Comunicaciones (5º año) Definición: Se denomina así a un amplificador que cumple dos condiciones:

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1 Amplificadores de RF Comunicaciones (5º año) - De pequeña señal de RF Amp. ó de señal débil de FI De RF - De potencia o de (sintonizados) gran señal Amplificadores de señal débil Definición: Se denomina así a un amplificador que cumple dos condiciones: 1 - Las amplitudes de señal son lo suficientemente pequeñas para que los dispositivos activos puedan modelarse por circuitos equivalentes lineales (por ejemplo con parámetros Y admitancia o modelo π híbrido ). 2 - El voltaje de señal de salida es linealmente proporcional al voltaje de la señal de entrada. Un receptor de radio típico requiere varios grupos de amplificadores, separados por circuitos mezcladores o conversores, para extraer la información portada por la señal que aparece en los terminales de antena. Entre el circuito de entrada de antena y la entrada de RF del mezclador puede incluirse una `` etapa amplificadora de RF, la cual solo es incluida en los receptores de calidad, debido a problemas de costo y diseño. Cuando se emplea, sus funciones son: 1. Provee un medio para reducir la reirradiación del oscilador local 2. Incrementa la capacidad de recibir señales débiles (sensibilidad) 3. Da una discriminación adicional contra las señales de bandas adyacentes (selectividad), y un mejor rechazo de la `` frecuencia imagen. 4. Mejora la relación señal a ruido del receptor. 1

2 Un amplificador ideal de RF debe presentar: a) Ganancia en potencia elevada. b) Cifra de ruido baja. c) Función de transferencia lineal, con rango dinámico amplio (o sea, capacidad de manejar señales de entrada altas sin distorsión, ya sea por intermodulación o por modulación cruzada). d) Buena estabilidad dinámica. e) Admitancia de transferencia inversa baja (a fin de que la antena esté aislada del mezclador y del oscilador local). f) Selectividad suficiente (para evitar que la FI, la frecuencia imagen y otras frecuencia parásitas alcancen la entrada del mezclador) En la práctica, se logra mayor selectividad usando circuitos resonantes de muy alto Q y transistor con elevada resistencia de entrada y de salida (por ejemplo los FET). La discriminación contra la frecuencia imagen (fi) y la frecuencia intermedia parásita se obtienen también gracias a circuitos sintonizados de alto Q. Para cada posición del dial de sintonía de un receptor y su correspondiente frecuencia de oscilador local habrá dos señales de RF que pueden producir una salida de FI en el mezclador. Una de ellas es mayor que la frecuencia del oscilador local por una cantidad igual a FI y la otra en menor en frecuencia, pero separada también del oscilador local por FI. La de menor frecuencia es la señal deseada y la de frecuencia mayor se la denomina `` frecuencia imagen. En la siguiente figura se ven ambas: FI FI fi = f RF + 2FI f RF f OL fi frec El uso de amplificadores de RF puede reducir la frecuencia imagen en el orden de 40 db típicamente. También debe rechazar la FI igual a 465 khz externa, pues si llega sería procesada por el canal de FI igual que la señal útil. Lo normal es usar una sola etapa de RF. El uso de más de ellas, si bien haría crecer la ganancia, y si recordamos que los mezcladores son bastante ruidosos, solo lograríamos empeorar la relación señal a ruido del receptor. La ganancia requerida de esta etapa depende de la aplicación, pero oscila entre 10 y 20 db. Un amplificador de RF para un receptor de FM, cumple idénticas funciones que uno para AM, salvo que el Q de sus circuitos resonantes debe ser tal que permita un ancho de banda mayor o igual a 240 khz, necesario para no recortar en frecuencia la señal útil de FM de banda ancha. Las configuraciones que emplean transistor bipolares operan en clase A, en base común o emisor común, proveyendo esta última mayor amplificación a frecuencias medias y menor figura de ruido; sin embargo, a frecuencias altas, la configuración en base común presenta mayor amplificación y mejor linealidad. 2

3 BASE COMÚN: EMISOR COMÚN: Los FET pueden ser usados en cualquiera de sus tres configuraciones básicas. Para aplicaciones en VHF es más común la configuración en fuente común, aunque las otras dos pueden utilizarse, pero con ganancia menor. Los FET tienen una performance similar a los transistores bipolares, en lo que respecta a cifra de ruido y ganancia, pero son particularmente buenos en su capacidad de manejo de 3

