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• Hernan Quintero

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Ingeniería de Telecomunicaciones – Sistemas de Comunicaciones II

1.1.

CONSTRUCCIÓN DE BOBINAS

1. OBJETIVOS 

General: Diseñar y construir una bobina de RF.



Específicos: Identificar los componentes mas apropiados para la construcción de bobinas. Comprender los principios básicos del diseño y la construcción de bobinas.

2. MARCO TEÓRICO La inductancia en una bobina es directamente proporcional al número de vueltas para cualquier tipo de núcleo, directamente proporcional al área y permeabilidad del material del núcleo, e inversamente proporcional a la longitud. Las bobinas de RF tienen Q [30 -300]; el Q de una bobina esta dado por:

Q

Potencia _ reactiva _ en _ la _ bobina Potencia _ reactiva _ disipada _ en _ R Q

I2 X

L

I 2  RL X Q L RL

Un valor alto de inductancia se logra colocando en la bobina un núcleo ferro-magnético; sin embargo, se presentan pérdidas de energía en los inductores. El hierro tiende a oponerse a cualquier cambio en su estado magnético, por tanto una señal de corriente que cambie rápidamente, como lo es la señal de corriente alterna de alta frecuencia, debe suministrar energía al hierro para vencer esa inercia, las pérdidas de este tipo, son pérdidas por histéresis. Las corrientes de Foucault representan una pérdida de potencia puesto que circulan a través de la R del hierro y, por tanto, producen calentamiento. Dichas pérdidas se reducen laminando el núcleo. Las pérdidas por Foucault e histéresis son directamente proporcionales a la F de la señal.

Ing. Tatiana Cabrera Vargas

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Los núcleos de hierro normales sólo se pueden usar en bajas frecuencias y audiofrecuencia hasta de 15 Khz. El inductor toroidal no requiere de un núcleo ferromagnético y puede construirse perfectamente con núcleo de aire, como cualquier solenoide. A frecuencia más altas, inductancias más bajas y a su vez menor número de espiras. 3. MATERIALES 5. 6. 7. 8. 9.

Generador de señales. Fuentes de alimentación. Osciloscopio Condensadores, resistencias, transistores y bobinas. Medidor de inductancias.

4. PROCEDIMIENTO CONSTRUCCIÓN DE BOBINAS: Diseñar y construir las siguientes bobinas.

Figura 1. Modelos de bobinas a diseñar.

LT  100H Use alambre lo mas delgado posible, calibre 28,30,32. Medir cada bobina (LT) para varias frecuencias. Medir la relación de transformación. Evaluar L con voltímetro y generador. CALCULO DE INDUCTANCIAS. 

Inductor del tipo solenoide: para el cálculo de bobinas tipo solenoide de una sola capa se utiliza la fórmula de WHEELER. 2

2

0.001* n * D L(H )  l  0.45  D

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n: número de espiras. D: Diámetro de la bobina en mm. l: Longitud del embobinado en mm.

Figura 2. Características para el diseño de las bobinas.

La precisión alcanza el 1% para bobinas cuya relación L/D> 0.4 

Inductor monocapa con núcleo. 2

L

 *1.257 * n * S 108 * l S(cm2)=pi*R2

l

µ

DE MATERIALES DIAMAGNÉTICOS

µ

DE MATERIALES PARAMAGNÉTICOS

µ

DE MATERIALES FERROMAGNÉTICOS

µ cobre = 0.999992 µ plata = 0.999989 µ oro = 0.999986

µ vanadio = 1.000001 µ cromo = 1.000003 µ manganeso = 1.000010

µ hierro = 10-100 µ aleación supermalloy = 1000001000000

µ DE OTROS MATERIALES.

Inductancia en Henrios. µ aire = 1 Permeabilidad del núcleo. µ ferrita = 10 Número de espiras de la bobina. Superficie cubierta por el núcleo en cm2 Longitud de la bobina en cm.

L: µ: n: S: l: 

Inductancia de un Toroide.

La fórmula se aplica para cualquier tipo de núcleo y de cualquier forma: de sección rectangular o cuadrada (usada en RF).

L (mH)  0.0002 *  r * n 2 * h * Ln(dextdint)  0.00046062 *  r * n 2 * h * Log10 (dextdint) h: dext: dint: µr:

Altura del Toroide en mm. Diámetro externo, sin importar unidades, siempre y cuando sean iguales. Diámetro interno, sin importar unidades, siempre y cuando sean iguales. Permeabilidad relativa del material del núcleo.

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Figura 3. Características de un conductor.

Los fabricantes de material magnético toroidal proveen el número “AL” que simplifica los cálculos para construir una bobina. Dicha información se proporciona en la hoja de datos y en general representa mH cada 1000 espiras ó µH cada 100 espiras. La inductancia se calcula así:

L  AL * (n

)2

100

Para calcular el número de espiras.

n  100 *

Ldeseada AL

Dirección electrónica para examinar algunos ejercicios de cálculos de bobinas:

http://www.geocities.com/eqrs/mtu/formul15.html http://www.ee.surrey.ac.uk/workshop/advice/coils/terms.html 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 4 Diagrama de bloques para la construcción de bobinas.

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6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES 

Construya diferentes bobinas con el mismo valor de inductacia teórico, pero con diferentes formas de construcción; varíe el are, la longitud, etc; y mida la impedancia real.



Que diseño e implementación es más fiel a lo presupuestado en la teoría? Analice para todas las bobinas construidazas y concluya.

7. CUESTIONARIO   

¿Qué facilidades le representa utilizar una bobina tipo solenoide, respecto a una toroidal?. Diga y explique en qué circunstancias preferiría utilizar uno u otro de los tipos de bobinas que construyó. ¿Qué ventajas tienen cada tipo respecto de los otros dos? ¿Cuál de todos los modelos responde mejor a la variación de frecuencias?, Explique.

