

- Produto VdsIds=0 sempre

- Potência instantânea dissipada no MOSFET é nula

- Na prática não há comutadores ideais

(a) Tempos de comutação ON/OFF e OFF/ON não são nulos

(a) Resistência durante a condução não é nula

vds

t

ids

pinst

=vds

ids t

vds

ids

pinst

=vds

ids

t

t

Condução (ON) conduçãoOFF OFF

corte

- Existência de picos de potência não nulos ou mesmo muito elevados



- Maximização simultânea de

- Projecto do PA deve ter em conta os objectivos

- Mantendo a dissipação de energia dentro dos limites de segurança

(a) da potência fornecida à carga

(b) da eficiência

- Supondo que o PA só possui 1 MOSFET

- Para se perceber o nível de compromisso num PA comutado

- Aumentar a largura canal do MOSFET

- Diminui a resistência

- Aumenta as capacidades parasitas

- Aumenta os tempos de comutação

GANHO

PERDAversus

Trade-off

- Aumenta possibilidade de picos de potência progressivamente

destrutivos durante as fases de comutação

- Melhorou comportamento do MOSFET

diminuindo a potência instantânea

(1) PA de classe D


- Assegurar que apenas 1 e 1 só MOSFET conduz durante meio ciclo de RF

- Realização em configuração push-pull

(a) Quando M1 comuta de OFF para ON

nv

in(t) T

1T

2

n

n

RL

(antena)

vout

(t)

A

C L

B

C

M1

M2

D

E

VAB

VBC

- Acoplamento entrada/saída feito por 2 transformadores

- As ligações dos transformadores é feita de forma a

- Sempre que 1 MOSFET comuta de OFF para ON

- Força VA=0 V (liga o ponto A à massa)

(b) Quando M2 comuta de OFF para ON

- Força VC=0 V (liga o ponto C à massa)

(1) PA de classe D


- Graças a T2 cujos enrolamentos são percorridos pelo mesmo fluxo


nv

in(t) T

1T

2

n

n

RL

(antena)

vout

(t)

A

C L

B

C

M1

M2

D

E

VAB

VBC

- As comutações quando ligam os drain de M1/M2 à massa

- Força VC=2Vdd

(c) Quando VC=0 V (segundo meio ciclo de RF)

- Força VA=2Vdd

(d) VAB=-Vdd ou VBC=+Vdd consoante M1 ou M2 esteja a conduzir

(a) VB=Vdd (SEMPRE) por causa da fonte de tensão

(b) Quando VA=0 V (primeiro meio ciclo de RF)

(1) PA de classe D


(a) +2Vdd se M1 conduz


nv

in(t) T

1T

2

n

n

RL

(antena)

vout

(t)

A

C L

B

C

M1

M2

D

E

VAB

VBC

- As comutações criam a tensão VCA (diferencial) no primário de T2, igual a

- Na carga tem-se onda sinusoidal pura de frequência fRF (FUNDAMENTAL)

(b) -2Vdd se M2 conduz

- A onda rectângular com duty-cicle igual a 50% no primário

(a) Surge no secundário com componente DC nula

(b) Valendo +Vdd ou -Vdd no 1º e no 2º meio período de RF

(c) ISSO ACONTECE NA AUSÊNCIA DO TANQUE, porque de outra forma

(1) PA de classe D


nv

in(t) T

1T

2

n

n

RL

(antena)

vout

(t)

A

C L

B

C

M1

M2

D

E

VAB

VBC

- Sem o tanque, a onda rectangular no secundário de T2 em série de Fourier é

- O tanque é um CC para a componente referente a k=1 (FUNDAMENTAL)

(a) Cuja amplitude é V1=Vdd4/

(b) A potência entregue na carga será de

1

1

2T ])12(2cos[)12(

)1(4)(

k

RF

k

ddsec, tfkk

Vtv

L

dd

L R

V

R

V

RFP2

)]/4([)2/(22

1

- A máxima eficiência para MOSFETs e elementos reactivos ideais

- Nesta classe, o factor de utilização é

32.01

2

2

1

2

1

L

dd

L

R

VV

R

V

FU

(1) PA de classe E


- Para isso usam-se redes de carga

- Procura-se controlar o nível de perda nos comutadores

(a) Evitar sobrepor uma tensão Vds e uma corrente Ids durante a condução

(b) Forçar Vds nulo durante a comutação (mesmo que o tempo seja elevado)

(c) Por forma a ter VdsIds nulo e picos de potência nulos

entrada

RL

saída

Lchoke

L

cargavin(t)

vout

(t)

C2

C1

(1) PA de classe E


- Malha de carga projectada tendo em conta

(a) Vds não aumenta enquanto Ids não for zero

entrada

RL

saída

Lchoke

L

cargavin(t)

vout

(t)

C2

C1

(b) Vds descer a zero antes do comutador ser fechado (fazendo Ids0)

