IPET Nº 49 Telecomunicaciones I Unidad 1

Señales Eléctricas

Una señal eléctrica es un tipo de señal generada por algún fenómeno electromagnético. Las señales eléctricas pueden clasificarse en dos grandes grupos: analógicas y digitales.

Señales AnalógicasSon señales eléctricas de variación continua en intensidad o amplitud en el tiempo. Hasta hace poco , la forma dominante de transmisión de señales de radio y televisión ha sido analógica. La desventaja de este tipo de señal es que el ambiente genera también señales del tipo analógico, conocidas como ruido, que generalmente interfieren con las que acarrean información y crean complicaciones resultando una señal de menor calidad.

En la mayoría de los casos, las señales (tensiones o corrientes) aplicadas a los circuitos eléctricos pueden encuadrarse dentro de una de las siguientes categorías:

Señales continuas (DC): Se trata de señales de valor medio no nulo con una frecuencia de variación muy lenta, por lo que se pueden considerar como constantes en el tiempo.

Señales alternas (AC): Son señales que cambian de signo periódicamente, de tal forma que su valor medio en una oscilación completa es nulo. El caso más simple es el de una señal sinusoidal

Señales de alterna superpuestas a un valor de continua: Obviamente, se trata de una superposición de los dos casos anteriores. Al valor medio de la señal se le llama componente continua, mientras que la oscilación recibe el nombre de componente de alterna.

Señales DigitalesLas señales digitales adquieren uno de dos valores a través del tiempo. Su comportamiento se puede equiparar al de un interruptor. La ventaja de este tipo de transmisión es, primero, su inmunidad a las interferencias ya que al digitalizar una señal se elimina el ruido producido por el medio ambiente, produciendo una señal más pura y de mayor resolución y segundo, que puede codificarse utilizando el sistema binario.

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Clasificación de las señales eléctricas.

Una clasificación más amplia de las señales eléctricas se muestra en el siguiente cuadro:

Periódicas Variables Señales Analógicas No Periódicas Amplitud Continuas Señales Digitales (Discretas) Amplitud Deterministicas Senoidales Frecuencia Fase Señales Tiempo: Señales Temporales (por su forma) Frecuencia Cuadradas Relación alto/ bajoEléctricas Duración

Aleatorias Triangulares

Ejemplos de Señales Eléctricas

Señal (periódica) Senoidal Señal (periódica) triangular

Señal variable no periódica Señal Aleatoria – (Ruido)

Señal discreta Señal Digital

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Señales Eléctricas periódicas.

Una señal es una cantidad eléctrica que puede estar definida por tres características principales; Amplitud, fase y frecuencia. La amplitud es el valor escalar instantáneo que se indica en unidades, normalmente Volts de la señal. La frecuencia es un valor que nos indica, asumiendo que una señal es periódica, el numero de veces que el periodo se repite en un intervalo de tiempo, las unidades de frecuencia son Hertz. La fase es un valor que indica el valor instantáneo de la amplitud dentro del periodo de la señal. La figura 1.2 muestra una señal seno y sus características.

En la figura 1.2 (b) se puede ver que la amplitud es el valor instantáneo definido por la fase de la onda en ese instante, por lo cual nos podemos ayudar de la figura 1.2 (a) donde se puede ver que la fase esta definida por un valor angular φ donde este valor es el ángulo que forma un vector con un circulo de radio igual a la amplitud de la señal y la componente del vector en el eje x es igual al coseno de φ y la componente del vector en y es igual al seno de φ, la amplitud y la frecuencia de la señal esta definida por la siguiente ecuación:

V(t) = A sen ɯ t

Donde ɯ = 2πf , es la frecuencia angular de la señal y f es la frecuencia en Hertz.

T

(a) (b)

Figura 1.2 Características de una señal periódica.

Refiriéndonos a la figura 1.2 (b) f esta definida por el reciproco del periodo T:

f=1T

y también f=cλ

donde:

f = frecuencia; c = factor de velocidad (velocidad de la luz); λ = longitud de onda

Dominio del tiempo y dominio de la frecuencia.

Como se menciono anteriormente una señal tiene como características la amplitud, la fase y la frecuencia. Se puede observar como varia la señal con el tiempo si usamos una gráfica de amplitud contra tiempo. Estas gráficas se dice que están en el dominio del tiempo, porque el parámetro de variación es el tiempo. También se puede observar como varia la señal con la frecuencia, se puede hacer una gráfica de amplitud contra frecuencia. Estas gráficas se dice que están en el dominio de la frecuencia, porque el parámetro de variación es la frecuencia.

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Figura 1.4 Dominio del tiempo Dominio de frecuencia.

La herramienta matemática para pasar del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia es la transformada de Fourier.

La figura 1.7 (a) muestra una señal compleja en el dominio del tiempo y la figura 1.7 (b) muestra la misma señal en el dominio de la frecuencia. Se pasa de un dominio a otro con la transformada de Fourier y la anti-transformada de Fourier respectivamente.

En la figura 1.6 es fácil ver el contenido de onda seno. Por lo contrario, en la figura 1.7 no es fácil ver el contenido espectral en el dominio del tiempo, pues la onda es muy compleja y formada de muchas frecuencias fundamentales, frecuencias que es más fácil ver en el dominio de la frecuencia.

A

F

Figura 1.6 Onda seno y su transformada de Fourier

Figura 1.7 Señal compleja y su transformada de Fourier.

Transformada de Fourier

La transformada de Fourier se emplea con señales periódicas a diferencia de las series de Fourier. En problemas de ingeniería eléctrica la señal, el ruido o la combinación de señal con ruido por lo general se componen de unas formas de onda de voltaje o de corriente que son una función del tiempo. La forma de onda de interés (de voltaje o de corriente). Si se desea, se podría ver en un osciloscopio, el valor de voltaje (o corriente) espectral de la onda en el dominio del tiempo, ya que es una sola, varía en función del tiempo; ciertas frecuencias o intervalo de frecuencias que son una de las principales propiedades de interés se obtienen con la transformada de Fourier de la forma de voltaje (o corriente). Básicamente la Transformada de Fourier se encarga de

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

F = 1/T

F

T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500-60

-40

-20

0

20

40

60

6 7 8 9 10 11 12 13

x 104

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

transformar una señal del dominio del tiempo, al dominio de la frecuencia, de donde se puede realizar su antitransformada y volver al dominio temporal.

Transformada rápida de Fourier

Muchas formas de onda encontradas en los sistemas de comunicaciones típicos no pueden medirse satisfactoriamente por expresiones matemáticas. De este modo, su comportamiento en el dominio de la frecuencia es de mucho interés. A menudo existe una necesidad de obtener un comportamiento en el dominio de la frecuencia de las señales que se están coleccionando en el dominio del tiempo (es decir, en el tiempo real).

Esta es la razón de por que fue desarrollada la transformada discreta de Fourier. Con la transformada discreta de Fourier, una señal en el dominio del tiempo se muestra en tiempos discretos. Las muestras se alimentan a una computadora en donde un algoritmo calcula la transformada. En consecuencia, el tiempo de cálculo es proporcional a n al cuadrado, donde n es al número de muestras. Para cualquier número razonable de muestras, el tiempo de cálculo es excesivo. Consecuentemente, en 1965 se desarrollo un nuevo algoritmo llamado la transformada rápida de Fourier o FFT por Cooley y Turkey. Con el FFT el tiempo de cálculo es proporcional a n log 2n en vez de n al cuadrado. El FFT esta disponible en la mayoría de los osciloscopios digitales actuales.

Formas de Ondas Complejas

Timbre y Frecuencia

El timbre es la cualidad gracias a la cual podemos diferenciar el sonido de un piano del de una flauta aunque estén interpretando la misma nota, es decir: aunque dos instrumentos emitan un sonido con la misma frecuencia podemos diferenciarlos gracias a su timbre característico. Este fenómeno es debido a que un sonido no esta formado sólo de una frecuencia, sino por la suma de otras que son múltiplos de la fundamental. Estas otras frecuencias varían en intensidad y son llamadas armónicas. La proporción e intensidad de estos armónicos son diferentes en cada instrumento y es por ello que podemos diferenciar sus sonidos.

