Amplificadores Sintonizados

Las características de los amplificadores sintonizados (también conocidos como amplificadores selectivos o pasa-banda), son una consecuencia de las exigencias que impone el campo de utilización, como por ejemplo, el de las comunicaciones. Un sistema de comunicaciones, básicamente, está representado por tres elementos: un transmisor, un receptor y un medio que los une (cable coaxil, fibra óptica, atmósfera, etc.). Desde la perspectiva de un receptor de comunicaciones, que utilice a la atmósfera como medio de comunicación (por ejemplo emisiones de radiodifusión), éste deberá poder “discriminar“, entre varios transmisores (proceso de “sintonía”). Asimismo deberá ser “selectivo”, que tiene que ver con el “ancho de banda”, y representa la capacidad de información que el receptor puede procesar. Por último, un concepto asociado con la amplificación (ganancia) es la “sensibilidad”, que determina cuál es la mínima señal de entrada útil que un amplificador puede resolver.

Con el propósito de disminuir la atenuación de la señal transmitida, que se produce durante su propagación en el medio y que aumenta con la distancia que separa al receptor del transmisor, que garantice además que las dimensiones físicas de las antenas transmisoras sean practicables, se procede con un proceso de modulación.

La modulación, básicamente consiste en trasladar la información a comunicar a un rango de frecuencias más elevado, modificando por ejemplo, la amplitud (AM) o la frecuencia o fase (FM) de una señal “portadora”, cuya frecuencia es mucho más elevada que la máxima frecuencia de la señal a informar llamada “moduladora”

λ= cf

 Amplificador Sintonizado Ideal

Características

La ganancia es nula para todas las frecuencias menores a f1

Se hace muy elevada para la frecuencia de la banda deseada entre (f1 y f2)

El fc es la media aritmética o geométrica de f1 y f2

Amplificadores Simplemente Sintonizados

Para los amplificadores con BJT y con FET , tal como se inicia

En el caso de los amplificadores BJT, el Rf es la combinación en paralelo de hfe , R1, R2 , viniendodada Avoc por .

En el caso del amplificador FET, Rf es la combinación en paralelo de Rg1 y Rg2 siendo Avoc en este caso

La carga de un circuito resonante de la figura anterior es la combinación de un condensador C con una asociación serie de una autoinducción L y una resistencia R

La frecuencia de resonancia Fo viene dada por

Factor de calidad Q

La Q de la bobina es una medida adimensional de su calidad . Casi invariable se designa para una frecuencia correcta

Ejemplo

Supongamos que una bobina para frecuencia intermedias de radio tiene una autoinducción de 0.1 mH con una Q de 100 a 455 Hz queremos determinar en serie efectiva de la bobina

Solución

Podemos despejar R

R=2 πxFoLQ

=2π x 455x 1000 x0.1 x−1000

100=2.86Ω

ETAPAS AMPLIFICADORAS SINTONIZADAS DE PEQUEÑA SEÑAL DE RF ANÁLISIS Y DISEÑO

Un amplificador de RF debe ser capaz de amplificar señales en un dominio de frecuencias y rechazar las señales distintas a las del dominio especificado. Generalmente es necesario implementar circuitos sintonizados (filtros), tanto en la entrada como en la salida del dispositivo activo utilizado (transistor, circuito integrado, etc.).

Tratándose de amplificadores de pequeña señal, debe proponerse un modelo equivalente “incremental” para el análisis del dispositivo. En este caso utilizaremos cuadripolos y parámetros admitancia (Y), debido a que la mayor parte de la información de los dispositivos utilizados para el diseño se especifica precisamente con esos parámetros.

Los parámetros admitancia son fuertemente dependientes de la frecuencia y del punto de polarización; sin embargo como la variación de frecuencia es pequeña alrededor de la frecuencia central de la banda (alta selectividad), esto no representa una limitación a tener en cuenta, pero sí elpunto de polarización; es por ello que el fabricante presenta sus datos para un especificado punto defuncionamiento, el cuál deberá respetarse.