8. ENTREGABLES Se debe realizar un artículo en Formato IEEE que contenga la siguiente información:     

Breve descripción de la práctica, incluye procedimiento. Resultados (graficas y tablas). Análisis de los resultados obtenidos. Conclusiones. Bibliografia

Este articulo no debe superar las 3 paginas (2 hojas por lado y lado) El desarrollo del cuestionario se entregara en una hoja aparte, con el mismo formato del texto del artículo.

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1.2.

ACOPLES DE IMPEDANCIA - PARTE 1

1. OBJETIVOS 

General: Diseñar e implementar acopladores de impedancia para una frecuencia central y un ancho de banda especifico.



Específicos: Implementar los circuitos propuestos para la práctica de manera que cumplan con los requerimientos establecidos. Identificar y determinar similitudes y diferencias entre los distintos tipos de acoples.

2. MARCO TEÓRICO El acople de impedancias es necesario en el diseño de circuitos de RF para proveer la máxima transferencia de potencia posible entre un circuito y su carga; la máxima transferencia de potencia de una fuente a una carga se da cuando la impedancia de la carga (ZL) es igual al complejo conjugado de la impedancia de la fuente. El acoplamiento perfecto de impedancia ocurre únicamente a la frecuencia de resonancia; esto puede ser un problema para señales de información de banda ancha que requieren circuitos de acoplamiento para toda la banda de paso; sin embargo, existen técnicas que permiten incrementar el ancho de banda de los acoples resonantes (doble Stub, etc.) Hay gran número de redes de acoplamiento, desde las más simples de dos elementos hasta redes complejas que llegan a involucrar siete elementos. Se considerará solo los circuitos básicos más comúnmente usados. Red acopladora de impedancia en L: es la más simple y la más usada; hay cuatro arreglos posibles con dos componentes LC: en configuración pasa bajos y en configuración pasa altos. Facilita el acoplamiento entre una Rin con una RL a una cierta frecuencia. Estos acoples se pueden diseñar con las siguientes ecuaciones: Qs  Qp  Rp  1 Rs Xs Rp Qs  ,Qp  Rs Xp Donde Rs y Xs son las componentes pasivas en serie y Rp y Xp son las componentes pasivas en paralelo.

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Con la red L el diseñador no puede seleccionar el valor de Q que desee, simplemente debe tomar el valor que dé (si los valores de la fuente y de la carga se proporcionan). La falta de versatilidad en el Q de la red de acoplamiento puede ser un inconveniente especialmente si se requiere un circuito selectivo. Las redes de tres elementos superan esta limitación y son aplicables para acoplamientos de Q alto y banda angosta. Red acopladora de impedancia en π: es equivalente a dos redes en L, configuras espalda con espalda; para el diseño de cada sección de una red π se procede exactamente igual que para las redes L descritas en los párrafos anteriores. Esta red de acoplamiento rechaza armónicas, elimina reactancias parásitas y deja pasar o bloquea niveles DC según la necesidad (para conocer las configuraciones del circuito y las fórmulas de diseño consultar SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas, páginas 45 a 52). Red acopladora de impedancia en T: se usa con frecuencia para acoplar dos impedancias de bajo valor cuando se requiere un arreglo de Q alto (para conocer las configuraciones del circuito y las fórmulas de diseño consultar Electrónica en sistemas de comunicaciones, Sol Lapatine, Editorial Limusa, páginas 27 - 57). 3. MATERIALES Generador de señales. Fuentes de alimentación. Osciloscopio. Condensadores, boninas y resistencias. 4. PROCEDIMIENTO Diseñe e implemente dos acoples utilizando cualquiera de las redes de acoplamiento:   

Adaptar una impedancia de 1KΩ a 50Ω para una frecuencia de 1MHz y un ancho de banda de 10KHz. Conecte el adaptador de impedancias al amplificador del punto 2, para alimentar una carga de 50Ω. Sobre la carga de 50Ω se debe suministrar una potencia de 10mW a 1MHz. Diseñe el amplificador de la siguiente figura para iC  1mA y VCC = 6V.

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Figura 5. Amplificador clase A.

 

5.

Mida el ancho de banda BW, el voltaje de salida VO y la potencia en la carga. Cambie la carga de la salida a RL = 100, sin rediseñar el acople, y compare BW, VO y Po con los resultados del item anterior. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 6. Diagrama de bloques del diseño de acoples.

6. 

7. 

8.

COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES Realice las mediciones propuestas en el procedimiento y compárelos con la teoría. A partir de cada uno de los acoples propuestos, realice un análisis comparativo describa los resultados. Dibuje las salidas de los acoples anteriores y compare unas con otras. CUESTIONARIO Una vez se han colocado los respectivos acoples a la salida del amplificador y obtenido las distintas mediciones, que conclusiones se pueden tener con los valores obtenidos, ¿Se mantienen los mismos parámetros de Fo, B y Rt o cambian? ¿y si cambian a que se debe? ENTREGABLES

Se debe realizar un artículo en Formato IEEE que contenga la siguiente información:  

Breve descripción de la práctica, incluye procedimiento. Resultados (graficas y tablas).

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 

Análisis de los resultados obtenidos. Conclusiones.

Este articulo no debe superar las 3 paginas (2 hojas por lado y lado) El desarrollo del cuestionario en entregara en una hoja aparte, con el mismo formato de texto del articulo. 9.

HORAS DE TRABAJO 2 horas

BIBLIOGRAFÍA          

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias.

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1.3.

ACOPLES DE IMPEDANCIA - PARTE 2

1. OBJETIVOS 

General:

Diseñar e implementar un adaptador de impedancias para una frecuencia central y un ancho de banda específicos. 