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“Jean Fourier demostró matemáticamente que toda función periódica no senoidal puede ser descompuesta en una serie de funciones senoidales. Las senoidales carecen de armónicos, por lo cual podemos considerarlas puras. Este modo de descomponeruna señal es conocido como análisis de Fourier.”

Si a una señal se le van añadiendo armónicos, la forma de onda irá variando pero su frecuencia fundamental permanecerá inalterada. Las amplitudes relativas de cada armónico varían en función de la forma de onda, siendo el de mayor amplitud el que se considera fundamental.

El análisis de las formas de onda es un campo complejo que a veces es difícil de entender.Consideremos primero las ondas cuadradas. Sabemos que una onda cuadrada contiene una cantidad de armónicas. Lo que posiblemente no sepamos es que las ondas cuadradas no tienen armónicas pares, y que la amplitud de las armónicas disminuye a medida que aumenta su grado.

Esto es correcto para una onda cuadrada (Duty Cicle 50%; 50% del ciclo "on" y para el 50% restante off), pero para un pulso con un ciclo de trabajo distinto al 50%, no es obligatorio que sea así.

Dependiendo del ciclo de trabajo, la fundamental o primera armónica puede ser fuerte, luego las próximas armónicas pueden disminuir, y luego las siguientes pueden ser fuertes de nuevo.Trataremos aquí solamente a formas de onda periódicas. Una onda periódica es aquella que se repite cada intervalo de tiempo, este intervalo de tiempo se llama período.

Cada forma de onda periódica que no es sinusoidal contiene ciertas armónicas, la primera de las cuales es la fundamental. Si el período es T (tiempo), la frecuencia en hertz de la fundamental es 1/T. No existe ninguna frecuencia inferior a la fundamental en una forma de onda compleja.Un método lógico para mostrar el contenido armónico de una forma de onda es mediante el empleo de una gráfica del contenido espectral de la misma.

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Las gráficas de las figuras 1, 2 y 3 indican la posición relativa y magnitud de cada armónica (sólo se muestran las primeras). A menudo se incluye una línea a frecuencia cero para indicar el valor (promedio) de continua de la onda. El conjunto de armónicas se llama serie de Fourier.

De acuerdo a la teoría, la magnitud de los miembros (armónicas) de esta serie se hace cada vez más pequeño y eventualmente llega a cero para una frecuencia infinita. Ya que la forma de onda es la suma algebraica de todas las armónicas (incluyendo las que llegan hasta el infinito), a medida que agregamos armónicas cada vez más altas obtenemos una aproximación mejor de la forma de onda real.

Decibeles. (dB) En sistemas de comunicación muy a menudo es necesario confrontar las relaciones entre las mediciones de varios niveles de señal y medir niveles exactos de señal a través de todo el sistema. Es deseable que los cálculos para determinar esas relaciones o cálculos exactos sean lo más simple posible para evitar la posibilidad de error. Para llevar a cabo esto se ha seleccionado un sistema de cálculo basado en el decibel dB.El decibel es una cantidad que indica una relación en lugar de una cantidad en sí, es decir, nos indica que una cantidad es 5 veces mayor que otra o que una cantidad es 10 veces mayor que otra. El dB es una relación entre dos cantidades que se miden con un mismo parámetro. Ej. Potencia o Voltaje. Cuando se consideran las condiciones normales en un sistema, se encuentra que una cantidad q1 es mayor que una cantidad q2 nos referimos a una ganancia de señal y cuando una cantidad q1 es menor a una cantidad q2 nos referimos a una pérdida de señal y como usamos valores logarítmicos (dB), un signo positivo indicará una ganancia y un signo negativo indicará una pérdida. Hay dos cosas importantes que recordar:

El dB es usado en un sistema para representar solamente pérdida o ganancia. El dB siempre expresa una relación de cantidades y nunca una cantidad definida.

Dado que los niveles de señal en los sistemas de comunicación son muy pequeños y están representados por relaciones en lugar de cantidades fijas, se hace necesario encontrar una forma de representar estos valores. La representación en Decibeles es una manera sencilla y que cubra una amplia gama de valores en una cierta escala. Atendiendo a esto se usan los valores en una escala logarítmica. Aunque esto parezca complicado, es una manera sencilla de representar valores muy dispares y con una exactitud aceptable. Así un valor en Decibeles es una representación logarítmica de una relación de dos valores. Para expresar ganancia de potencia directamente se usa esta ecuación:

Ganancia de potencia en dB=10log10

P2

P1

Para expresar ganancia de potencia en términos de voltaje y corriente se usan estas ecuaciones:

Ganancia de potenciaGanancia de potencia en dB=10log10

P2

P1

=10log10( I 2

I 1)2

=20log( I 2

I1)

Con estas ecuaciones se puede expresar que la potencia es directamente proporcional a la corriente o al voltaje (P =V2 / R) o (P = I2 * R) ya que la resistencia (o impedancia) para sistemas de comunicación, es estándar, por lo tanto la resistencia es igual y desaparece de los términos.

Ej: RF IN +2 dB 10dB RF OUT +12dB

1,584mW G = 10 Veces RF OUT = 1,584mW*10 = 15,84mW

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Otro estándar que se usa muy comúnmente es el de dBmV. Esta señal de referencia para mediciones de señal y representa una relación de una señal de un valor fijo de 1 miliVolt o 1*10-3 Volts y otra señal desconocida. Este es un valor de potencia ya que la impedancia o resistencia es fija.

Por lo tanto 0 dBmV = 1 mV de señal a través de una resistencia fija, debido a que:

0 dBmV=20log10(V 2

V 1)=20log( 1 mV

1 mV )=20log(1)

Ejemplo. ¿Cuántos dBmV tendrá una señal que tiene un nivel de 20 mV?

Solución:

Potencia en dBmV=20log10(V 2

V 1)=20log(20mV

1mV )=20log(20 ) = 26 dBmV

Otras definiciones de valores logarítmicos

dBc = dB relativo a la potencia de la portadora

dBi = dB Ganancia con respecto a una antena isótropica

dBm = dB referido a un miliwatt

Ancho de banda limitado

Todo canal de comunicación o medio de transmisión, - par trenzado de alambres, cable coaxial, radio, Amplificador de osciloscopio, etc.- tiene un ancho de banda definido asociado a él que especifica la banda de componentes de frecuencia senoidales que el canal transmitirá sin atenuación. Por ello, al transmitir datos por un canal, necesitaremos cuantificar el efecto que tendrá el ancho de banda del canal sobre la señal de datos transmitida.

Podemos valernos de la técnica matemática denominada análisis de Fourier para demostrar que cualquier señal periódica, es decir, una señal que se repite a intervalos de tiempo regulares (el periodo), está formada por una serie infinita de componentes de frecuencia senoidales.

El periodo de la señal determina la componente de frecuencia fundamental: el recíproco del periodo en segundos da la frecuencia en ciclos por segundo (Hz). Las demás componentes tienen frecuencias que son múltiplos de ésta y se denominan armónicas de la fundamental.

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Resonancia Eléctrica

La resonancia eléctrica es un fenómeno que se produce en un circuito en el que existen elementos reactivos (bobinas y capacitores) cuando es recorrido por una corriente alterna de una frecuencia tal que hace que las reactancias se anulen, en el caso de estar ambos en serie o se haga infinita si están en paralelo.

