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Amplificador de RF

AMPLIFICADOR DE RF OBJETIVOS DEL EXPERIMENTO

A. Identificar una etapa amplificadora de RF que se utiliza en un amplificador típico de baja frecuencia y medir los voltajes de operación de dc. B. Mostrar la operación de la etapa amplificadora de RF en un transmisor de baja potencia y ajustar la red de acoplamiento para una carga reflejada y potencia de salida correctas a la frecuencia de operación. C. Verificar que en un amplificador de clase C, el transistor conduce durante menos que 180 grados de la señal de entrada. D. Verificar que la red de acoplamiento opera como un circuito de transferencia de impedancia.

COMPONENTES BÁSICOS

1. Los transistores requieren de amplificación de voltaje y potencia para radiar señales de RF a grandes distancias. 2. Los amplificadores de poder generalmente operan en clase C para una mejor eficiencia. 3. En un amplificador de clase C, la corriente de colector fluye durante menos de 180 grados de la señal de entrada. 4. Los amplificadores de clase C utilizan la fuente de poder con mayor eficiencia que los de la clase A o B debido a que o están apagados y no consumen potencia o están totalmente encendidos y consumen la potencia mínima. 5. Las redes de acoplamiento se utilizan para suministrar igual impedancia de la antena y de la etapa amplificadora de potencia final. 6. Las redes de acoplamiento también suministran filtrado de frecuencias armónicas indeseables (múltiplos de la frecuencia fundamental). 7. Las redes de acoplamiento utilizan componentes reactivas para el almacenaje de energía y pérdida mínima de potencia, y generalmente suministran capacidad de sintonización para la etapa amplificadora de potencia final.

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Amplificador de RF INFORMACIÓN PRELIMINAR

Las etapas amplificadoras de RF de un transistor amplifican la señal de RF a un nivel suficientemente elevado para operar la antena. Son comunes dos tipos de etapas amplificadoras de RF: los amplificadores de voltaje y los amplificadores de poder. Los amplificadores de voltaje preceden a los amplificadores de poder y generalmente sirven para un doble propósito: (1) aíslan o amortiguan la fuente de RF del amplificador de poder para impedir que el último cargue al primero, y (2) suministran una amplificación de voltaje para operar el amplificador de poder. Por lo general los amplificadores de voltaje operan como amplificadores de clase A debido a que la linearidad es un factor importante en el propósito para el que sirven. Los amplificadores de poder de RF son las últimas etapas activas antes de la antena de transmisión. Suministran toda la amplificación de potencia necesaria para radiar la señal de RF al espacio. La eficiencia es de importancia primaria en las etapas amplificadoras de poder, ya que toda potencia perdida o no desarrollada significa menos potencia disponible para la radiación. La mayoría de los amplificadores de potencia de RF operan en clase C debido a que tiene mayor eficiencia que la clase A o la clase B. Los amplificadores clase C están polarizados, de manera que normalmente estén en corte. La señal de entrada debe ser suficientemente positiva (suponiendo un transistor NPN) para llevar el amplificador del corte a la conducción. Antes de que la señal de entrada complete los 180 grados del semiciclo positivo, el amplificador regresa al corte y permanece así durante toda la alternación negativa. La corriente de salida queda en forma de pulso de duración corta, que fluye durante menos de 180 grados de la señal de entrada. Durante este tiempo se entrega energía al circuito de carga. De esa manera, el transistor está cortado casi todo el tiempo o está operando en la saturación o próximo a ella. En el estado de conducción cae poco voltaje a través del transistor. Se sigue que la eficiencia es mejor en la operación en clase C ya que el tiempo de encendido es corto en comparación con el tiempo de apagado, y en el transistor se consume muy poca potencia durante la conducción. Los amplificadores de clase C, utilizados como amplificadores de poder de RF, generalmente operan a una carga reactiva o sintonizada. El propósito es que la carga pueda suministrar su propia energía mientras el transistor está en corte, especialmente si se desea una onda simétrica de salida. Los circuitos reactivos o sintonizados son los únicos circuitos eléctricos capaces de almacenar energía y entregarla a una carga cuando se quita la fuente de energía.