4 grandes señales. Su característica de transferencia, que es del tipo cuadrática, aventaja al transistor bipolar, el cual tiene característica de transferencia del tipo exponencial. Otra ventaja es su elevada impedancia de entrada, lo que permite no cargar al tanque de entrada, hecho que favorece a su Q y por lo tanto a su selectividad. Los MOS-FET de doble compuerta poseen un rango dinámico de cerca de 25 veces el de un transistor bipolar, posee baja cifra de ruido (de 2 a 5 db), ganancia del orden de 24 db, alta transconductancia (1200 µmho típicamente)y otras características que los hacen muy aptos para su uso como amplificadores de RF, por ejemplo la alta impedancia de entrada que tienen los terminales de compuerta (que en conexión S común oscila entre varios cientos de kω y varios MΩ), buenas características de CAG control automático de ganancia (a diferencia de los transistor convencionales, en los cuales la aplicación de una tensión de CAG se refleja en un cambio de la impedancia de salida, este efecto no se presenta en los MOSFET y se evita la desintonía del tanque de salida), y baja capacitancia de realimentación (la compuerta más cercana al drenador puede ponerse a masa para RF, y en cierto modo actúa como un blindaje entre dicho electrodo y la compuerta de señal, dando como resultado la obtención de capacitancias de realimentación menores que 0,02 mf, no siendo necesaria la neutralización hasta frecuencias de 400 a 500 MHz). Amplificadores de FI Con el fin de aumentar la salida del mezclador a un nivel adecuado para excitar un detector se utiliza un amplificador de FI. La mayoría de los receptores poseen más de uno, pero pocos tienen más de tres. Reciben su nombre de la frecuencia portadora que deben amplificar, y que es de un valor intermedio entre los espectros de audio y de RF. Generalmente operan en clase A, de manera lineal, para asegurar mínima distorsión de la señal y una ganancia adecuada, con bajos niveles de entrada. La mayor parte de la ganancia entre los terminales de antena y el detector, la proporciona dicho amplificador. Sus redes inter-etapas (circuitos resonantes) se diseñan para rechazar señales de canales adyacentes así como respuestas espúreas que pueden provenir del mezclador. En un receptor de AM es deseable una respuesta plana en la banda de paso; para FM se desea un corrimiento lineal de fase; y para señales de TV se desean respuesta plana y fase lineal. Estos requerimientos se satisfacen con transformadores doblemente sintonizados, o de sintonía única para requerimientos menos críticos. 4

5 La última etapa de FI entrega una señal del orden de los 2 Volts al detector, si este es a diodo, o niveles más bajos, si se trata de otro tipo de detector. La selección del valor de la FI es un compromiso: Recordando que BW = FI / Q, podemos ver que cuanto más baja sea la FI, mayores son la selectividad y la ganancia, sin embargo, da un rechazo pobre de frecuencia imagen en la etapa de RF, pues se acercan la frecuencia de señal y la frecuencia imagen; por otra parte, la selección de una FI demasiado alta obligará a utilizar circuitos resonantes no tan selectivos con una curva de respuesta demasiado ancha, razón por la cual no podrá rechazar adecuadamente los canales adyacentes al que se está sintonizando. Recordemos que la selectividad está dada por el Q, el cual disminuirá con la frecuencia a causa del aumento de las pérdidas en el mismo. Además, para una FI alta será necesario un oscilador local que opere a frecuencias más altas, con lo cual aumentará la dificultad de rastreo de señales al disminuir la relación de capacidades necesarias para cubrir toda la banda. Una solución de compromiso para la elección de la FI consiste en tomar un valor un poco menor que la frecuencia más baja de la banda que maneja el receptor; Las frecuencias de FI de 455 o 465 khz para AM y de 10,7 MHz para FM se seleccionaron en época de los receptores valvulares y perduran hasta nuestros días, sin embargo vemos que no son del todo adecuados por lo antes dicho. En los receptores más elaborados se utiliza la doble conversión, con una primera etapa de FI más alta y luego reconvirtiendo a 455 khz o 10,7 MHz según corresponda, para lograr buena reducción de fi, alta selectividad y buena ganancia. El ancho de banda del canal de FI, una vez elegida la FI, depende del Q de los circuitos sintonizados. Este BW debe permitir pasar el ancho útil del mensaje de audio a recepcionar, por ejemplo en AM debe ser de 10 khz para permitir reproducir señales de 5 khz por encima y por debajo de la Fp, y para FM de 160 a 250 khz. Rara vez se usa una sola etapa de FI, si no que se conectan en cascada dos o tres sintonizadas sincrónicamente. El ancho de banda total se reduce, y para n etapas será: BWtotal = BWi. (2 1/n 1) 1/2 Donde BWi corresponde al intervalo de frecuencias situado entre los puntos donde la amplitud cae 3 db respecto del máximo. Si se conectan amplificadores doblemente sintonizados, el ancho de banda total es ligeramente menor, y la única diferencia es que el exponente ½ se reemplaza por ¼. Pueden construirse amplificadores de FI con transistor bipolares, FET, MOSFET o circuitos integrados. La disponibilidad actual de circuitos integrados que incluyen amplificadores de FI de banda ancha y a bajo costo, así como filtros a cristal o cerámicos que superan a las etapas con componentes discretos, han permitido ir reemplazando a estos últimos en muchos casos, permitiendo miniaturizar los receptores y mejorar su performance. La capacidad de manejo de señal que hace el canal de FI debe ser tal que le permita manejar en forma adecuada el nivel esperado más grande que puede entregar el mezclador. El amplificador debe tener la suficiente ganancia para aumentar las señales más pequeñas a un nivel más útil para el detector. Estos requerimientos imponen la inclusión de algún control automático de ganancia (CAG o AGC), donde la amplificación del canal de FI es una función inversa del nivel de señal de salida. 5

