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• Luis Enrique Ulloa

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Circuitos Amplificadores Sintonizados de FI para modulación AM y FM INFORME PREVIO

BERROCAL QUISPE, EDER MARCELINO ALARCÓN, JULIO GARY PERALES CÁCERES, PAUL RENZO SALAZAR REQUE, ITAMAR FRANCO

20100233A 20102041B 20100330G 20100070E

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Circuitos Amplificadores Sintonizados de FI para Modulación AM Y FM 1. Explique las diferencias de operación y construcción entre circuitos que operan a frecuencias bajas y los que operan a frecuencias de radiofrecuencia. A medida que se amplía el estudio de los circuitos electrónicos a frecuencias más altas, debe tenerse más cuidado de incluir efectos reactivos, no sólo los que se incluyen de forma deliberada como elementos del circuito, sino también las reactancias “parasitas” en los componentes e incluso dentro de y entre los alambres y pistas de circuitos impresos. A frecuencias mucho más altas, en UHF, se encuentra que los dispositivos y métodos de construcción comúnmente usados resultan poco eficaces y se vuelven importantes los métodos innovadores de diseño de circuitos. A las frecuencias de microondas, muchos circuitos aparentemente mantienen muy poca semejanza física con los que se emplean en bajas frecuencias. Un capacitor, por ejemplo, tendrá inductancia y resistencia además de capacitancia. A medida que se aumenta la frecuencia, también lo hace la reactancia inductiva, mientras tanto, disminuye la reactancia capacitiva. En el punto donde las dos reactancias son iguales se le llama frecuencia autorresonante o de autorresonancia. En los transistores tenemos que en las junturas se tienen capacitancias que dependen de las características del transistor. Al igual que el capacitor, las reactancias capacitivas disminuirán a medida que aumente la frecuencia causando que se degrade el funcionamiento del transistor. La capacitancia de base a colector, por ejemplo, causará realimentación de la salida a la entrada en un circuito amplificador ordinario de emisor común. La realimentación puede disminuir la ganancia del amplificador o hacer que se vuelva inestable. Los efectos de tránsito (tiempo que toma un portador de carga para cruzar un dispositivo) son importantes en el rango de frecuencias de los gigahertz. Como los electrones libres se mueven con más rapidez que los huecos se da preferencia a los transistores NPN para la operación a alta frecuencia. En una pista de circuito impreso tenemos que, en el intervalo de UHF, es necesario analizarla como si fuera una línea de transmisión. Es decir incluyendo las constantes distribuidas que se ignoran a bajas frecuencias.

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2. ¿Por qué no es posible suponer que una fuente de alimentación es un cortocircuito a altas frecuencias? Se esperaría que la fuente de alimentación pareciera un cortocircuito a frecuencias altas. Desafortunadamente, con esta suposición se ignora la inductancia en los cables conductores que van del circuito a la fuente de alimentación y en los mismos capacitores electrolíticos. Las fuentes de alimentación contienen capacitores electrolíticos grandes que deben tener muy poca reactancia a radiofrecuencias, lo que podría suponer un comportamiento como un cortocircuito, pero debemos tener en cuenta la inductancia en los cables conductores que van del circuito a la fuente de alimentación y en los mismos capacitores electrolíticos. Para evitar que la energía de RF viaje por esta ruta es necesario un desvío o desacoplamiento colocando pequeños capacitores a tierra justo en la conexión de potencia o alimentación para cada etapa. En este caso es mejor usar capacitores pequeños ya que tienen menos inductancias que los electrolíticos. También se puede añadir una inductancia o resistencia en el cable conductor desde la fuente de alimentación. 3.

Investigue sobre los amplificadores de radiofrecuencia de banda estrecha y angosta

Son circuitos formados por elementos reactivos, inductancias, condensadores, líneas de energía, etc. y se utilizan en los receptores y trasmisores. Una aplicación típica es en las etapas de radiofrecuencia de amplificación donde se quiere que el circuito amplifique solamente una banda de frecuencias. A las inductancias y condensadores están asociadas, resistencias que se deben a la resistencia óhmicas en las bobinas y pérdidas dieléctricas en los condensadores que se hacen más evidentes a altas frecuencias. Podemos modelarlos suponiendo que son elementos ideales, reactivos puros, con una resistencia que podemos asociar en paralelo, en serie o en ambos. Por ejemplo:

a)

b)

Rs Ls Rs Cs

Lp c)

d)

Rp Cp

Rp Es interesante relacionar las pérdidas óhmicas y la energía que almacena como elemento reactivo, lo que nos permite medir la bondad del componente. El factor de mérito o Q se define como: Energía almacenada Q  2 Energía disipada por ciclo

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En el caso:

a)

LS RS

1 CS R S

b)

RP LP

c)

R P CP 

d)

Por ejemplo en el caso a) y de forma similar en los otros casos.

1 LI   L 2 Q  2  12 RI 2  R 2

m

2

m

Si trabajamos a una frecuencia fija podemos hallar una relación entre los valores de los ejemplos vistos. Llamamos X a la reactancia de una inductancia o condensador,

R P jX P R X  jX P R P R S  jX S   P P2 2 R P  jX P R P  XP Podemos definir también entonces: 2

X S  LS

XP  LP

ó XS  

2

QS 

1 CS

XS RS

ó XP  

1 CP

QP 

RP XP

Separando parte real e imaginaria tenemos: XS 

RP RS  2 1  QP

2

XP 1 1 2 QP



QS  Q P

2

QS 

XPQP 2 1  QP

XS X P Q P   QP RS RP

De las ecuaciones obtenemos:



R P  R S 1  QS

2



 1  X P  X S 1  2   QS 

Vemos que si la componente es de buena calidad, o sea que Q es mayor que 10 (en el caso de condensadores suele ser mucho mayor), entonces X P  XS

y

R P  R S QS ,

2

Vemos que la componente reactiva no cambia casi su valor al cambiar la configuración (de serie a paralelo o viceversa) y el valor de la resistencia de pérdidas paralelo es mucho mayor que la resistencia serie, Q2 veces.