Específicos:

Comprender la importancia de los circuitos acopladores de impedancia, reconociendo sus principales parámetros y posibles aplicaciones. Identificar y determinar similitudes y diferencias entre los distintos tipos de acoples. 2. MARCO TEÓRICO En esta práctica se experimentará con otros métodos de acoplamiento para circuitos de RF, a saber: circuitos resonantes derivados y acoplamiento magnético; en los primeros están el circuito capacitivo derivado y el circuito inductivo derivador sin inductancia mutua; en el segundo se encuentra el transformador de sintonía sencilla. Así mismo existen dos propiedades de transformación de impedancias de los circuitos sintonizados: transformación serie paralelo y transformación paralelo serie: Transformación serie- paralelo y viceversa:

Figura 7. Equivalencias serie paralelo para impedancias

Donde: Xs = reactancia capacitiva ó inductiva = Xp De la equivalencia de los circuitos serie-paralelo se desprende las siguientes igualdades:

Zp  Zs Qs Xs

 Qp  s

Rp

Q p

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2 2 Rp( jXp)  Rp * Xp Rp * Xp  Zs  Rs  jXs Zp   2 2  j 2 Rp  jXp Rp  Xp Rp  Xp 2

De la ecuación anterior se tiene:

Rs 

RpXp2 Rp  Xp 2

2

Rp Rp   Rp  (1  Q 2 )Rs 2  2  Rp  1  Q 1     Xp 





Si Q  10 , entonces Rp  Q Rs , igualando las partes imaginarias de la primera ecuación se tiene lo siguiente: 2

jXs  jXp Rp 2 Xp Xp Xs   Rp 2  Xp 2 1  1 Q2



Y de lo anterior podemos establecer que,

 1  Xp  1  2  Xs  Q 



Para un circuito inductivo,

  1  1  Xp  wLp  1   2  * w * Ls  Lp  1   2 Ls   Q   Q  

Para Q  10 Lp ~ Ls Para un circuito capacitivo queda de la siguiente manera:

 1  1 Cs Xp   1 * w *  Cp  w * Cp  Q 2  Cs 1  Q2 1



Para Q  10 Cp ~ Cs

Circuitos resonantes derivados: Circuito capacitivo derivado: el circuito se debe diseñar para valores específicos de R2, Rt, frecuencia de resonancia Fo y ancho de banda B (ancho de banda a -3dB). Se debe hallar L, C1 y C2; se puede tener en cuenta las pérdidas en la bobina, colocando en paralelo una resistencia Rp = QL 2rL (para QL≥10).

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Figura 8. Acople capacitivo derivado para RF

En la mayoría de los circuitos de RF se pueden despreciar las pérdidas de los condensadores por ser mucho menores que las perdidas de las bobinas (QC»QL). Los valores de C2s y R2s se encuentran aplicando la transformación paralelo/serie.

 1  C2s  C21  2   Qp  

El valor de Qt y Qp para el circuito de la figura anterior esta dado por: Rt Qt  fo  B WoL

Qp 

R2  wo * C2 * R2 Xc2

El valor de R2S se obtiene de la siguiente fórmula: R2s 

Rt 1  Qt 2



R2 1  Qp 2

A través de la igualdad anterior se obtiene el valor de Qp en términos de Qt: R2 1/ 2  2  Qp  (Qt  1) 1   Rt Las propiedades transformadoras de impedancia del circuito a resonancia es equivalente a un transformador ideal con relación de vueltas N ó relación N2 de impedancia. Si

 2 1/ 2  N 2 , Qp   Qt  1 1 2 R2  N  Rt



Si Qt  10 (condición requerida em los circuitos de acoplamiento de banda estrecha), entonces se aproxima a la siguiente ecuación:

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1/ 2

Qt 2  Qp   2  1 N  

Para Qt/N>10 implica que Qp  10; Qp≡Qt/N Existen dos tipos de diseño según el valor de Qp: para Qp>10 se utilizan expresiones aproximadas, y para Qp10 implica que Qp  10; Qp≡Qt/N Existen dos tipos de diseño según el valor de Qp: para Qp>10 y para Qp10 y para un ancho de banda de 10KHz. Compruebe que el circuito resuena a la frecuencia calculada, realice las mediciones de ancho de banda y verifique que en resonancia baja la impedancia y crece la corriente. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 16. Diagrama para el diseño de circuitos resonantes.

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6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES 

Utilice diferentes valores de condensadores y bobinas que cumplan con el valor de frecuencia pactado, realice las mismas mediciones y analice los resultados.

7. CUESTIONARIO   

En la práctica, ¿Para qué utilizaría un circuito resonante serie?. Explique ¿Qué sucede con el ángulo de fase cuando el circuito no está en resonancia?. Explique para f>fresonancia y f10 y para un ancho de banda de 200KHz. Comprobar que el circuito resuena a la frecuencia calculada, realice las mediciones de ancho de banda y verifique que en resonancia la impedancia se incrementa. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

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Figura 18. Diagrama de diseño de circuito de resonancia en paralelo.

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES 

Realice mediciones con diferentes valores de condensadores y bobinas que mantengan la misma frecuencia de resonancia. Analice y compare los resultados obtenidos.

7. CUESTIONARIO   

¿Qué diferencias prácticas encuentra entre el circuito resonante serie y el circuito resonante paralelo? ¿Qué diferencias encuentra entre las corrientes de las ramas L y C del circuito tanque? Sustente su respuesta. ¿Cuáles elementos del circuito tanque influyen en el Q?, ¿cómo afecta cada uno de ellos en el Q y en la impedancia total del tanque? , explique.

8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la la práctica. 9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA        

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513.

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 

AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias.

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1.6.