Resonancia en circuito RLC (resistencia, inductor, capacitor) en serie

Cuando se conecta un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en serie, alimentado por una señal alterna (fuente de tensión de corriente alterna), hay un efecto de ésta en cada uno de los componentes.En el condensador aparecerá una reactancia capacitiva, y en la bobina una reactancia inductiva, dadas por las siguientes fórmulas:

XL = 2 . π . f . L XL = ω . L

XC = 1 / (2 . π . f . C) XC = 1 / (ω . C)

VL

Donde:π = 3.14159 VR If = frecuencia en HertzL = Valor de la bobina en henrios VC

C = Valor del condensador en faradiosω = 2.π.f

Como se puede ver los valores de estas reactancias depende de la frecuencia de la fuente. A mayor frecuencia, XL es mayor, pero XC es menor y viceversa. En un circuito RLC serie, la corriente que recorre el circuito es la misma en los tres elementos, por lo que la tensión en la resistencia está en fase con la corriente, la tensión en la bobina esta adelantada 90° con respecto a la corriente y el voltaje en el condensador está atrasado en 90°.Como todos los elementos de una conexión en serie tienen la misma corriente, se puede encontrar el voltaje en cada elemento con ayuda de la Ley de Ohm Así: Vr = I . R Vl = I . XL Vc = I . XC

VL

VR I I VC I

Hay una frecuencia para la cual el valor de la XC y XL son iguales. Esta frecuencia se llama frecuencia de resonancia y se obtiene de la siguiente fórmula:

En resonancia como los valores de XC y XL son iguales, se cancelan y en un circuito RLC en serie la impedancia (Z) que ve la fuente es el valor de la resistencia (Generalmente muy baja).A frecuencias menores a la de resonancia, el valor de la reactancia capacitiva es grande y la impedancia (Z) es capacitiva.A frecuencias superiores a la de resonancia, el valor de la reactancia inductiva crece y la impedancia (Z) es inductiva.

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Nota: es importante visualizar que los efectos de la reactancia capacitiva y la inductiva son opuestos, es por eso que se cancelan y causan la oscilación (resonancia)

El ancho de banda (BW)

Los circuitos resonantes son utilizados para seleccionar bandas de frecuencias y para rechazar otras.Cuando se está en la frecuencia de resonancia la corriente por el circuito es máxima.

__ -3dB = √ 2

En la figura: A una corriente menor (70.7% de la máxima), la frecuencia F1 se llama frecuencia baja de corte o frecuencia de corte inferior. La frecuencia alta de corte o frecuencia de corte superior es F2. El ancho de banda de este circuito está entre estas dos frecuencias y se obtiene con la siguiente fórmula:

Ancho Banda ( β) = BW = F2 - F1

El factor de calidad (Q) o factor Q es:Q = XL / R o XC / R

También relacionándolo con el Ancho Banda:

Q = F0 / BW = frecuencia de resonancia / Ancho de banda

Por lo tanto: BW= F0/Q = R/(2π *L)

Se puede observar que el factor de calidad es mejor cuando disminuye el ancho de banda y el circuito es más selectivo.

Curvas de decrecimiento de la intensidad por efecto resistivo en un circuito resonante serie.

Resonancia en circuito RLC (resistencia - condensador - bobina) en paralelo

Cuando se conecta un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en paralelo, alimentado por una señal alterna (fuente de tensión de corriente alterna), hay un efecto de ésta en cada uno de los componentes.

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En el condensador o capacitor aparecerá una reactancia capacitiva, y en la bobina o inductor una reactancia inductiva, dadas por las siguientes fórmulas:

XL = 2 . π . f . L XL = ω . L

XC = 1 / (2 . π . f . C) XC = 1 / (ω . C)

Donde: ICπ = 3.14159f = frecuencia en HertzL = Valor de la bobina o en henrios IR VC = Valor del condensador en faradiosω = 2.π.f IL

Como se puede ver los valores de estas reactancias depende de la frecuencia de la fuente. A mayor frecuencia XL es mayor, pero XC es menor y viceversa. Hay una frecuencia para la cual el valor de la XC y XL son iguales. Esta frecuencia se llama: frecuencia de resonancia y se obtiene de la siguiente fórmula:

En resonancia como los valores de XC y XL son iguales, se cancelan y en un circuito RLC en paralelo la impedancia (Z) que ve la fuente es el valor de la resistencia (generalmente muy alta).

A frecuencias menores a la de resonancia, el valor de la reactancia capacitiva es alta y la inductiva es baja.A frecuencias superiores a la de resonancia, el valor de la reactancia inductiva es alta y la capacitiva baja.Como todos los elementos de una conexión en paralelo tienen el mismo voltaje, se puede encontrar la corriente en cada elemento con ayuda de la Ley de Ohm. Así:

IR = V / R IL = V / XL IC = V / XC

IC IR V V V

IL

La corriente en la resistencia está en fase con la tensión, la corriente en la bobina esta atrasada 90° con respecto al voltaje y la corriente en el condensador está adelantada en 90°.Nota: Es importante visualizar que los efectos de la reactancia capacitiva y la inductiva son opuestos, es por eso que se cancelan y causan la oscilación (resonancia)

El ancho de banda (BW)

Los circuitos resonantes son utilizados para seleccionar bandas de frecuencias y para rechazar otras.

Cuando se está en la frecuencia de resonancia __en un circuito resonante paralelo, la tensión -3dB = √ 2en el circuito es máxima.

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En la figura: B la frecuencia F1 (tensión igual al 70.7% de la máxima), se la llama frecuencia de corte inferior. La frecuencia alta de corte o frecuencia de corte superior es F2. El ancho de banda de este circuito está entre estas dos frecuencias y se obtiene con la siguiente fórmula:

Ancho Banda ( β ) = BW = F2 - F1

El factor de calidad (Q) o factor Q en un circuito RLC es:

Para resonancia Paralelo Q = R √(C/L)

Para resonancia serie Q = (√(L/C)) /R

También la relacionándolo con el Ancho Banda:

Q = FR / BW= frecuencia de resonancia / Ancho de banda Por lo tanto: BW= F0/Q = 1/(2π *R*C)

Se puede observar que el factor de calidad es mejor cuando disminuye el ancho de banda y el circuito es más selectivo.

Resumen

Circuitos acoplados

Para acoplar dos amplificadores normalmente se requiere de una red de acoplamiento, que seleccione una señal de una frecuencia determinada para ser amplificada.por otra parte la red de acoplamiento deberá transformar la impedancia de tal manera que la impedancia de carga sea óptima tanto para la etapa que actúa como generadora como para la entrada de la etapa receptora.El circuito mas elemental de acoplamiento es el de resonancia en paralelo, que ofrece una impedancia alta a la frecuencia de resonancia y baja mas allá de los puntos de potencia media.Existen dos tipos de acoplamiento entre circuitos sintonizados paralelos, el acoplamiento inductivo y el capacitivo.

Acoplamiento inductivo

Considérese el esquema de la figura 1, en el que el circuito sintonizado L1-C1 está acoplado inductivamente con un segundo circuito sintonizado L2-C2. La respuesta en frecuencia de dicho

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circuito, evaluado como Vout /Vin al variar la frecuencia, depende de manera considerable del coeficiente de acoplamiento K entre el primario L1 y el secundario L2.

Fig. 1 Acoplamiento inductivo de circuitos sintonizados Fig. 2 respuesta de frecuencia

El coeficiente de acoplamiento K es definido por la razón:

Donde M = inducción mutua.

Al variar K (es decir, M) varía la respuesta en frecuencia del circuito, como se muestra en la fig. 2 como se puede observar a través de las curvas, la respuestas tienen dos picos diferentes (aunque el circuito primario y el secundario estén sintonizados en la misma frecuencia) si K es superior a un valor crítico Kc, definido por:

Con Q1 y Q2 coeficientes de calidad (de igual valor) del primario y el secundario. Si K=Kc, la respuestas toma la forma de campana típica de un solo circuito sintonizado.El circuito de la fig. 1 se puede utilizar para realizar filtros pasa banda simples; en condiciones de acoplamiento crítico (K=Kc) la respuesta del circuito es llana con lados suficientemente empinados, ciertamente mejor que la respuesta de un solo circuito sintonizado y la frecuencia central del filtro resulta:

y la banda pasante

El ancho de banda puede variarse si el primario y el secundario se sintonizan a frecuencias distintas.