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EL CIRCUITO RESONANTE 1) Circuito L, C y R resonante Paralelo: Suponemos que L y C son ideales (sus pérdidas podemos transferirlas a R)

Z

Z

Si introduzco

R L C 2 LC0  1

C0 

1 L0

En resonancia en la frecuencia f  f 0 

1 1 1  Cj  R Lj

y entonces Z = R, se dice que el circuito está

0

2 C0 R  Q    R   L  Q   0 

Z 1  R 1  C Rj   R j  0 0 L0 0

Donde Q es el factor de mérito del circuito relativo a R a la frecuencia

Z  R

1

  0  1  j  Q  0    0   0 



0.

1 1  j Q

Si los apartamientos de la frecuencia de resonancia son pequeños, o sea entonces



 



0

  0 



  0 0     2  0

0

β recibe el nombre de “Ancho de Banda Relativo”

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Si alimentamos con una fuente de corriente y variamos la frecuencia, el voltaje en V función de (o sea de la frecuencia relativa) responde a la siguiente figura.

Z 1

R

I V

Q creciente



0 Fig. 1

2

Si analizamos el valor de potencia que consume el circuito RI 2 RI 2 P  2 1  2Q2 1  jQ

P

V

La potencia cae a la mitad respecto a la frecuencia 1 Si suponemos apartamientos pequeños.

(

= 0) para cuando

=

0

R

V  ZI

Q=

P P0

2 P

 1 B   0 Q 0

1

2 

0

B



0

B es el “ancho de banda de potencia mitad”. En decibeles, si I es constante al variar la frecuencia, cuando

10 log10

Q=1,

P0  10 log10 2  3dB P1

 Es decir que cuando B  0 la potencia cae en 3dB y la tensión en Q extremos de la banda.

2 en los

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Es interesante ver la variación de fase entre la corriente y tensión: en resonancia es 0, 45 grados en los puntos de potencia mitad y +/- 90 para extremos alejados de la resonancia. A baja frecuencia predomina la baja impedancia de la inductancia y a alta frecuencia la del condensador. 4. Explique como determinar de forma experimental: -

Frecuencia de resonancia (mínima y máxima)

-

Lin y Cin de la bobina

-

Rp (Resistencia de pérdidas de la bobina).

Sabemos que la frecuencia de resonancia esta dada por la siguiente expresión

fo 

1 2π LinCin

Si colocamos un Cext, la nueva frecuencia será:

f  WoLin 

y como:

1 2π Lin(Cin  Cext)

Vref IL

Wo2 

Lin  1  Lin * Cin

Cin 

Vref WoIL IL Wo*Vref

Segundo caso, colocamos un condensador CC (Conocido) en paralelo a Cin + Cob y hallamos una nueva frecuencia de resonancia W’o

Wo 

1 Lin(Cin  Cob)

Wo ' 

1 Lin(Cin  Cob  Cc)

Qt  (

fo  Bw

Cin 

Wo 2 (Cin  Cob  Cc) )  Wo ' (Cin  Cob)

Qt Wo(Rp/n 2 )

 Cin 

Cc  Cob fo 2 ( ) 1 fo'

Resistencia de pérdidas:

Vref 2 Rp Rpot  2 n

Vo1 

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5. Indicar qué consideraciones se deben tener en cuenta para seleccionar los transistores. Asimismo de los manuales obtener los datos de los transistores BF194 y 2N2222. -

Deben operar en un rango de frecuencias altas (300 hasta 700 MHz )

-

Bajo consumo de potencia (en este caso, aproximadamente 0.2 Watts).

-

Ganancia de corriente alta (hfe= 75).

-

Se debe tener en cuenta el punto de operación que proporciona el fabricante en sus manuales, lo más importante será que el transistor tenga todas sus propiedades de amplificación a frecuencia intermedia que son los de interés en este caso.

-

La potencia que el transistor pueda disipar y no produzca la saturación que lleva consigo a la deformación de la señal de entrada.

-

Los parámetros híbridos del transistor y la frecuencia máxima de trabajo del transistor deben ser la adecuada, para esto deberemos usar un transistor de Radio Frecuencia.

-

Dentro de estas características debemos ver como influyen las capacitancias parásitas en el valor final de la impedancia del transistor.

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2N2222. Rango de máximos absolutos

Características eléctricas

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BF194 Rango de máximos absolutos

Características eléctricas

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Simular en computadora el Laboratorio 1. Durante esta presentación he mostrado todas las simulaciones hechas.

R3 TX1 Cext 1k

V2

1n

C1

12Vdc

10u

0

1

0

Q4 BF194 C2

2

3

3

0 R1 2.2k

1u Q2 2N2222

3

2

V3 Q3

150mVac

1

2

2N2222 Rpot

1

6.

100k

0

R2

0

470

12Vdc

0

Analizando en señal: C2=10uF y para una frecuencia intermedia de 455KHz → XC=1 / 2*π*4.55 =0.0349