OSCILADOR SENOIDAL DE RF

1. OBJETIVOS 

General:

Diseñar y construir un oscilador senoidal en RF 

Específicos:

Comprender el funcionamiento de los osciladores de RF. Identificar las clases de circuitos osciladores de RF. Evaluar la estabilidad del oscilador 2. MARCO TEÓRICO Todos los osciladores senoidales deben contener:   

Un dispositivo activo en ganancia de potencia a la frecuencia de operación. Un elemento o red que determina la frecuencia Un mecanismo de estabilización y limitador de amplitud

Para sostener las oscilaciones senoidales, un circuito oscilador debe tener un par de polos complejos conjugados en el semiplano derecho; cuando se aplica la alimentación en t=0 ó cuando estos polos son excitados por ruido térmico o por la función paso al cerrar el interruptor, se genera un voltaje senoidal exponencialmente creciente; se debe garantizar un mecanismo para mover esos polos del semiplano derecho hacia el eje imaginario a medida que la envolvente de la onda saliente aumenta; así mismo, se debe asegurar un estímulo a una señal amplificada de tal manera que se produzcan oscilaciones autosostenidas. Un oscilador funciona sobre la base de la retroalimentación:

Avf 

Av 1  BAv

En la anterior ecuación se obtiene el valor de la ganancia con realimentación en lazo cerrado a partir de la ganancia con realimentación en lazo abierto, y ß es el factor de realimentación en lazo cerrado (una fracción decimal), cuando ß es negativo causa una disminución de la salida de lazo abierto y se conoce como realimentación negativa, si ß es positivo la ganancia es mayor que la ganancia en lazo abierto y se produce retroalimentación positiva. El criterio de Barkhausen especifica que el valor de ßAv sea igual a la unidad para asegurar una cantidad de realimentación suficiente; además, el mismo criterio establece

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un ángulo de fase de realimentación igual a cero o en su defecto algún múltiplo entero de 2. Según que el punto a tierra sea base, colector o emisor, los osciladores a transistor se clasifican por familias en HARTLEY, CLAPP, PIERCE y COLPITTS (ejemplo: en el COLPITTS, el emisor es el punto a tierra). El oscilador HARTLEY es un oscilador ampliamente utilizado para los rangos bajos de RF y se caracteriza porque la bobina del tanque tiene derivación. Es difícil conseguir osciladores LC con una estabilidad mejor que 0,1% frente a las variaciones de temperatura o tensión de la fuente de alimentación. En 100 MHz, zona media de la banda de FM comercial, esta tolerancia representa unos 100 KHz. 3. MATERIALES Fuentes de alimentación. Osciloscopio Condensadores, resistencias, transistores y bobinas. 4. PROCEDIMIENTO Diseñar e implementar un oscilador senoidal Colpitts y Hartley con las siguientes especificaciones: fO=1,5MHz, TDH2%, RL=1K, VL =3V. Tenga en cuenta el aspecto térmico. Diseñar y construir las bobinas (L) del paso anterior: medir L y Q. Hacer los ajustes tanto de fO como de VL. Sustituir C, C1 ó C2 en los anteriores circuitos por un varicap y variar la frecuencia de oscilación. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 19. Diagrama de diseño de oscilador de RF

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS Y CONCLUSIONES A partir de los circuitos osciladores desarrollados, mida la amplitud de la señal de salida y la distorsión armónica total: compare y analice los resultados; evalúe el grado de estabilidad de los osciladores con la temperatura: compare y analice los resultados; mida la banda de frecuencia a -3dB en la cual es variable cada oscilador.

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7. CUESTIONARIO           

Describa la operación de un oscilador Colpitts y un oscilador Hartley, ¿Cuáles son las ventajas del oscilador Colpitts sobre el oscilador Hartley? ¿Cuáles son los rangos de oscilación típicos de los osciladores Colpitts, Hartley, Pierce y Clapps? Describa los siguientes términos: autosuficiente, repetitivo, operando libremente. Describa el proceso regenerativo necesario para que ocurran las oscilaciones autosuficientes ¿Qué significan los términos realimentación positiva y negativa? Defina ganancia de lazo abierto y cerrado Defina estabilidad de frecuencia; indique varios factores que afectan la estabilidad de frecuencias de un oscilador. Defina el efecto piezoeléctrico. ¿Qué se entiende por coeficiente de temperatura positivo y coeficiente de temperatura negativo?, ¿qué se entiende por cristal de coeficiente cero? ¿Cuál de las configuraciones para osciladores de cristal tiene la mejor estabilidad? ¿Cuál es la ventaja predominante de los osciladores de cristal sobre los osciladores de circuito tanque LC?

8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la práctica. 9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA         

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001.

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

Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias. El comportamiento de los transistores en frecuencias altas es afectado por el punto de polarización.

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1.7.

AMPLIFICADOR DE RF

1. OBJETIVOS 

General: Analizar distintos diseños de amplificadores de RF y sus principales características.



Específicos: Implementar los montajes propuestos para el presente laboratorio, analizando la respuesta de los mismos. Identificar los parámetros importantes de las señales a la salida, como la ganancia, ancho de banda, etc.

2. MARCO TEÓRICO Los amplificadores de RF son diseñados para operar en cualquier frecuencia entre los 50KHz hasta los 500MHz, sus funciones son múltiples, se puede utilizar como etapa de entrada para un receptor en donde se comportaría básicamente como un amplificador de señal muy débil captada desde una antena en un receptor, como etapa de salida de un transmisor, como multiplicador de frecuencias, etc. En el caso de los amplificadores de voltaje en RF, la parte más importante de su diseño se encuentra en el circuito resonante. Se toma la frecuencia de resonancia del circuito tanque. La ganancia de voltaje para un amplificador hecho con transistor bipolar es la siguiente:

Av  hf

RL Ri

En donde hf es la razón de corriente directa del transistor dependiendo de la configuración y Ri es la impedancia de entrada, Rl es la resistencia Ac representada a la salida del amplificador como una carga en ohms., la resistencia de carga Rl en un amplificador de éste tipo es normalmente un tanque LC. Si el tanque no está en paralelo con una carga Rl es una impedancia muy alta. El ancho de banda para una sola etapa de tanque se define como sigue:

BW 

fo Qe

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Donde Qe es el factor de calidad equivalente del tanque con carga. Para varias etapas de amplificación, el ancho de banda se angosta y queda como sigue:

BWn  BW1 21 / n  1 Donde BWn da el ancho de banda de n etapas en cascada y BW1 es el ancho de banda para cualquiera de las etapas, pues deben ser idénticas. 3. MATERIALES Generador de señales. Fuentes de alimentación. Osciloscopio Condensadores, resistencias, transistores y bobinas. 4. PROCEDIMIENTO Diseñar e implementar el siguiente circuito de polarización para una iC  1mA, VCC = 6v. Tenga en cuenta el aspecto térmico.