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Amplificador de RF Entre el amplificador final de poder y la antena de transmisión se utiliza una red de acoplamiento integrado por componentes reactivos. El propósito de esta red es igualar la impedancia de salida del amplificador de poder a la impedancia de la antena y viceversa, para que se transfiera la máxima potencia a la carga acoplada. En este respecto, se puede considerar a la red de acoplamiento como un transformador de impedancias. Por ejemplo, suponga que la impedancia de salida del amplificador de poder es de un KΩ y que la impedancia de la antena es de 50 Ω. La red de acoplamiento hace que la impedancia de la antena de 50 Ω le parezca de 1 KΩ al amplificador de poder y al mismo tiempo hace que la impedancia del amplificador de potencia de 1 KΩ parezca como de 50 Ω a la antena. De esta manera, a cada uno le parece que el otro esta acoplado a su impedancia característica y opera con la mínima pérdida de potencia y máxima eficiencia. Se considera que la red de acoplamiento es parte de la etapa amplificadora de potencia ya que generalmente forma parte del circuito sintonizado. Debido a que está diseñada para operar dentro de una banda específica de frecuencias, la red de acoplamiento también sirve para filtrar o suprimir señales indeseables (armónicas). Esta característica es especialmente benéfica cuando se utiliza con los amplificadores de clase C, que debido a su salida de tipo de pulsos, generan un gran número de armónicas.

EQUIPOS Y COMPONENTES

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Fuente de energía (9 Vdc – 1 mA).

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Multímetro digital.

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Osciloscopio.

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Generador de AF

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Generador de RF

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01 Resistencia 47 KΩ = R1

-

01 Resistencia 10 KΩ = R2

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03 Resistencia 4,7 KΩ = R3, R6 y R7

-

02 Resistencia 1 KΩ = R4 y R8

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02 Resistencia 100 Ω = R5

-

03 Condensador 0,1 µF = C1, C2 y C7

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03 Condensador 0,01 µF = C3, C4 y C8

-

01 Condensador 390 pF = C5

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Amplificador de RF -

01 Condensador 330 pF = C6

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02 Bobinas 215 µH = L1 y L2

-

02 Transistores NPN 2N2219A = Q1 y Q2

PROCEDIMIENTO

Objetivo A: Identificar una etapa amplificadora de RF que se utiliza en un amplificador típico de baja frecuencia y medir los voltajes de operación de dc.

Figura 1 1.a.

Examinar las etapas amplificadoras de RF en el circuito de la figura 1. Q1 es un amplificador de voltaje de clase A que se utiliza para aumentar la señal de RF a un nivel suficiente para operar Q2. El transistor Q2 es un amplificador de poder de clase C. La bobina L1 es la carga de colector para Q2. El circuito que consiste en C5, C6 y L2 es una red de acoplamiento. La resistencia R7 sirve, en vez de la antena como carga ficticia para el amplificador de RF para impedir la radiación de la señal de RF. La resistencia R7 se aproxima a la impedancia de la antena. Las bobinas L1 y L2 son ajustables, de manera que se pueda sintonizar la etapa amplificadora de potencia de RF para una máxima salida a la frecuencia de operación. Los condensadores C7 y C8 son de desacoplamiento para reducir aún más la RF y desacoplar las variaciones de AF del voltaje fuente VCC. El amplificador de voltaje Q1 no esta sintonizado en este circuito, de manera que pueden examinarse los efectos de sintonización del amplificador de poder Q2. En los circuitos de transmisión de mayor potencia son comunes las etapas sintonizadas múltiples.

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Amplificador de RF Observar el circuito de base de Q2. Sin señal aplicada, ¿esta Q2 polarizado directamente y conduce? Explíquelo. 1.b.

¿Conduce Q2 bajo la señal aplicada?

1.c.

¿Q2 conduce en la alternancia negativa del voltaje aplicado?

1.d.

Recordando que la corriente de colector para la operación en clase C fluye durante menos de 180 grados de la señal de entrada, ¿Diría que Q2 opera en clase C?

1.e.

Si se aplica una polarización negativa a la base de Q2, describir la operación del circuito en clase C.

1.f.

Indicar si el amplificador Q1 de voltaje esta operando como amortiguador para la fuente de RF o como impulsor para Q2 en este circuito, o si puede operar en ambas formas. Explíquelo.

2.a.

Conecte el circuito como se indica en la figura 1. Conectar los puentes J1 y J2 de manera que la red de igualación C5, C6 y L2 y la resistencia de carga R7 se conecten al colector de Q2.

2.b.

Ajustar la fuente de energía a 9Vdc.

2.c.

Medir y registrar los voltajes de operación de Q1 y Q2 con respecto a tierra. Usar el multímetro. VC1 = _____ Vdc

VC2 = _____ Vdc

VB1 = _____ Vdc

VB2 = _____ Vdc

VE1 = _____ Vdc

VE2 = _____ Vdc

2.d.