Acoplamiento Capacitivo

Resultados análogos a los del acoplamiento inductivo se pueden obtener acoplando capacitivamente dos circuitos sintonizados. Si C es pequeña se obtendrá un acoplamiento bajo y un solo pico de la curva de respuesta, mientras que si C es grande el acoplamiento es alto y se obtendrán dos picos.

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Fig.3 Filtro pasa banda con doble Fig 4 Acoplamiento capacitivo circuito sintonizado de circuitos sintonizados

Consideraciones prácticasConsiderando un circuito de doble sintonía sincrónica, es decir, que ambos circuitos están sintonizados a la misma frecuencia, tendrá una secuencia ordenada de ajuste para obtener el comportamiento deseado del circuito. las variables de circuito a ajustar son:

1- frecuencia de resonancia del primario.2- frecuencia de resonancia del secundario3- acoplamiento entre el primario y el secundario.4- resistencia de carga del secundario

Fig. 5 Curvas de respuesta de amplitud de los circuitos de sintonía doble.

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Para hacer estos ajustes en forma conveniente se deben realizar con un osciloscopio y un generador de barrido o analizador de espectro con generador de tracking y observando la variación de la curva que se está ajustando.

Adaptación de impedancias

En RF (radiofrecuencia) para obtener la máxima transferencia de energía y el mínimo ruido, un punto importante que se debe tener en cuenta es la adaptación de impedancia. Esto se consigue por ejemplo, eligiendo una derivación en la bobina utilizándolo como auto transformador (derivación inductiva), o a través de una derivación capacitiva (dos capacidades en serie).

Relación de vueltas óptima ; Relación de capacidades óptimas

Donde: NT = Espiras totales de L1 Donde:

Fig. 6 Ejemplo de adaptación de una baja impedancia de entrada a una alta impedancia de salida.

Filtros Eléctricos

El término filtro eléctrico define un cuadripolo que tiene la propiedad de dejar pasar determinadas frecuencias y eliminar otras. Se definen cuatro categorías de filtros:

Pasa bajos, Pasa altos, pasa banda, y supresor de banda.

Filtro pasa bajo (PB) Sólo permiten el paso a frecuencias inferiores a la de corte fc, y atenúan las frecuencias mayores que fc. En la figura, se muestra la respuesta de un filtro pasa bajos.

Símbolo

Gráficas de la ganancia en función de la frecuencia para un filtro pasa bajo

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Hay tres tipos de configuraciones genéricas de circuitos pasa bajos, los circuitos L, PI y T. Para lograr atenuaciones mayores se pueden usar varias celdas en cascada.

circuito L circuito PI circuito T

Filtro pasa alto (PA) El filtro pasa alto se caracteriza por permitir el paso de aquellas frecuencias superiores a una frecuencia límite fc y atenuar las frecuencias menores que fc. En la figura se encuentra la respuesta del filtro.

Símbolo

Gráfica de la ganancia en función de la frecuencia para un filtro pasa alto.

Hay tres tipos de configuraciones genéricas de circuitos pasa altos, los circuitos L, PI y T. Para lograr atenuaciones mayores se pueden usar varias celdas en cascada.

circuito L circuito PI circuito T

Filtro pasa banda (PF) Permite el paso de frecuencias que se encuentran en una banda delimitada por una frecuencia de corte inferior fc1 y otra superior fc2, como es lógico las frecuencias situadas por fuera de ésta banda quedan atenuadas. En la figura se encuentra la respuesta del filtro.

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Símbolo

Gráfica de la ganancia en función de la frecuencia para un filtro pasa banda

Hay dos tipos de configuraciones genéricas de circuitos pasa banda, los circuitos PI y T. Para lograr atenuaciones mayores se pueden usar varias celdas en cascada.

circuito PI

circuito T

Filtro eliminador o supresor de banda (RF)

Permite el paso de las frecuencias no situadas en la banda, delimitada por la frecuencia de corte inferior fc1 y la frecuencia de corte superior fc2, es decir la frecuencias contenidas en la banda son atenuadas. En la figura se encuentra la respuesta del filtro.

Símbolo

Gráfica de la ganancia en función de la frecuencia para un filtro eliminador de banda.

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Hay dos tipos de configuraciones genéricas de circuito supresor de banda, los circuitos PI y T. Para lograr atenuaciones mayores se pueden usar varias celdas en cascada.

circuito PI circuito T

Circuito PI Circuito T

Parámetros característicos de los filtros

Perdida de inserción: es la razón entre la amplitud de las frecuencias deseadas antes y después de la conexión del filtro.Rechazo: es la razón entre la amplitud de las frecuencias indeseadas antes y después de la conexión del filtro.

Frecuencia de corte: Es la frecuencia a la que le corresponde una atenuación de 3 dB de atenuación y la frecuencia (o las frecuencias) de atenuación.

Ancho de banda: Es la banda existente entre las frecuencias de corte inferior Fc1 y superior Fc2 de un filtro pasa banda o supresor de banda.

Factor Q: Es la razón entre la frecuencia central f0 y el ancho de banda B de un filtro pasa banda o supresor de banda. Q= F0/B

Factor de forma: es la razón entre la banda en -60dB y la banda en -6dB. F=B (-60dB)/ B(-6dB). A veces se hace referencia a la banda en -3dB, obteniendo: =B (-60dB)/ B(-3dB)

Impedancia: es el valor de las impedancias de entrada y de salida del filtro.

Orden de un filtro: Es frecuente que los filtros tengan que cumplir con especificaciones que una sola celda no puede cumplir, para ello se puede agregar más elementos y se dice que son de un orden superior (filtros de 3er orden, de 4to orden, etc.), cuantos más elementos use el filtro mas se acercará a la condición ideal.

Tipos de Filtros

Para cada uno de los filtros que hemos vistos hay una fórmula de cálculo diferente con resultados prácticos diferentes.

A continuación veremos los distintos tipos de filtros según su forma de cálculo y sus principales características. (Por simplificación se muestran únicamente los pasa bajos)

Butterworth (máxima respuesta plana): pendiente = 20n dB/década. donde n es el orden del filtro.

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Bessel -corrimiento lineal en fase

Chebyshev: con rizado en la banda de paso El número de rizos es de n/2.

Inverse Chebyshev: con rizado en la stopband.

(fuera de la banda de paso)

Elliptic: con transición optimizada,mayor pendiente

Calculo de filtros

Los filtros de orden alto son costosos y difíciles de construir, por lo que se utiliza la menor cantidad de celdas que cumpla con los requisitos de diseño, por lo que es común hablar de frecuencia de paso (Apass) o frecuencia de corte (fc) a -3dB, y de frecuencia de rechazo (Astop) con la atenuación o perdida que pretendemos (normalmente a -20dB).

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El ejemplo anterior corresponde a un filtro Butterworth, con respuesta plana en la banda de paso. Si se admite algún rizado se puede utilizar el filtro Chesbysev, y donde se requiera un corte más abrupto se utilizara un filtro Cauer (elíptico).

Como las formulas de cálculo son complejas recomiendo utilizar programas especializados como Filter Design, o el programa de simulación Qucs. Ambos recursos son libres

Ruido.

El Ruido es una señal aleatoria inherente a todos los componentes físicos. Directamente limita la detección y procesamiento de toda la información. La forma más común de ruido es el Ruido Blanco Gaussiano, causado por los múltiples procesos aleatorios de la corriente eléctrica o por las agitaciones térmicas de elementos conductivos.