Figura 20. Amplificador de RF.

Aplicar al circuito una señal senoidal y medir a la salida VOmax. = 1V.; hacer un barrido de frecuencia hasta 60 KHz y medir de nuevo V Omax.. Cargue el circuito con tres valores de R pequeños y mida los voltajes de salida. Calcule y mida la potencia sobre la carga. b) Diseñar y construir tres bobinas de RF para las siguientes frecuencias: 200KHz, 300KHz y 400KHz. c) Cambiar RC por cada una de las bobinas; aplicar al circuito una señal senoidal y medir VOmax; hacer un barrido de frecuencia de ±100KHz alrededor de las frecuencias 200KHz, 300KHz y 400KHz, y medir de nuevo VOmax.. Cargue el

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circuito con tres valores de R pequeños y mida los voltajes de salida. Calcule y mida la potencia sobre la carga. d) Cambiar RC por un circuito tanque que resuene a 200KHz, 300KHz y 400KHz; aplicar al circuito una señal senoidal y medir a la salida VOmax; hacer un barrido de frecuencia de ±100KHz alrededor de las frecuencias 200KHz, 300KHz y 400KHz, y medir de nuevo VOmax.. Cargue el circuito con tres valores de R pequeños y mida los voltajes de salida. Calcule y mida la potencia sobre la carga.

Figura 21. Sistema de acople por transformador.

e) Cambiar RC por un circuito de sintonía sencilla que resuene a 200KHz, 300KHz y 400KHz (como se muestra en la anterior figura); aplicar al circuito una señal senoidal y medir VOmax; hacer un barrido de frecuencia de ±100KHz alrededor de las frecuencias 200KHz, 300KHz y 400KHz, y medir de nuevo V Omax. Cargue el circuito con tres valores de R pequeños y mida los voltajes de salida. Calcule y mida la potencia sobre la carga.

5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 22. Diagrama general del diseño de resonadores.

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES 

Realizar las mediciones en los diferentes circuitos propuestos y realizar un análisis del mejor amplificador, justificando su respuesta.

7. CUESTIONARIO     

¿Qué sucede con la ganancia del amplificador al cambiar Rc por las bobinas? Dibuje la respuesta de VOmax. Vs F del amplificador. ¿Qué sucede con la ganancia del amplificador al cambiar Rc por los circuitos tanques? Dibuje la respuesta de VOmax. Vs F del amplificador. ¿Qué sucede con la ganancia del amplificador al cambiar Rc por el circuito de sintonía sencilla?

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  

Dibuje la respuesta de VOmax. Vs F del amplificador. ¿Qué sucede al cargar el circuito con valores de R pequeños?, ¿Qué sucedería si esos valores aumentaran? Explique hasta qué punto se pueden variar los valores de las resistencias para que sus conclusiones sean aplicables, diga que sucede después de ese valor.

8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la la práctica. 9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA          

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Notas: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias.

El transistor es un dispositivo que puede elevar el nivel de una señal de entrada de AC como resultado de una transferencia de energía desde las fuentes de DC aplicadas. Por lo tanto, el análisis o diseño de cualquier amplificador electrónico tiene dos componentes: el análisis y el diseño en DC y el análisis y el diseño de AC.

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El comportamiento de los transistores en frecuencias altas es afectado por el punto de polarización. El término polarización comprende lo relacionado con la aplicación de voltajes DC que ayuda a establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Esta polarización depende de la configuración que se elija y afecta el comportamiento del transistor en AC. Para el análisis en AC existen dos modelos básicos los cuales son sensibles al punto de polarización y determinan los parámetros más relevantes para el cálculo de las impedancias tanto de entrada como de salida y la ganancia de voltaje.

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1.8.

AMPLIFICADOR DE BANDA ANCHA

1. OBJETIVOS 

General: Diseñar e implementar un amplificador clase “A” de banda ancha en configuración emisor común y base común.



Específicos: Identificar los tipos de amplificadores con transistores según su respuesta en ancho de banda. Diseñar y construir el amplificador clase “A” para una nacho de banda de 1MHz y una ganancia de voltaje de 10. Calcular y medir el ancho de banda y la potencia sobre la carga.

2. MARCO TEÓRICO Un amplificador lineal tiene las siguientes características: baja eficiencia, reproduce fielmente la entrada y su ganancia de voltaje esta dada por la ecuación:

Av  Ai

RL Ri

Se aplican en amplificadores de frecuencia intermedia ó escalonados, con el fin de mantener la linealidad de la modulación (no perder la fidelidad de la señal modulada), en los casos en que es necesario transmitir a elevadas frecuencias. En los sistemas de AM se debe seguir la amplificación lineal, ya que la información está contenida en las variaciones de amplitud de la portadora, y el amplificador debe ser capaz de pasar la señal con un mínimo de distorsión para señales grandes de entrada. Las frecuencias intermedias más utilizadas comercialmente son: Uso AM FM TV uONDAS

Frecuencia Intermedia 455KHz 10.7MHz 45MHz 70MHz, 80MHz

Tabla 1. Frecuencias intermedias para diferentes usos.