¿Está polarizado directamente Q1?

2.e.

Indicar si Q2 esta en corte.

Objetivo B.

Mostrar la operación de la etapa amplificadora de RF en un transmisor de

baja potencia y ajustar la red de acoplamiento para una carga reflejada y potencia de salida correctas a la frecuencia de operación.

3.a.

Nuevamente observe el circuito de la figura 1. La carga del colector de Q2 consiste en L1 en paralelo con la red de acoplamiento C5, C6 y L2 y la carga ficticia R7. Cuando Q2 conduce, el pulso de corriente en el colector hace que las componentes reactivas de la carga “oscilen” a la frecuencia de resonancia del circuito. Esta oscilación se debe a una acumulación rápida de energía

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Amplificador de RF almacenada que se entrega a sus componentes reactivas. Durante el periodo de conducción se suministra potencia directamente a la carga. Cuando Q2 está en corte, las componentes reactivas siguen suministrando energía almacenada a la carga, por lo que la señal a través de la carga aparece como una onda continua en la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado. La red de acoplamiento es, en realidad, el circuito de resonancia formado por C5 en paralelo con la combinación en serie de C6 y L2. Esta red transmite máxima potencia ajustando L2 en serie con C6 para dar una reactancia inductiva neta para resonar con C5 y simultáneamente reflejar la impedancia de igualación aproximada al colector de Q2. L1 sólo sirve como elemento de almacenaje de energía y no es parte del circuito sintonizado, lo que puede verificarse por la naturaleza no crítica de su ajuste. Sin embargo, es crítico el ajuste de L2 en la red de acoplamiento, ya que afecta la impedancia reflejada de la carga y por tanto la salida de potencia del circuito. El propósito de este procedimiento es ajustar la red de acoplamiento para la impedancia de igualación correcta entre Q2 y la carga ficticia de manera que Q2 opere a la máxima eficiencia y se desarrolle la salida de potencia requerida entre a través de R7. Este es un ajuste típico en un transmisor real, de manera que se logra la mejor eficiencia del amplificador de poder y se suministre la salida especificada de potencia a la antena. También debe notarse que el circuito sintonizado utilizado tiene una respuesta a la frecuencia relativamente ancha (Q baja). Si se deseara mayor atenuación de las frecuencias indeseadas, se podría utilizar un circuito de mayor Q. El circuito de mayor Q sería más crítico a la frecuencia de resonancia y todavía se requeriría acoplamiento. Cuando simultáneamente se requiere óptima sintonía y acoplamiento, se hacen variables tanto L2 como C5 y se ajustan al mismo tiempo. 3.b.

Ajustar los tornillos de sintonía de L1 y L2 al centro aproximado de su rango de sintonía. Utilizar un destornillador no metálico o neutralizador para hacer todos los ajustes respectivos.

3.c.

Ajustar el generador de RF para una salida no modulada de 800 KHz.

3.d.

Conectar la salida del generador de RF al condensador C1 de entrada del circuito amplificador de RF. Ajustar el nivel de salida del generador de RF a 200 mV de pico a pico.

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Amplificador de RF 3.e.

Mover la punta del osciloscopio al colector de Q2. Usando el neutralizador, ajuste el tornillo de sintonía de la bobina L2 hasta que el osciloscopio despliegue la máxima amplitud.

3.f.

¿Por qué se obtiene máxima deflexión al ajustar L2?

3.g.

Aumentar la salida del generador de RF a 600 mV de pico a pico. Usar el osciloscopio para medir el nivel de voltaje.

3.h.

Vigilar nuevamente la salida de Q2. ¿Se opera Q2 hasta la saturación? Con Q2 operando entre el corte y la saturación, ¿Aumenta o disminuye la eficiencia del circuito?

3.i.

Conectar la punta del osciloscopio a través de la resistencia de carga ficticia R7. Usando el neutralizador, ajustar cuidadosamente el tornillo de L2 hasta que el osciloscopio despliegue una señal de aproximadamente 40 Vpp.

3.j.

Este amplificador de poder de RF fue diseñado para entregar una potencia promedio de 40 mW a una carga de 4,7 KΩ. Calcular la potencia que se desarrolla a través de la carga utilizando el valor indicado de R7 y el voltaje de carga de 40 V de pico a pico. Para encontrar la potencia promedio debe de cambiar el voltaje de pico a pico a rms. PO = E2/R PO = _____ mW

3.l.