Ruido Blanco Gaussiano

El ruido blanco Gaussiano es un proceso aleatorio Gaussiano estacionario con valor medio igual a cero, y la densidad espectral del ruido blanco es una constante para todas las frecuencias, – ∞ ≤ f ≤ ∞, por lo tanto, la energía total del ruido blanco es infinita. Tal proceso es una idealización del ruido real que ocurre en los sistemas eléctricos, de comunicación y otros procesos de señales.

¿Cuál es el significado del término "Blanco"?

Blanco se refiere a la fuente de ruido de potencia de densidad espectral, que es idealmente plano con la frecuencia. En realidad, en algún punto (debido al desfase) hay una reducción en el nivel de ruido medible.

¿Qué significa el término "Gaussiano"?

El término de Gaussiano se refiere a la distribución de voltaje de la fuente de ruido. Debido a su carácter aleatorio, el ruido de voltaje de un componente normalmente es una distribución de Gauss. Esto se caracteriza por su valor medio y excursiones de voltaje aleatorias que siguen la forma de una campana o curva de Gauss.

El ruido se define como el proceso aleatorio mediante el cual señales indeseadas se agregan a la señal fuente en un sistema de comunicación. Hay varias fuentes de ruido entre las cuales se pueden mencionar las siguientes:

1. Ruido Térmico: Ruido generado por la interacción de las moléculas en los materiales, es decir, el movimiento libre de los electrones de las órbitas externas entre átomos. Se llama ruido térmico porque varía con la temperatura. Normalmente generado en componentes pasivos (resistencias, capacitores y bobinas)

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2. Otra fuente de ruido proviene de la utilización de componentes activos en los equipos de transmisión y recepción (transistores y circuitos integrados.)

3. Ruido Atmosférico y espacial: ruido generado por diversas fuentes atmosféricas, por ejemplo: rayos, relámpagos, auroras boreales, movimientos de las masas de aire, etc y el que proviene del espacio exterior de fuentes diversas (sol, estrellas, planetas, etc).

4. Ruido generado por el hombre. Las maquinas e instalaciones eléctricas de gran tamaño, y los automotores, generan ruido de un rango muy diverso de frecuencias, este ruido influye en los sistemas de comunicación.

Relación señal a ruido (SNR.)

Este es un parámetro importante en la evaluación de comportamiento de un sistema de comunicación o de un enlace.Es la relación que indica cuanto se acerca el valor del ruido respecto a la señal que se transmitió. Se indica con la división de la amplitud de la señal y la amplitud del ruido en un sistema. Donde s(t) es el nivel de la señal y n(t) es el nivel del ruido. Esta relación frecuentemente se expresa en decibeles (dB).

Por otra parte, si el Ancho de Banda (BW) y la S/N son intercambiables (Relación de Hartley), se puede reducir el BW con el fin de incrementar la relación S/N y viceversa, por lo que modificando estos parámetros se puede mantener una rapidez dada de comunicación con una calidad específica.

Relación Portadora a Ruido CNR

La relación portadora a ruido (CNR, Carrier to Noise Ratio) es el nivel relativo de potencia de la portadora de la señal con respecto al nivel de ruido en un sistema. Determina básicamente la calidad del sistema. La portadora se refiere a la señal de información en este caso. Esta relación se expresa en dB.

Figura de ruido. (noise figure NF)

La figura de ruido se define como la cantidad de ruido adicional que un dispositivo, circuito o equipo agrega al ruido típico del sistema.

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SNR=s( t )n( t )

NF = SNROUT - SNRIN

NF = Figura de ruido SNROUT = Señal Ruido a la Salida SNRIN = Señal Ruido en la Entrada Por ejemplo, para el transistor BFR96 la hoja de datos (datasheet) indica:

NF = 2.4 dB (typ) @ f = 0.5 GHz

y para el transistor 2SC3356 la especificación es:

NF = 1.1 dB (typ), @ f =1.0 Ghz,

por lo que el transistor 2SC3356 aportaría menos ruido al sistema, 1.3 dB menos.

Distorsión

La distorsión es cualquier cambio en una señal que altera su forma de onda básica (en el dominio del tiempo) o bien, altera la relación entre sus componentes espectrales (domino de la frecuencia).

Clasificación de la distorsión

La figura exhibe la clasificación general de las distorsiones que serán tratadas.

En Frecuencia

Lineal

En Fase

Distorsión

Armónica

Alineal (no lineal)

Intermodulación

Distorsión lineal

Es la alteración de la forma de onda de la señal transmitida y se debe a la respuesta en frecuencia no plana del medio de transmisión, que trabaja como filtro y tiende a atenuar o a

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resaltar algunas frecuencias del mensaje. El efecto en telefonía es que a veces se no reconocemos la voz del que nos habla porque se modifica su timbre.

Como cualquier señal se puede descomponer en una suma ponderada de tonos puros (sinusoides)

La distorsión lineal aparece cuando la función de transferencia correspondiente al canal de comunicaciones no se comporta como un canal ideal (atenuación constante y velocidad de propagación constante para cualquier frecuencia). En este caso, la señal sufre una deformación en su forma de onda.

Distorsión de amplitud en el espectro de Frecuencias

la curva de respuesta de frecuencia de un amplificador de audio indica que hay una distorsión de frecuencia; todas las frecuencias (dentro de una banda definida) no son amplificadas igualmente. En otras palabras, A es una función de la frecuencia. Una señal que consiste de una fundamental de 1 khz, una décima armónica a 10 khz y una centésima armónica a 100 khz, tendrá una forma de onda diferente después de ser amplificada. Ningún amplificador está totalmente libre de la distorsión de frecuencia

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Distorsión de Fase

Si A es una función de la frecuencia. Las amplitudes relativas de las componentes de señal pueden permanecer sin cambios, pero las posiciones de fase relativas están cambiadas. Como se muestra en la figura,dicha distorsión de fase, cambia la forma de la onda de salida. El ojo es sensible a esta distorsión, pero el oído no lo es; ordinariamente un ser humano no puede distinguir entre las dos señales. Por otra parte, el oído es muy sensible a la distorsión de amplitud o frecuencia.

Las distorsiones de fase y de frecuencia se deben a los elementos de circuito tales como las reactancias capacitivas e inductivas que dependen de la frecuencia.

Distorsión no lineal

Ocurre cuando un sistema, debido a su ganancia no líneal, genera nuevas componentes espectrales en frecuencias múltiplo de las frecuencias ya presente (armónicas) o bien, genera nuevas componentes espectrales en frecuencias suma y diferencia de las frecuencias ya presentes en la señal (intermodulación)

Respuesta temporal de un sistema con ganancia no lineal. Observe que luego de alimentar con una

senoide, el sistema entrega una senoide deforme.

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La distorsión no lineal o distorsión en frecuencia modifica la forma de onda de la señal de entrada por causa de la generación de nuevos tonos debido a un comportamiento no lineal del sistema de transmisión (generalmente por amplificadores trabajando en la zona de cuasi-linealidad). Estos tonos puede ser armónicos de las señales componentes, productos de intermodulación (para dos o más tonos componentes), productos de automodulación y productos de modulación cruzada. Los dos primeros dan lugar a la aparición de nuevas componentes en el espectro de la señal, mientras que los dos últimos suman (o restan) señal a las frecuencias de los tonos componentes originales.

Distorsión armónica

Cuando una señal senoidal excita un circuito no lineal, en la salida aparecen armónicas de esa señal, estas provocan que tal señal, a la salida del circuito, aparezca deformada.

Definición La distorsión armónica es la alteración de la forma de onda de una señal debido a que la ganancia no lineal del sistema genera nuevas componentes espectrales en frecuencias que son múltiplo (armónicas) de las frecuencias de otras componentes espectrales ya presentes en la señal.