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3. MATERIALES Generador de señales. Fuentes de alimentación. Osciloscopio Condensadores, resistencias, transistores y bobinas. 4. PROCEDIMIENTO Diseñe e implemente dos amplificadores con transistores clase A en configuración Emisor Común y Base Común con las siguientes especificaciones: Ancho de banda desde 100Hz hasta 1MHz, Ganancia de voltaje de 10, Impedancia de salida la que el grupo de trabajo elija. Polarice el amplificador a transistor en zona lineal necesaria para establecer la región de operación adecuada para la amplificación de AC, esta polarización depende de la configuración que se elija. Calcule el valor de los condensadores de acople teniendo en cuenta los filtros pasa-altos que se forman. Calcule la ganancia y el ancho de banda, y mídalos con ayuda del osciloscopio y aplicando el criterio de los -3dB. Realice las mediciones del ancho de banda con diferentes condensadores en el acople (por lo menos con cinco valores de capacitancia). Calcule y mida la potencia sobre la carga para cada uno de los amplificadores. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 23. Diagrama de diseño de amplificador de banda ancha

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES Compare y analice los resultados obtenidos de los amplificadores a transistor con las dos configuraciones. 7. CUESTIONARIO 

¿Cómo afecta la ganancia escogida al ancho de banda deseado?

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 

¿La ganancia es constante para todas las frecuencias?, ¿Cómo cambia la ganancia al aumentar o disminuir demasiado la frecuencia? ¿Cuál es mayor ancho de banda que se podría obtener?, ¿Por qué existe diferencia en ancho de banda en las dos configuraciones?

8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la la práctica. 9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA          

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias. El comportamiento de los transistores en frecuencias altas es afectado por el punto de polarización y el aspecto térmico.

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1.9.

MODULADOR DE AM DE BAJO NIVEL CONSTRUIDO CON ELEMENTOS CONTINUOS

1. OBJETIVOS 

General: Diseñar y construir un sistema de transmisión AM de bajo nivel con elementos continuos.



Específicos: Identificar las etapas de RF que conforma un sistema de transmisión AM de bajo nivel. Diseñar y construir cada etapa de RF e integrarla al sistema, y probar el funcionamiento de todo el sistema.

2. MARCO TEÓRICO Existen básicamente dos tipos de transmisores de AM, de bajo y de alto nivel: Transmisores AM de bajo nivel: consta de un preamplificador de voltaje lineal y sensible; generalmente polarizado en clase A, con alta impedancia de entrada para elevar el valor de tensión de la fuente e introducir la menor cantidad de ruido térmico y de distorsión lineal posibles; como su nombre lo indica son transmisores de bajo nivel de potencia, es decir de corto alcance; además posee una red de acoplamiento con la antena que compensa o iguala la impedancia de salida del amplificador de potencia, con la impedancia de entrada de la antena. Transmisores de alto nivel: la señal moduladora ó el mensaje se procesa de la misma manera que en el transmisor de bajo nivel; se diferencia de los primeros por la mayor potencia de emisión y por consiguiente por su mayor cobertura. En estos transmisores, el circuito modulador tiene tres principios de operación básicos, a saber: es un circuito alineal, es un amplificador final de potencia (clase C para lograr mayor eficiencia) y es un circuito convertidor elevador de frecuencia (traslada la señal de información de baja frecuencia a las señales de radiofrecuencia para que puedan ser irradiadas con eficiencia por una antena). A continuación se presenta un ejemplo de diseño de las etapas de un transmisor AM de bajo nivel para una frecuencia de transmisión de 1.6MHz.

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

Oscilador de la portadora de RF (oscilador tipo COLPITTS):

Figura 24. Oscilador de portadora tipo COLPITTS

F  1.6MHz 1 FOSC  2 LC



 

C 

C1C2 C1  C2

Preamplificador de portadora:

Figura 25. Preamplificador de portadora.

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

Acoples entre etapas preamplificadota y amplificadora:

Figura 26. Acople entre etapas preamplificadota y amplificadora.



Amplificador de potencia de la portadora:

Figura 27. Amplificador de Potencia de la portadora



Oscilador de la señal moduladora:

Figura 28. Circuito de oscilación de la señal moduladora

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

Circuito modulador:

Figura 29. Circuito modulador con puente



Acople entre el modulador y el amplificador de RF:

Figura 30. Acople entre el modulador y el amplificador de RF



Amplificador de RF:

Figura 31. Amplificador de RF.

3. MATERIALES Generador de señales. Fuentes de alimentación. Osciloscopio Analizador de espectros Condensadores, resistencias, transistores y bobinas.

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4. PROCEDIMIENTO Diseñar y construir un sistema de transmisión AM de bajo nivel a una frecuencia de libre escogencia por el grupo de trabajo (diferente a 1.6MHz), siguiendo los pasos dados en el ejemplo. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 32. Diagrama de diseño de modulador AM.

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS Y CONCLUSIONES Transmita y mida el alcance de la transmisión y la potencia de salida, cambie el oscilador por un generador de señales, suba la frecuencia del tono a 20KHz y realice las mismas mediciones. Sustituya el oscilador de la señal moduladora por un generador de señales, seleccione un tono y varíe la frecuencia del mismo con el fin de evaluar en el osciloscopio o en el analizador de espectros el ancho de banda del sistema de transmisión. 7. CUESTIONARIO     

Que es sobremodulación y como se puede evitar? Que es Banda lateral y cuales son sus características en la modulación AM? Defina AM-DSBFC AM-DSBSC, AM-SSBFC, AM-SSBRC, AM-ISB y AM-VSB; y cuales son sus aplicaciones? ¿Por qué son importantes las etapas de preamplificación de señal y los circuitos de acople? Explique. ¿Se presentan interferencias entre su estación con las emisoras comerciales? Describa el nombre de las emisoras comerciales que se encuentran alrededor de su frecuencia de portadora; indique el tipo de emisora, potencia de transmisión, alcance y ancho de banda.