Cuando esta debidamente sintonizada para la potencia de salida especificada a través de la carga, la red de acoplamiento debe de reflejar la impedancia correcta de vuelta al circuito de colector Q2, de manera que opere con la mejor eficiencia. La impedancia correcta para Q2 en este circuito es de 1 KΩ. Calcular la impedancia reflejada utilizando la siguiente formula. 2

R(reflejada ) = 3.l.

VCC 2 PO

¿Por qué se desentonizó L2 ligeramente en (3.i.) para dar la señal de 40 Vpp a través de R7?

Objetivo C. Verificar que en un amplificador de clase C, el transistor conduce durante menos que 180 grados de la señal de entrada

4.a.

Desconectar la punta del osciloscopio de la resistencia de carga R7.

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Amplificador de RF 4.b.

Observar la onda en la base de Q2. La onda en el osciloscopio debe ser semejante a la mostrada en la figura 2. Los valores de voltaje y periodo indicados en la onda so típicos.

Figura 2 4.c.

Medir los tiempos de “apagado” y “encendido” del transistor. Medir desde el punto justo donde comienza la curva en la porción positiva de la onda. Tapagado = __________ µseg. Tencendido = __________ µseg.

4.d.

Medir la amplitud del pequeño voltaje positivo que aparece en la onda arriba del eje de las X. Amplitud positiva = _________ V

4.e.

¿Por qué casi toda la onda está recortada en la alternación positiva y cuál es el significado del pequeño voltaje positivo que aparece arriba de la línea de referencia horizontal que no está recortado?

4.f.

¿Por qué se recorta la porción negativa de la onda?

4.g.

Calcular el periodo total de una onda completa en el osciloscopio sumando los tiempos de encendido y apagado medidos en (4.c.)? Ttotal = Tapagado + Tencendido

4.h.

Calcular el ángulo de conducción de Q2 en grados con respecto a un ciclo completo de 360 grados. Usar el tiempo de encendido (4.c.) y el tiempo de (4.g.). Angulo de conducción =

Tencendido × 360° Ttotal

4.i.

En base a las mediciones y cálculos, ¿diría que Q2 opera en clase C?

4.j.

Reducir todas las fuentes de voltaje a cero y desconecte el osciloscopio.

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Objetivo D. Verificar que la red de acoplamiento opera como un circuito de transferencia de impedancia.

5.a.

Desconectar el puente J1 entre el colector de Q2 y la entrada de la red de igualación C5, C6 y L2 de su circuito amplificador de RF. No desconecte la resistencia de carga R7.

5.b.

Conectar el generador de RF a la entrada de la red de acoplamiento en el punto A. Como se muestra en la figura 3.

Figura 3 5.c.

Verificar que el generador de RF esté ajustado para una salida no modulada a la frecuencia de 800 KHZ. Ajustar la salida del generador de RF a 400 mVpp.

5.d.

Mover la punta del osciloscopio a la unión de R8, C5 y C6. Ajustar el tornillo de sintonía de la bobina L2 hasta que la onda en el osciloscopio muestre máxima deflexión. La red de acoplamiento estará en resonancia en paralelo (C5||C6-L2) en este punto. Registrar la amplitud de pico a pico de la forma de onda.

5.e.

Si se mide la mitad del voltaje de entrada en la unión de R8 y C5-C6 y el valor de R8 es de 1 KΩ, ¿qué le indica con la relación a la impedancia de entrada de la red de acoplamiento?

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Amplificador de RF 5.f.

Medir el voltaje a través de la resistencia de carga ficticia R7 utilizando el osciloscopio. ER7 = _________ mV

5.g.

Calcular la potencia de entrada a la red de acoplamiento y la potencia de salida a través de R7. Usar los valores de voltaje medidos en (5.d.) y (5.f.). Usar el valor de 1 KΩ para la resistencia de entrada de la red de acoplamiento. Asegúrese de convertir el voltaje pico a pico a rms antes de hacer los cálculos. Pentrada = E2/Rentrada Psalida = E2/R7

5.h.

Indicar si la potencia de salida es aproximadamente igual a la de entrada.

5.i.

Para que ocurra la máxima transferencia de potencia entre dos impedancias cualesquiera, sus valores deben ser iguales. Ya que las potencias de entrada y salida de la red de acoplamiento son casi iguales, excepto por pequeñas pérdidas de la red, ¿diría que la red de acoplamiento parece tener iguales impedancias de entrada y salida?

5.j.

Volver la salida del generador de RF a cero.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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