Utilidad de la distorsión armónica

Los circuitos que producen distorsión armónica a propósito se emplean como:

• Multiplicadores de frecuencia • Sintetizadores de frecuencias • Generadores de funciones de alta frecuencia

Intermodulación

Cuando una señal excita un circuito no lineal, en la salida aparecen componentes espectrales nuevas que no son armónicas de esa señal. Estas nuevas componentes provocan que la señal, a la salida del circuito, aparezca deformada. Por otra parte las molestias que suelen producirse al mezclarse (batirse) dos ondas de frecuencias cercanas, también se llama intermodulación. Es un efecto indeseado intrínseco de las transmisiones por ondas electromagnéticas. La forma de lidiar con ello es evitar que dos emisores potentes emitan en frecuencias cercanas y a la vez en espacios cercanos. Un ejemplo de intermodulación sería en FM, 90.9MHz y 91.9MHz, generan un batido que podría aparecer en 92.9 y en 89.9MHz. (91.9 - 90.9= 1.0MHz; luego, las intermodulaciones se producirán en (90.9 -1.0 = 89,9Mhz y 91.9 + 1.0 = 92.9MHz).

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Ejemplo de intermodulación de dos señales con frecuencias de 270 MHz y 275MHz (crestas grandes). El resultado intermodulación es visible en las frecuencias de 280 MHz y 265 MHz

Definición La intermodulación es la alteración de la forma de onda de una señal debido a que la ganancia no lineal del sistema genera nuevas componentes espectrales en frecuencias que son suma y resta de las frecuencias de las componentes espectrales ya presentes en la señal.

Resumen de distorsiones lineales y no lineales

Este diagrama muestra el comportamiento de una señal (compuesto por una onda cuadrada seguida de una onda sinusoidal) a medida que pasa a través de varias funciones de distorsión.

1- La primera traza (en negro) muestra la entrada. También muestra la salida de una función de transferencia no deformante (en línea recta).2- Un filtro de paso alto (trazo verde) distorsiona la forma de una onda cuadrada mediante la reducción de sus componentes de baja frecuencia. Esta es la causa de la "inclinación" visto en la parte superior de los pulsos. Esta "distorsión del pulso" puede ser muy importante cuando un tren de pulsos debe pasar a través de un amplificador acoplado en alterna (filtro pasa alto). En tanto que la onda sinusoidal que contiene una sola frecuencia, su forma de onda no se altera.

3- Un filtro de paso bajo (traza azul) redondea los pulsos mediante la eliminación de las componentes de alta frecuencia. Todos los sistemas son paso bajos en cierta medida. Tenga en cuenta que la fase de la onda sinusoidal es diferente en el pasa bajos y en el pasa altos, debido a la distorsión de fase de los filtros.

4- La función de transferencia un poco no lineal (púrpura), comprime suavemente los picos de la onda senoidal, como puede ser lo normal de un amplificador de audio a válvulas. Esto genera una pequeña cantidad de armónicas de bajo orden.

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5- Una función de transferencia con un duro recorte (rojo) genera armónicas de orden alto. Partes de la función de transferencia son planas, lo que indica que toda la información sobre este nivel de señal de entrada se ha perdido en esta región.Una función de transferencia de un amplificador ideal, con ganancia y retardo perfecta, es sólo una aproximación. El verdadero comportamiento del sistema es por lo general diferente. Las no linealidades en la función de transferencia de un dispositivo activo (tales como los FET, transistores y amplificadores operacionales) son una fuente común de la distorsión no lineal; en los componentes pasivos (tales como un cable coaxial o de fibra óptica), la distorsión lineal puede ser causada por la falta de homogeneidad y reflexiones, en la ruta de propagación.

Transistor de efecto de campo FET (Field-Effect Transistor)

Jfet y Mosfet

Historia

En 1953 (5 años después de los BJT), Van Nostrand, propuso su fabricación, pero su fabricación no fue posible hasta mediados de los años 80's.Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son: los JFET (Junction Field Effect Transistor) y MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET).

Simbolos

Canal N

Canal P

Funcionamiento básico

Esquema interno del JFET

El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial.Tienen tres terminales, denominadas compuerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la compuerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

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Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente.El JFET es un transistor de efecto de campo, es decir, su funcionamiento se basa en las zonas de deplexión que rodean a cada zona P al ser polarizadas inversamente.Cuando aumentamos la tensión en el diodo compuerta-fuente, las zonas de deplexión se hacen más grandes, lo cual hace que la corriente que va de fuente a drenaje tenga más dificultades para atravesar el canal que se crea entre las zonas de deplexión, cuanto mayor es la tensión inversa en el diodo compuerta-fuente, menor es la corriente entre fuente y drenaje.Por esto, el JFET es un dispositivo controlado por tensión y no por corriente. Casi todos los electrones que pasan a través del canal creado entre las zonas de deplexión van al drenaje, por lo que la corriente de drenaje es igual a la corriente de fuente ID = IS .

Polarización y curvas características

Polarización de un transistor JFET Curvas características de un JFET canal n

Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. el drenador se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama punch-off y es diferente para cada JFET.El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El JFET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta a fuente modifican la región de rarefacción (deplexión) y causan que varíe el ancho del canal.Al hacer un barrido en corriente directa, se obtienen las curvas características del transistor JFET. Las curvas características típicas para estos transistores se encuentran en la imagen, nótese que se distinguen tres zonas importantes: la zona óhmica o lineal, la zona de corte y la zona de saturación.Existen otros tipos de curvas, como las de temperatura, capacitancia, etc. Todas ellas normalmente las especifica el fabricante de cada transistor. Algunos programas de simulación (como SPICE) permiten hacen barridos para obtener las curvas, en base a los modelos contenidos en sus bibliotecas de componentes.

Amplificadores con JFET

El transistor JFET, al igual que los BJT, se pueden polarizar de diversas maneras (más adelante se verá) para dar lugar a configuraciones de amplificadores de señal, sin embargo no son las únicas aplicaciones, por ejemplificar algunas otras, se tienen la configuración para formar osciladores, interruptores controlados, resistores controlados, etc.

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MOSFET

Los MOSFET, o simplemente MOS (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) son muy parecidos a los JFET. La diferencia entre estos estriba en que, en los MOS, la puerta está aislada del canal, consiguiéndose de esta forma que la corriente de dicho terminal sea muy pequeña, prácticamente despreciable. Debido a este hecho, la resistencia de entrada de este tipo de transistores es elevadísima, del orden de 10.000 MΩ, lo que les convierte en componentes ideales para amplificar señales muy débiles.

Existen dos tipos de MOSFET en función de su estructura interna: los de empobrecimiento y los de enriquecimiento. Los primeros tienen un gran campo de aplicación como amplificadores de señales débiles en altas frecuencias o radio-frecuencia (RF), debido a su baja capacidad de entrada. Los segundos tienen una mayor aplicación en circuitos digitales y sobre todo en la construcción de circuitos integrados, debido a su pequeño consumo y al reducido espacio que ocupan.

Los transistores de efecto de campo MOS son usados extensísimamente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.

Ventajas con respecto a transistores bipolares

La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados PMOS, NMOS y CMOS, debido a las siguientes ventajas de los transistores de efecto de campo con respecto a los transistores bipolares:

Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de

entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nanoamperios.

Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva.

La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja

potencia.

Curvas características

En la siguiente figura, abajo a la derecha, se muestra el ejemplo de una familia de curvas de drenador de un MOSFET de empobrecimiento de canal N.

Obsérvese cómo en esta curva aparecen tanto tensiones negativas de VGS (trabajo en modo de empobrecimiento), como positivas (trabajo en modo de enriquecimiento). La corriente más elevada se consigue con la tensión más positiva de VGS y el corte se consigue con tensión negativa de VGS(apag).

De esta familia de curvas se puede obtener la curva de transconductancia, que nos indica la relación que existe entre VGS e ID. Ésta posee la forma que se muestra en la siguiente curva abajo a la izquierda:

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Obsérvese cómo esta curva aparece dibujada en los dos cuadrantes del eje de tensiones. Esto es debido a que el MOSFET puede operar tanto con tensiones positivas como negativas. Por esta razón, la corriente IDSS, correspondiente a la intersección de la curva con el eje ID, ya no es la de saturación.