Las expresiones que se obtienen permitirían encontrar resultados muy precisos; no obstante, las diferencias en la práctica son debidas a la “dispersión” en los parámetros del dispositivo utilizado, e inherentes al proceso de fabricación.

En primera instancia, el diseño de etapas de RF consiste, básicamente, en la selección adecuada del dispositivo a utilizar y, luego, en la determinación de las características de los filtros interetapas.

Los filtros interetapas pueden implementarse a través del cálculo de circuitos sintonizados LC, comúnmente llamados transformadores de doble o simple sintonía. Sin embargo, con el advenimiento de los amplificadores lineales con circuitos integrados, los circuitos electrónicos se hicieron tan pequeños que los transformadores sintonizados ocupan la mayor parte de la superficie del circuito, lo que representa un problema a la hora de su implementación; no obstante son utilizados, en virtud de la facilidad de acoplamiento y la obtención de altos valores de Q.

Se dispone de otras alternativas para los filtros pasabanda LC, son los denominados filtros cerámicos y de cristal. Son dispositivos que, utilizando por ejemplo efectos piezoeléctricos, transfieren la señal de entrada a salida con características de banda pasante. En estos filtros, tanto la sintonía como el ancho de banda quedan fijos en su construcción y son un dato que aporta el fabricante.

Para el diseño hay que tener en cuenta ciertas especificaciones, principalmente: la ganancia de potencia para una determinada frecuencia de trabajo, como así también el ancho de banda, la estabilidad y el bajo ruido, entre las más importantes.

Ganancia de potencia de transductor, GpTHasta ahora para amplificadores de pequeña señal, definíamos ganancia de tensión o corriente, dejando el concepto de potencia para los amplificadores de gran señal. En este caso, se utilizará la ganancia de potencia por comodidad y para simplificar el planteo de las ecuaciones. Esto se debe a que cuando el acoplamiento entre etapas se realiza a través de transformadores sintonizados LC, prácticamente sin pérdidas (alto Qd), las potencias del primario y secundario pueden considerarse iguales e independientes de la relación de transformación, la cual estaría presente si relacionáramos tensiones o corrientes de entrada y salida, haciendo más engorroso el análisis y las ecuaciones de diseño. Se define, entonces, como ganancia de potencia de transductor, GpT, a “la relación entre la potencia que un amplificador entrega a la carga y la máxima potencia disponible de la fuente de señal”

GPT = PSPdisp

Máxima potencia disponible.Si se tiene un generador, caracterizado por una tensión a circuito abierto y una impedancia fija, teniendo presente el “teorema de máxima transferencia de potencia”, el generador entregará la máxima potencia a una carga, cuando se produce la adaptación conjugada de la impedancia del generador a la impedancia de carga.Zg = Z* ( el * significa conjugado) Para fo, y si se verifica adaptación, entonces rc = rg

Entonces la condición de adaptación, representa la transferencia de la máxima potenciadisponible de un generador Pd.

Cuando se verifica la condición de adaptación, no sólo se transfiere la máxima potencia, sino queademás se transfiere la máxima tensión, veamos:

Observando la expresión anterior, la Vs será máxima si:

En síntesis, debe quedar claro que el objetivo es lograr la adaptación entre el generador y la carga, de manera de transferir la máxima potencia o, lo que es lo mismo, la máxima tensión y corriente. Determinación de la ganancia de potencia GpT Para la determinación de la ganancia de potencia de transductor aplicaremos teoría de cuadripolo(circuito bipuerta), y parámetros admitancia. El circuito equivalente completo de una etapaamplificadora es:

Filtro paso bajo

Un filtro paso bajo corresponde a un filtro electrónico caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas.1 El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.

En particular la función de transferencia de un filtro pasa bajo de primer orden

corresponde a  , donde la constante   es sólo una ponderación correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia

reside en la forma de la función de transferencia  , la cual determina el comportamiento del filtro. En la función de transferencia anterior   corresponde a la frecuencia de corte propia del filtro, aquel valor de frecuencia para el cual la amplitud de la señal de entrada se atenúa 3 dB.