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8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la la práctica. 9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA          

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias.

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1.10.

MODULACIÓN AM CON CIRCUITO INTEGRADO

1. OBJETIVOS 

General: Comprender los conceptos básicos aplicados en la modulación AM.



Específicos: Desarrollar un modulador de AM con Circuito Integrado.

2. MARCO TEÓRICO Modular consiste en alterar alguna de las características de una señal fija, llamada portadora, de acuerdo a las variaciones del mensaje. En el caso de la modulación de amplitud el elemento alterado es la amplitud de la portadora. La portadora transmitida debe reflejar una variación en amplitud que corresponda a la amplitud de la señal original o moduladora. El perfil de la portadora modulada se llama envolvente. El cálculo del índice de modulación (porcentaje de modulación) se hace utilizando la ecuación siguiente:

m

Em Ec

Donde m corresponde al índice de modulación, Em es el valor pico de la señal moduladora de audio y Ec corresponde al valor pico de la señal portadora.

Figura 33. Características del índice de modulación.

De acuerdo con la anterior figura se tiene que el índice de modulación de la siguiente manera:

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m

E max E min E max E min

Si la amplitud de la portadora correspondiente al pico negativo de la señal moduladora sobrepasa el cero se dice que la señal se encuentra sobremodulada. Se tiene una señal senoidal portadora con la siguiente ecuación en el dominio del tiempo: Xc  Vc sin wct Y otra señal modulante o moduladora: Xm  Vm sin wmt Cuando se efectúa la modulación ó el producto de las dos señales anteriores resulta la siguiente ecuación: X MOD.  Vc sin wct *Vm sin wmt El objetivo de la modulación es acoplar el mensaje al medio de transmisión (trasladan en frecuencia el mensaje a transmitir); algunos métodos de modulación fortalecen la transmisión frente al ruido, como es el caso de FM. A continuación se describe el diseño de una estación de radio AM que radía a 810KHz. El circuito se compone de cinco etapas: modulación, acople, amplificación, acople y antena. El primer paso es escoger una frecuencia de trabajo, que será una emisora en AM. Modulación: para el diseño del modulador se emplea el circuito integrado MC1496, cuya configuración se puede visualizar en la siguiente figura:

Figura 34. Esquema de pines del MC1496

El circuito siguiente circuito muestra el diseño de las resistencias y los condensadores para un modulador AM que opera a 810KHz.

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Figura 35. Circuito de conexión del MC1496

Para el caso específico de la estación de radio AM a 810KHz, se debe modificar las dos resistencias de 10K que están a los dos lados del potenciómetro de 50K. por resistencias de 150 Ω. Los voltajes de la señal moduladora y portadora son ambos de 0.5 voltios. La frecuencia de la señal moduladora (mensaje) varía desde 1KHz a 20KHz. La frecuencia de la señal portadora es de 810 KHz. El voltaje Vee se sugiere en el rango de -8 V o -12 V. Para comprobar que se está modulando en AM-DSB se debe observar en el osciloscopio la siguiente señal:

Figura 36. Señal modulada con el MC1496 vista en osciloscopio.

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En el analizador de espectros:

Figura 37. Espectro de frecuencias de la modulación con MC1496 visto en el analizador de espectros

El delta de Dirac de la mitad es la señal portadora y los dos de los lados son la señal moduladora, es decir que al variar la frecuencia de la moduladora estas dos señales de los extremos se van a alejar o acercar a la del medio y si variamos la frecuencia de la portadora, todas se corren hacia alguno de los lados. Acople de la impedancia de salida del modulador a la impedancia de entrada del amplificador: para el caso específico que estamos ejemplificando se va a acoplar 2.6KΩ a 5Ω. Para saber el valor de la impedancia de salida del modulador, se debe medir el voltaje de salida en vacío y luego se coloca un potenciómetro de 5KΩ y se varía hasta que el voltaje caiga a la mitad; el valor de resistencia medido en el potenciómetro es la impedancia de salida del circuito, para nuestro ejemplo es de 2.6KΩ, por lo tanto uno de los tantos circuitos que se puede utilizar para el acople es el siguiente:

Figura 38. Circuito de acople para el modulador

El procedimiento de diseño se describe a continuación:





Rg  Rl Q 2 1

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2.6 103  5Q 2 1 , Q  22.78 2fL Q  Rl

L

22.78 * 5  22.38H 2 *810 103 Q

C

Rg Xc

Xc 

2600  114.13 22.78

Xc 

1 2fC

C

1 2fXc

1  1.72nF 2 *810103 *114.13

Amplificación: se puede utilizar el amplificador de potencia 2SC1307 que tiene la siguiente configuración:

Figura 39. Configuración de pines de 2sc1307

El circuito que se muestra a continuación muestra la configuración sugerida para la etapa de amplificación a 810KHz.

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Figura 40. Configuración de la etapa de amplificación

Antes de diseñar el segundo acople, se debe colocar la antena transmisora a resonar a la frecuencia de la estación de radio AM seleccionada:

Figura 41. Circuito resonante de acople

El condensador de 1µF que aparece en la figura se varía hasta encontrar la resonancia. Para la última parte del sistema se sugiere diseñar un acople de la impedancia de salida del amplificador que es de 2KΩ a la impedancia de entrada de la antena que se mide con el puente de Weastone; se sugiere el siguiente circuito:

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Figura 42. Circuito de acople de impedancia

Se sabe que Z*R1=R2*R3 y, Z

R2R3  R2 R1

Se coloca un potenciómetro en R2 y se varía hasta que la señal que cae en R3 y a su vez, la que hay sobre el condensador tenga la misma amplitud a la frecuencia de resonancia. Mida la impedancia de la antena. El sistema de radio AM, integrando todas las etapas es el siguiente:

Figura 43. Circuito completo de una estación de radio AM

3. MATERIALES Modulador AM (MC 1496) Amplificador de potencia (2SC1307) Generador de señales. Fuentes de alimentación.

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Osciloscopio Condensadores, resistencias, transistores y bobinas. 4. PROCEDIMIENTO Diseñar y construir una estación de radio AM a una frecuencia diferente a la proporcionada en el ejemplo, con las siguientes etapas: modulador AM, acople, amplificador, acople y antena. 5. DIAGRAMA GENERAL POR BLOQUES

Figura 44. Diagrama de bloques del sistema.