Como ocurría con el JFET, esta curva de trasconductancia es parabólica y la ecuación que la define es también:

Según se puede apreciar en la curva de transconductancia de un MOSFET, este tipo de transistor es muy fácil de polarizar, ya que se puede escoger el punto correspondiente a VGS=0, ID=IDSS. Cuando éste queda polarizado así, el transistor queda siempre en conducción o, normalmente, encendido.

Amplificadores

Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los ópticos, mecánicos, neumáticos, e hidráulicos. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general señales eléctricas. La función del amplificador electrónico es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un modulador de la salida de la fuente de alimentación.

Clasificación de los amplificadores

La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene determinada por las frecuencias con las que van a trabajar.Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda audible los amplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia o amplificadores de Baja frecuencia. (amplificadores A.F. o amplificadores B.F., respectivamente).

En las transmisiones vamos a utilizar otros amplificadores que trabajan con la gama alta de frecuencias, las radio frecuencias (amplificadores de R.F).Dentro de las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer una clasificación atendiendo a su forma de trabajo:

a) Amplificadores de pequeña señal: son los que su principal misión es suministrar una tensión mayor en su salida que en su entrada, o realizar adaptaciones de impedancia.

b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayor tensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión y amplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia)

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Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. como para R.F.) y amplificadores de potencia (también, para ambas gamas de frecuencias). En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores de radio frecuencia, que son los que nos interesan para iniciar el campo de las R.F., el resto los damos por estudiados y aprendidos (porque son los montajes de amplificadores que se estudian en los años anteriores).

Clases de amplificadores de pequeña señal (por configuración de los terminales)

Si consideramos a un amplificador de pequeña señal como un cuadripolo, y teniendo en cuenta que el transistor es un dispositivo de tres terminales, uno de los tres terminales del transistor (BJT) deberá ser común a la entrada y a salida.

Entrada (2 terminales) Salida (2 terminales)

Atendiendo a esta particularidad, nos permite construir tres configuraciones, en donde el terminal común a la Entrada y a la Salida da el nombre al montaje.Veamos los esquemas y cuales son sus características principales.

Emisor Común Colector Común Base Común

ConfiguraciónBJT

Impedancia de Entrada

Impedancia de Salida

Ganancia de Tensión

Ganancia de Corriente

Inversión de Fase (Entrada/Salida)

Emisor Común Media Media Media Media Si

Colector Común Alta Baja < 1 Alta No

Base Común Baja Media Alta Unidad No

Como ocurre con los transistores convencionales (BJT), los transistores JFET, también pueden conectarse de tres maneras diferentes según sea el terminal que se utiliza como común. Aquí mostramos los esquemas y sus características principales.

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Surtidor común Drenador común compuerta común

ConfiguraciónJFET

Impedancia de Entrada

Impedancia de Salida

Ganancia de Tensión

Ganancia de Corriente

Inversión de Fase (Entrada/Salida)

Surtidor Común Muy Alta Media Media Alta Si

Drenador Común Muy Alta Baja < 1 Alta No

Compuerta Común Baja Media Alta Unidad No

Los tres esquemas anteriores corresponden a JFET de canal N. También están las tres configuraciones con transistores JFET de canal P, y por supuesto con transistores MOS.

Clases de amplificadores de potencia (por polarización)

Tal y como decíamos en el punto anterior, este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o para R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión y de corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadores pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de la misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia, podemos clasificarlos de la siguiente forma:

A. Amplificadores de clase A: un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todo el período de la señal de entrada.

B. Amplificadores de clase B: un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada.

C. Amplificadores de clase AB: son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un período y más de un semiperíodo de la señal de entrada.

D. Amplificadores de clase C: un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.

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Esta clasificación de los amplificadores también es aplicable a los JFET, y a MOSFET.

Osciladores

IntroducciónLos osciladores constituyen un elemento fundamental en los sistemas de radiocomunicaciones.Se utilizan fundamentalmente para la traslación de frecuencias, bien para la modulación en el transmisor, o bien para la demodulación en el receptor.Un oscilador se puede definir como un circuito que proporciona una señal periódica a partir de una fuente de alimentación continua. Los osciladores sinusoidales proporcionan señales con forma de onda aproximadamente sinusoidal, y su espectro se caracteriza por presentar una única línea espectral (correspondiente a la frecuencia de oscilación) anulándose la potencia de los armónicos. En un oscilador, en general, se pueden distinguir tres elementos:

⊚ Una estructura resonante cuya frecuencia de resonancia es próxima a la frecuencia de funcionamiento del oscilador, y que estaría caracterizada por la frecuencia de resonancia fr y por el factor de calidad Q.⊚ Un elemento de “resistencia negativa”, o elemento activo (amplificador) que compensa las pérdidas en los circuitos pasivos, permitiendo que se mantenga la oscilación.⊚ Una red de acoplamiento para optimizar el oscilador de acuerdo con las especificaciones requeridas. Esta red (no siempre presente) suele estar constituida por una etapa amplificadora a la salida del oscilador cuyo papel es aumentar la potencia de salida y adaptar impedancias, reduciendo el problema de la deriva de frecuencia debida a la carga.

Condiciones de oscilación

Un circuito con una red de realimentación oscilará si la ganancia en la entrada es mayor que la unidad y tiene un desplazamiento de fase nulo. En tal caso, las oscilaciones crecerán hasta que el comportamiento no lineal de sus componentes activos limite a la unidad la ganancia en el lazo de realimentación.

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Cuando un oscilador se conecta a la alimentación, inicialmente las oscilaciones son nulas. Una pequeña variación de la tensión sobre sus elementos (por ejemplo, debida al ruido térmico) se amplifica automáticamente, incrementándose cada vez más.Para que se mantenga la oscilación es necesario que a la salida se tenga una señal igual a la de entrada del amplificador. De este modo, la oscilación, se mantendría sin necesidad de una señal a la entrada del circuito. Por tanto, la condición de oscilación, requiere que el módulo de la ganancia sea la unidad y el desfase del lazo sea nulo. Lo que se puede expresar también mediante dos condiciones:

La primera se conoce como condición de arranque y establece que la ganancia total del lazo abierto debe ser mayor que la unidad. La segunda es la condición de equilibrio de fases que permite la realimentación positiva del oscilador. La condición de arranque se puede verificar en una banda más o menos ancha, mientras que la condición de equilibrio de fases, únicamente se cumple en la frecuencia de oscilación.Si la condición de arranque se mantuviera, la oscilación crecería indefinidamente. En la práctica, al aumentar el nivel de oscilación, el elemento activo entra en régimen no lineal hasta que se alcanza una condición estacionaria de oscilación, haciéndose la ganancia en lazo abierto igual a la unidad.

Osciladores LC

Atendiendo a la red de realimentación, nos encontramos con los osciladores RC (la red de realimentación está constituida por resistencias y condensadores) los osciladores LC (constituida por autoinducciones y condensadores) y los osciladores a cristal de cuarzo. Los osciladores RC se utilizan para frecuencias bajas (por debajo de 1 MHz) mientras que los últimos son empleados hasta frecuencias de 300 a 500MHz. Por encima de estas frecuencias se utilizan como elementos resonadores cavidades resonantes, líneas de transmisión resonantes, lazos de enganche de fases o bien multiplicadores asociados a osciladores de frecuencia más baja.

En un oscilador LC, la razón (o relación) de realimentación se suele fijar mediante una derivación en la capacidad, o en la autoinducción, o bien sustituyendo la autoinducción por un transformador con una “relación de vueltas” adecuada. Esto da lugar a los distintos tipos de osciladores LC.

Hay muchos tipos de osciladores, pero los más comunes son los osciladores de Colpitts, Hartley y Clapp, así como los osciladores acoplados por transformadores sintonizados a la entrada o a la salida.

