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• Diego Felipe Silva Varela

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, RF 2016-2, CASALLAS J, SILVA D., OCANDO, E.

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Amplificador de RF Casallas, Juan Manuel; Ocando, Erick; Silva,Diego Felipe jmcasallasg, dfsilvav,eaocandos [@unal.edu.co] Universidad Nacional de Colombia

Resumen: En el presente informe se muestra el diseno ˜ de un amplificador de RF con un ancho de banda esperado de 1MHz hasta 50MHz. Se emplea una configuraci´on cascodo por su buen desempleno ˜ en frecuencia, teniendo en cuenta el efecto de las sondas de medici´on, ya que para altas frecuencias, presentan atenuaci´on de la senal ˜ medida. Este efecto puede ser compensado con un procedimiento que se explica en el presente informe. Palabras Clave — configuraci´on cascodo, atenuaci´on, ancho de banda, frecuencia de corte en alta, frecuencua de corte en baja.

I. A MPLIFICADOR L INEAL DE RF Figure 1: Esquema del circuito empleado. Se muestran los voltajes y corrientes de polarizaci´on. A. 1. Dise˜nar un amplificador lineal con las siguientes especificaciones: a) Una sola fuente de tensi´on de alimentaci´on tal que V cc < 20V . b) Frecuencia de funcionamiento que se encuentre dentro de la banda

En el circuito se hizo la polarizaci´on de tal forma que la corriente de colector fuera aproximadamente 10mA, y la corriente del lazo de las resistencias R3, R4 y R5 fuera mucho mayor que las corrientes de base de los transistores, para obtener una polarizaci´on estable. Se hizo la respectiva simulaci´on en Multisim, con el fin de obtener el gr´afico del ancho de banda del circuito, el cual se muestra en la figura 2:

1M Hz < f < 50M Hz

con una tolerancia del 1 por ciento. c) Ganancia 30dB + −2dB d) Amplitud de salida de 2.5V p, acoplada con una carga de ZL = 1kΩ

B. Simulaciones El circuito escogido finalmente es el que se muestra en la figura 1, el cual consta de una configuraci´on cascodo, con transistores 2N3904.

Figure 2: Simulaci´on del ancho de banda del circuito. Eje vertical en decibeles, eje horizonal en Hertz. Como se puede ver en la figura 2, el ancho de banda, teniendo en cuenta el criterio de los 3dB es el mostrado. La ganancia ideal del circuito es de 42dB, la cual se calcul´o por encima de los 30dB, ya que en el circuito en f´ısico la

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ganancia se reduce por efectos propios de los transistores y las resistencias, tales como el beta en el transisitor, a los valores reales de las resistencias en f´ısico y el valor de ro de los transistores. Las frecuencias de corte de 3dB se tomaron cuando la ganancia es de 39dB. (42dB − 3dB) La frecuencia de corte en baja fL en la simulaci´on es de 600kHz, la cual depende de los condensadores externos de acople. Se asume el ancho de banda propuesto como de 49M Hz (50M Hz − 1M Hz), en donde el 1 por ciento es 490KHz, as´ı pues la frecuencia de corte en baja est´a dentro del l´ımite solicitado. La frecuencia de corte en alta fH est´a determinada por las capacitancias internas del transistor, sin embargo, esta frecuencia de corte en el montaje f´ısico puede ser afectada por capacitancias par´asitas de la protoboard. De todas formas, la frecuencia de corte en alta ideal es de 90M Hz en la simulaci´on.

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pero el efecto era el mismo. Despu´es se confirm´o que este efecto de atenuaci´on es debido a las sondas de medici´on, cuyo comportamiento a altas frecuencias (frecuencias del orden de MHz) presentan una atenuaci´on de la se˜nal medida por la naturaleza propia de la sonda.

Figure 4: Voltaje de salida medido en el osciloscopio a 1MHz. Amplitud pico a pico de salida: 2.26V Amplitud pico a pico de entrada: 80mV

Figure 3: Forma de onda del voltaje de entrada y de salida para una frecuencia de 1MHz. Amplitud pico a pico de entrada: 28mV. Amplitud pico a pico de salida: 2.8V Como se puede ver en la figura 3, la amplitud del voltaje de salida es cercana a 2.5V pp, sin distorsiones ni recortes. C. Procedimiento Se hizo el respectivo montaje del circuito de la figura 1 en la protoboard. Los valores de resistencia que no son normalizados se obtuvieron colocando en serie dos resistencias de tal manera que su suma resultara en el valor deseado, esto para el caso de las resistencias de 560Ω, 240Ω y 75Ω. Los valores de resistencia medidos fueron muy cercanos a los requeridos. Al hacer la respectiva medida en el osciloscopio, desde 1M Hz hasta 50M Hz se observ´o que la amplitud de la se˜nal de salida se iba atenuando conforme se aumentaba la frecuencia. Al principio se pensaba que era producto de los efectos par´asitos de la protoboard, por lo cual se hizo el montaje del circuito en baquelita para eliminar tales efectos,