6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS Y CONCLUSIONES 

Analizar el comportamiento del sistema con diferentes antenas, caminar alrededor del circuito transmisor con un radio receptor y medir el alcance.



Examinar las señales en el osciloscopio a la salida de cada una de las etapas del sistema.



Medir el ancho de banda del sistema y la potencia en la carga.

7. CUESTIONARIO   

Por que es necesario realizar los acoples entre las diferentes etapas? Que sucede si la antena no esta acoplada al sistema, como se ve reflejado en el consumo de potencia de la fuente? Por que las emisoras en AM cada ves son menos usadas? Cuales son sus ventajas y desventajas sobre las FM?

8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo de la guía, el cuestionario resuelto, la comparación y el análisis de los resultados y las conclusiones de la la práctica.

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9. HORAS DE TRABAJO 2 horas BIBLIOGRAFÍA          

Bowick Chris, RF circuit design, Newnes, 1997. SCHWARTZ Misha, Telecomunication Networks, Addison-Wesley Publishing Company. STREMLER, FERREL. Sistemas de comunicación, Alfaomega. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. SOL LAPATINE, Sistemas de comunicaciones electrónicas. SIMON HYAKIN, An introduction to analog and digital communications. Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 478A. A high gain integrated circuit RF-IF amplifier with wide range AGC, Motorola semiconductor products, Inc. Applications note 513. AMIDON associates, General catalog, North Hollywood, California, 2001. Se debe consultar información técnica del fabricante (Data sheet) de cada componente que se use, especialmente de los componentes de estado sólido.

Nota: el concepto de diseño involucra además de la concepción de la solución para determinado problema, el cálculo de todos los valores de las componentes del circuito teniendo en cuenta el efecto térmico y las tolerancias.

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1.11.

MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN AM CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES

1. OBJETIVOS 

General: Diseñar un sistema de modulación y demodulación AM a bajas frecuencias.



Específicos: Diseñar y construir un oscilador a cristal para generar la portadora. Diseñar e implementar un sistema de modulación AM con circuitos logarítmicos y antilogarítmicos usando amplificadores operacionales. Diseñar e implementar un demodulador AM con un circuito detector de envolvente.

2. MARCO TEÓRICO La modulación es el producto de dos señales: la portadora y la moduladora. V  V sen( 2πf t) V sen( 2πf t) m m c c AM Mediante la modulación se incorporan a la señal de mayor frecuencia llamada portadora, variaciones de sus parámetros fundamentales: amplitud, frecuencia o fase. Estas variaciones son efectuadas por la señal de información o señal moduladora. Los beneficios de la modulación radican en: facilitar la propagación de la señal, ordenar el radio espectro, optimizar el ancho de banda, evitar interferencia entre canales, proteger de la degradación del ruido y definir la calidad de la información. En modulación de amplitud cambia la amplitud de la portadora según las variaciones del mensaje. La expresión en el dominio del tiempo de una señal AM es: Y (t)  Ac[1  m * X (t)]cos(Wct) Donde “m” es el índice de modulación. La representación gráfica temporal es:

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Figura 45. Representación temporal de la modulación AM.

La envolvente de la señal modulada corresponde a la señal original. Esta propiedad se aprovechará para remodular o detectar la señal moduladora. Expresión de una señal AM en el dominio de la frecuencia es:

Representación gráfica del espectro de una señal banda base y de una señal modulada en AM-DSB es:

Figura 46. Representación frecuencial de la modulación AM.

Se observa que el ancho de banda de la señal original B se duplica al modularse en AM lo que representa una redundancia. Existen tres variantes de AM: Modulación en doble banda lateral, modulación en banda lateral única y modulación en banda lateral vestigial. Entre las técnicas utilizadas para demodular ó detectar en AM, se utilizan dos: detección por envolvente ó detección coherente, de producto ó sincrónica. 3. MATERIALES Osciloscopio. Generador de señales.

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Fuentes de alimentación. Cristal Compuertas. Amplificadores operacionales. Diodos. Transistores, resistencias, condensadores. 4. PROCEDIMIENTO Partiendo de los conceptos básicos de modulación y demodulación en amplitud , de la ecuación de una señal AM que representa el producto de dos señales (una señal de baja frecuencia: moduladora, y otra señal de alta frecuencia: portadora), y de las propiedades de las funciones logarítmicas (el producto de dos señales es equivalente a la suma de los logaritmos de dichas señales), se comprobará mediante configuraciones de circuitos con amplificadores operacionales un sistema AM y se recuperarán las señales originales a través de un detector de envolvente. 

       

Inicialmente diseñe los siguientes circuitos: un oscilador para generar la portadora (escoja la frecuencia de oscilación, recuerde que Fc>>Fm), dos circuitos logarítmicos, dos sumadores, un circuito antilogaritmico, circuitos de acoplamiento de impedancia con seguidores, un detector de envolvente y un filtro pasa-bajo de cuarto orden. Realice los montajes en el protoboard y pruebe cada circuito por separado. Seleccione en el generador de funciones una señal que representará el mensaje (Am≤Ac, Fm>1 BW = 2(+1) W  2 si 