Diseño de un oscilador

Normalmente, el diseño de un oscilador viene condicionado por las especificaciones (en las que se suele indicar la frecuencia de oscilación y la potencia que debe suministrarse a una determinada resistencia de carga) y los componentes disponibles (normalmente hay más variedad de condensadores que de bobinas).Con respecto a la potencia suministrada a la carga, conviene diseñar el oscilador para condiciones de máxima transferencia a la carga.Con respecto al circuito tanque, se debe tener en cuenta, por una parte, la frecuencia de resonancia (que va a determinar la frecuencia de oscilación):

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y por otra parte, el factor de calidad (que conviene que sea, al menos del orden de 50):

El proceso de diseño puede ser el siguiente:

1. Como primer paso, se puede escoger un factor de calidad mínimo para el circuito a diseñar. Éste determinará un valor mínimo para la capacidad C y un valor máximo para la autoinducción L.2. Una vez determinado el valor máximo para la autoinducción, se puede escoger L de acuerdo con la disponibilidad de componentes. La autoinducción escogida determinará tanto L como C. Las capacidades de desacoplo se deben escoger de modo que se comporten como cortocircuitos efectivos a la frecuencia de oscilación. Igualmente, el choque de radio frecuencia (si lo tuviera) debe elegirse para que se comporte como un circuito abierto a la frecuencia de oscilación.

Condiciones de oscilaciónUn análisis detallado del circuito permitiría determinar las condiciones de oscilación, siendo la primera de ellas la condición de equilibrio de fases (que determina la frecuencia de oscilación) y la segunda la condición de arranque (que determina si se pueden mantener las oscilaciones). La condición de arranque no es una restricción seria para la mayoría de los transistores siempre que la frecuencia de oscilación se encuentre por debajo de fT /2 y la resistencia de carga no sea demasiado baja.

Oscilador a cristal de cuarzoLos osciladores con redes resonantes LC difícilmente permiten alcanzar factores de calidad superiores a 200. Para conseguir factores de calidad superiores y una mejor estabilidad de la frecuencia de oscilación (frente a variaciones de la temperatura, de la tensión de alimentación o de la resistencia de carga) se pueden utilizar cristales de cuarzo. Los cristales de cuarzo se pueden utilizar para que el circuito pueda resonar únicamente a la frecuencia de resonancia serie del cristal (aprovechando el hecho de que a esta frecuencia el cristal presenta una impedancia mínima) o a la frecuencia de resonancia paralelo (a esta frecuencia presenta una impedancia máxima).

Caracterización del comportamiento del oscilador

Los principales parámetros que permiten caracterizar el comportamiento de un oscilador son: la potencia, el rendimiento, el nivel de armónicos, la frecuencia de oscilación, el margen de sintonía, el espectro de ruido, y la deriva de la frecuencia con la tensión de alimentación, con la carga, o con la temperatura. Estas características van a determinar la calidad del oscilador y la posibilidad de utilizarlo en determinadas aplicaciones. A continuación se describen estos parámetros y la forma de medirlos.

Potencia y rendimientoLa potencia de salida PL de un oscilador es la potencia que se entrega a la carga a la frecuencia de oscilación. Se puede determinar mediante un osciloscopio, aunque es preferible utilizar un analizador de espectro para considerar únicamente la potencia suministrada a la frecuencia fundamental y descartar la suministrada a otras frecuencias (armónicos o frecuencias espurias).El rendimiento del oscilador se define como el cociente entre la potencia suministrada a la carga (PL) y la potencia tomada de la fuente de alimentación de continua.

Nivel de armónicos y espectro de ruidoUn oscilador sinusoidal ideal proporciona una señal periódica con forma sinusoidal.

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Sin embargo, puesto que la amplitud de las oscilaciones se ve limitada por el comportamiento no lineal de los circuitos activos, la forma de onda se desvía siempre del comportamiento ideal sinusoidal. Esto hace que en el espectro aparezca una serie de armónicos a las frecuencias múltiplo de la frecuencia fundamental.

Se denomina nivel de armónicos al cociente entre la potencia del armónico de mayor nivel y la potencia para la frecuencia fundamental. Se mide usualmente en decibelios y su determinación se puede realizar mediante un analizador de espectro.Una vez encendido y estabilizado el oscilador, en la señal generada se observan pequeñas variaciones en la amplitud o en la frecuencia de oscilación, debidas al valor finito del factor de calidad de la red resonante. Éstas variaciones hacen que las líneas espectrales correspondientes a la frecuencia fundamental y a los armónicos tengan una cierta anchura, y dan lugar a lo que se conoce como espectro de ruido. El espectro de ruido da lugar a la aparición de un ruido de amplitud (que usualmente se puede compensar con circuitos limitadores) y un ruido de fase (que va a tener en general más importancia, dependiendo de la aplicación del oscilador).

Frecuencia de oscilación y margen de sintoníaSe denomina frecuencia de oscilación a la frecuencia fundamental del oscilador.Se puede medir mediante el osciloscopio o mediante un contador de frecuencia (Frecuencímetro). Sin embargo, conviene que sea medida con el analizador de espectro, con el objeto de apreciar, además de la frecuencia fundamental, otras componentes, como armónicos y frecuencias espurias, así como el espectro de ruido alrededor de los armónicos.La sintonía se define como el margen de frecuencias Δf que puede barrer un oscilador cuando se modifica alguno de sus parámetros. Según el método de sintonía utilizado, se distinguen:Sintonía mecánica: la frecuencia de oscilación se sintoniza modificando mecánicamente un elemento del circuito oscilador (una bobina o un condensador variable).Sintonía electrónica: la frecuencia de oscilación se modifica aplicando una tensión a un elemento de control. Este método de sintonía da lugar a los osciladores controlados por tensión, (de especial interés para solucionar el problema del arrastre en la sintonización de canales y para la modulación FM).

Deriva de la frecuenciaSe denomina “pulling” a la variación de la frecuencia del oscilador cuando se modifica la impedancia de carga. Depende fundamentalmente del factor de calidad Q del circuito de sintonía y del acoplamiento entre el oscilador y la carga.El “pushing” se define como la variación de la frecuencia del oscilador con la tensión de alimentación del oscilador. Depende de Q y del tipo de elemento activo utilizado.La deriva de la frecuencia con la temperatura es debida, fundamentalmente, a las variaciones térmicas de los componentes que forman el oscilador. Tiene especial importancia durante el transitorio térmico del circuito en el proceso de encendido. En los osciladores con redes de sintonía de bajo Q, la deriva térmica se debe especialmente a cambios en el dispositivo activo. En los circuitos de alto Q la deriva térmica se suele deber a cambios en la frecuencia de resonancia del resonador, asociados a variaciones de los componentes, dilataciones, etc.

Osciladores con Transistores JFET

Los osciladores con JFET y MOSFET emplean menos componentes debido a que los circuitos de polarización son mas simples, también son mas estables y menos ruidosos. Igual que los BJT, de acuerdo con la red de realimentación empleada, nos encontramos con osciladores RC (la red de realimentación está constituida por resistencias y condensadores) los osciladores LC (constituida por bobinas y condensadores) y los osciladores a cristal de cuarzo. Los osciladores RC se utilizan para frecuencias bajas (por debajo de 1 MHz) mientras que los últimos son empleados hasta frecuencias de 300 a 500MHz. Por encima de estas frecuencias se utilizan como elementos resonadores cavidades resonantes, líneas de transmisión resonantes, lazos de enganche de fases o bien multiplicadores asociados a osciladores de frecuencia más baja.

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Ejemplos de osciladores con Transistores BJT y JFET

Circuito oscilador Colpitts con Transistor Circuito oscilador Colpitts con JFET

Donde:

Circuito oscilador Hartley con Transistor Circuito oscilador Hartley con JFET

Donde: Leq = L1 + L2 +2M M = Acoplamiento L1 L2

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