De forma análoga al caso de primer orden, los filtros de pasa bajo de mayor orden también se caracterízan por su función de transferencia, por ejemplo la función de transferencia de un filtro paso bajo de segundo orden corresponde

a  , donde   es la frecuencia natural del filtro

y   es el factor de amortiguamiento de este.

Filtro analógico

Cualquier filtro tiene una entrada y una salida, así que si hablamos de un filtro pasabajo lo podemos ver como una caja de cualquier color con dos terminales de entrada y dos de salida. Si una terminal de entrada es común a la salida tendremos un sistema desbalanceado (Unbalance, en inglés), así las cosas, si llamamos e1 y e2 a los terminales de entrada y s1 y s2 a los de salida, un filtro pasabajo sencillo sería colocar una resistencia entre e1 y s1 y un condensador entre s1 y s2, uniendo e2 con s2, tenemos un filtro pasabajo desbalanceado. Ahora veamos como trabaja: las diferentes frecuencias ingresan por e1-e2 y salen por s1-s2, las altas frecuencias verán en el condensador una baja

impedancia (cortocircuito) mientras que las bajas frecuencias seguirán de largo por las salidas s1-s2 hacia el circuito siguiente, cumpliendo con la función de dejar pasar las bajas frecuencias y atenuar las altas. Esto a grandes rasgos. También como se describe abajo, se puede usar una bobina, entre e1 y s1 y los terminales e2 y s2 se unen, teniendo así un filtro pasabajo desbalanceado, el cual se rige por XL=WL, donde XL es la reactancia inductiva y w la frecuencia angular y L la inductancia, como se ve abajo del escrito.

El más sencillo está armado en una resistencia y un condensador (o capacitor). Pero podría ser mejor. Un filtro analógico elemental compuesto por un condensador se denomina, "Filtro pasa altos" (debido a que la Reactancia Capacitiva Xc = 1/WC). Mientras que el compuesto por una inductancia (bobina, o choque) es un "filtro pasa bajos" (debido a que la Reactancia Inductiva Xl = WL).

2.1 Filtro pasa-baja

Consideremos el circuito de la figura como una etapa intermedia entre otras dos dentro de un circuito eléctrico mucho más complejo. La entrada del circuito, tensión V1 , corresponde a la salida de la etapa anterior y equivale a un generador de tensión senoidal de amplitud constante y frecuencia variable. La siguiente etapa se considera con impedancia de entrada elevada lo que supone que I 2 ≈ 0. En estas condiciones la entrada de la siguiente etapa es la salida del circuito de la figura y que corresponde a la tensión en el condensador. Por tanto la tensión de salida del circuito es:

y la ecuación de entrada según la ecuación de la malla es:

La función de transferencia ¯H (jw) dada como la relación tensión de salida-tensión de entrada, recibe el nombre de ganancia en tensión del circuito.

La ganancia en tensión G (jw) del circuito es:

Como se trata del cociente entre dos números complejos la ganancia será otro número complejo, cuyos valores de magnitud y ángulo varían con la frecuencia.

La magnitud o módulo de la ganancia es:

Dando valores crecientes a la frecuencia y representando la ganancia en tensión frente a la frecuencia se obtiene una curva que corresponde a la tensión a la salida del circuito, cuando a la entrada se aplica una señal de un voltio de amplitud y frecuencia variable.

La curva de la ganancia se representa en la figura. Si la frecuencia aumenta, el denominador aumenta y la ganancia disminuye, sin embargo, a la frecuencia de 0Hz, la ganancia es la unidad. Se observa como las altas frecuencias son atenuadas, no estando presente la tensión de entrada ¯V1 a la salida del circuito. Sin embargo las señales de baja frecuencia si estarán presentes a la salida. Se dice que este circuito se comporta como un filtro pasa-baja.

Todo filtro pasa-baja se caracteriza por la frecuencia de corte del filtro, de modo que las señales de frecuencia superior son anuladas.