(c) Vds/t=0 enquanto SW fechado, evitando variações enquanto Vds0

(1) PA de classe E


entrada

RL

saída

Lchoke

L

cargavin(t)

vout

(t)

C2

C1

- Função de alguns diversos componentes(a) Lchoke: comporta-se como fonte de corrente constante

- Se RLRant usar uma malha de adaptação

com Zin=RL e Zout=Rant

(a) CURTO-CIRCUITO para a componente DC

(b) CIRCUITO ABERTO para a componente de RF (e outras também ☺)

(b) C1: absorve as capacidades parasitas do MOSFET

- Se o projecto impuser C1=4 pF e Cparasita=300 fF C´1=3.7 pF

- O projecto do PA não é totalmente uma “receita” porque

(a) Existe componentes parasitas doutra natureza que não os componentes

(b) Existem acoplamentos parasitas entre sinais (PCB, geradores, fontes, etc)

- Sendo assim, o projecto é feito com base em

- Minimizar as perdas na rede de carga

- Mantendo freqs s de fRF abaixo de valor minimamente aceitáveis

(1) PA de classe E


- Receita

entrada

RL

saída

Lchoke

L

cargavin(t)

vout

(t)

C2

C1

(a) Seleccionar L do catálogo

- L com o maior Q para minimizar perdas

(para MÁXIMA EFICIÊNCIA)

- L respeitando requisitos de LB da aplicação

(b) Obter C1 e C2Rf

Rf

CRF

RF

894.10

1

)14

(

12

2

1 )08.2

42.11(

447.512

QQCC

- Corrente no MOSFET

(a) ids=A1cos(2fRFt)

- Tensão de pico possível no MOSFET imediatamente à passagem de ON para OFF

(a) Vds,pk=3.562Vdd-2.562Vds,ON

(b) Amplitude: A1=1.77Vdd/RL

(b) Indica a máxima tensão suportável pelo MOSFET

- Excessivamente elevado

- Torna exigente a selecção do MOSFET

- Especialmente se Vds,ON=0 Vds,pk4Vdd (QUASE!)

(1) PA de classe E


- Nesta classe

(a) Máxima potencia na carga

FU=PRF/(Vds,ON×A1)0.098

L

dsdd

L

dsdd

RFR

VV

R

VVP

2

ON,

4

2

ON, )(58.0)

1

2(

)(2

(b) Factor de utilização

- Muito baixo

(a) Requisitos de comutação do MOSFET muito exigentes

(b) Mesmo comparado com a classe A (onde FU=1/8=0.125)

(c) Se RLRant usar uma malha de adaptação com Zin=RL e Zout=Rant

RL

Cb

Saída

Antenads

vout

(t)

Lchoke

v

ids

Ichoke

L

C

L0

C0

malha LC

adaptadora

Zin

Zout

vin

(t)

Cbias

RbiasV

bias Lmalha

Cmalha

malha LC

adaptadora

Zin

Zout

RL

antena

vout

(t)

Lchoke

L

vin(t)

C2

C1

(d) Malhas L/C de adaptação (exemplos nas classes A e E)

(1) PA de classe F


- Tal como na classe E, aqui tenta-se

- Minimizar as perdas na rede de carga

entrada

Lchoke

vin(t)

vout

(t)

Cb

RL

Saída

carga

LC

RFfportadora,

dafrequênciaà4

λ

Z0

=Z0- Existe indutância de choque

- A rede de carga é diferente

(b) Usa linha de transmissão

(a) Não se baseia em elementos discretos

- Existe um tanque

- Com frequência de ressonância igual a fRF

- Cujo comprimento é ¼ de comprimento de onda (/4) à frequência fRF

- Possui impedância característica Z0

- Z0 é tal que à frequência fRF (e múltiplos) se tem a relação2

0ZZZ outin

- A jusante de Cb deve-se ver RL Z0=Zin=Zout=ZL (à frequência fRF)

- O tanque é um CC para as restantes frequências, fazendo

- Zout=0

- Como ZinZout=Z02 Zin= A jusante de Cb vê 1 CIRCUITO ABERTO

L

dd

L

dd

RFR

V

R

V

P2

)4

(2

)4

(

2

2

(1) PA de classe F


- O comportamento conjunto do

- Tanque

entrada

Lchoke

vin(t)

vout

(t)

Cb

RL

Saída

carga

LC

RFfportadora,

dafrequênciaà4

λ

Z0

=Z0- Linha de transmissão

- Assegura que na saída

- Corrente e tensão sejam puramente sinusoidais à frequência fRF

- Se a tensão no drain for rectangular com

- Duty-cycle = 50%

- Valor pico-a-pico igual a 2 Vdd

- Na carga existe apenas a

fundamental A1 @ fRF

- Então pode-se exprimir em série de Fourier

- A potência na carga deve-se somente à

amplitude A1 da fundamental

- Nesta classe FU=0.32 (MELHOROU relativamente às classes E e A)

(igual ao da classe D mas somente com 1 MOSFET)

Comparação das diversas classes


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