Figure 5: Voltaje de salida medido en el osciloscopio a 17MHz. Amplitud pico a pico de salida: 176mV Amplitud pico a pico de entrada: 80mV

Se hizo la medida de la ganancia desde 1M Hz hasta 50M Hz, midiendo en la base del transistor donde se conecta la se˜nal de entrada, y en sobre la resistencia de 1kΩ de carga en la salida, obteniendo el gr´afico de la figura 6.

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Figure 8: Gr´afica de atenuaci´on con Z = Zin Figure 6: Gr´afica de la medida de la ganancia Vout/Vbase en veces. Se observa el efecto atenuador de las sondas.

Del mismo modo, se toman las medidas tomando Z = Zout , obteniendo la gr´afica mostrada en la figura 9:

Conociendo el efecto atenuador de la sonda, se hace el procedimiento respectivo para compensar esta atenuaci´on, y obtener indirectamente el comportamiento del amplificador en la banda desde 1M Hz hasta 50M Hz. Este procedimiento se explica a continuaci´on. En primer lugar, se debe obtener la resistencia de entrada Zin y de salida Zout del circuito de la figura 1. La medidas correspondientes fueron: Zout = 1.7kΩ

Zin = 950Ω

Figure 9: Grafica de atenuaci´on con Z = Zout

Conociendo de esta forma la atenuaci´on producida por la sonda de entrada y la de salida, es posible reconstruir la ganancia del amplificador, punto a punto, como un esquema en cascada, del amplificador, de la sonda de entrada y de la sonda de salida, como se muestra en la figura 10.

Figure 7: Esquema para caracterizar la atenuaci´on de las sondas En la figura 7 se muestra el esquema para caracterizar las sondas. Para caracterizar la sonda a la entrada, se mide con una resistencia Z = Zin , y para la sonda de salida con una resistencia Z = Zout . Se consignan en una tabla las medidas de V base y V salida para frecuencias desde 1M Hz hasta 50M Hz. Se hicieron las respectivas mediciones. La gr´afica de atenuaci´on obtenida para Z = Zin es la mostrada en la figura 8:

Figure 10: Esquema de las ganancias en cascada para reconstruir la ganancia del amplificador. Las atenuaciones de las sondas se ponen como inverso para hacer la compensaci´on

De esta forma, es posible obtener una grafica de la ganancia del amplificador, obtenida de manera indirecta, teniendo en cuenta las atenuaciones de las sondas. La gr´afica obtenida se muestra en la figura 11.

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Figure 11: Grafica de la ganancia compensada, haciendo el producto planteado en la figura 10 Se puede apreciar que la ganancia del amplificador dentro del ancho de banda desde 1M Hz hasta 50M Hz tiende a ser constante, con una ganancia de aproximadamente 34 veces. Debido a que es un procedimiento indirecto, las incertidumbres y el error de la medida reconstruida aumenta, producto de la propagaci´on de incertidumbre de las mediciones directas de las que fueron derivadas [2]. II. C ONCLUSIONES •

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El dise˜no de amplificadores en RF debe tener en cuenta el comportamiento a altas frecuencias de los componentes del circuito en s´ı (resistencias, transistor, condensadores, protoboard), como de los elementos de medici´on (sondas) y de los instrumentos de medida (generador de se˜nales y osciloscopio), ya que conociendo lo anterior, es posible interpretar las medidas tomadas y emplear un procedimiento adecuado para reconstruir el comportamiento real del circuito. La configuraci´on cascodo es una configuraci´on robusta en frecuencia, ya que permite un amplio ancho de banda, esto debido a que la disposici´on de las capacitancias internas hace que la frecuencia de corte en alta fL sea m´as alta[1]. R EFERENCES

[1] Sedra,A. Circuitos microelectr´onicos, 6a Edici´on. 2006. [2] Introducci´on al estudio de las mediciones. Universidad de Sonora. M´exico. Disponible en linea: http://www.fisica.uson.mx/manuales/mecyfluidos/mecyflu-lab001.pdf

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