6 Montaje práctico de un amplificador de FI: En la figura vemos una etapa standard de amplificador de FI de 455 khz, típica de un receptor de AM. Q1 está en configuración emisor común. El transformador T1 acopla la base de Q1 a la etapa mezcladora o a otra etapa de FI previa, mientras que T2 acopla a Q1 con la etapa siguiente, ya sea otra etapa de FI o la etapa detectora, las flechas indican que ambos transformadores permiten mover sus núcleos para su sintonía fina. La derivación en el secundario de T1 adapta la baja impedancia de la base de Q1 con la alta impedancia de la etapa previa (generalmente el colector de otro transistor). T2 provee una adaptación de impedancias apropiada entre la alta impedancia de salida en el colector de Q1 y la baja impedancia de entrada de la etapa siguiente (base de un transistor o un diodo). Los resistores R1 y R2 proveen una polarización fija a la base, mientras que R3 es un resistor de autopolarización de emisor, el cual estabiliza y previene corrientes excesivas en el transistor. C1 y C2 son capacitores de by-pass a FI que ponen al secundario de T1 y al emisor de Q1 a masa. El capacitor CN provee un voltaje de neutralización para prevenir que Q1 oscile; En algunos circuitos donde la tensión de realimentación es crítica CN es un capacitor variable que permite ajustar finamente al circuito para su neutralización. La ganancia típica de una etapa como la mostrada es del orden de los 25dB. 6

7 Estos amplificadores generalmente emplean transformadores doble-sintonizados con acoplamiento crítico, siendo su número total igual al número de etapas de FI más uno (por ejemplo, una sección de dos etapas de FI posee tres transformadores). Los amplificadores de FI para receptores de FM son circuitalmente similares a los de AM salvo que su ancho de banda ronda los 240 khz y que deben presentar baja distorsión de fase, o sea, deben presentar una función de transferencia cuya fase decrezca linealmente con la frecuencia (de lo contrario, al alterarse las relaciones de fase relativas entre la portadora de FM y las bandas laterales implicaría inconvenientes en la recuperación de la onda moduladora). Un sistema típico de FI para FM está formado por un circuito sintonizado LC, un amplificador con circuito integrado, un filtro a cristal o cerámico, un segundo amplificador de FI y por último el detector. La última etapa amplificadora de Fi suele emplearse también como limitadora, ello se logra excitándola hasta la saturación y el corte para todas las señales de FI dentro del rango dinámico, resultando la señal que se inyecta al detector una onda cuadrada modulada en frecuencia, en la cual se ha removido todo vestigio de modulación en amplitud en la señal recibida. El uso de un filtro pasabanda, por ejemplo con un cristal piezoeléctrico es deseable para lograr mayor selectividad que la que es posible con el uso de transistor sintonizados. A causa del Q extremadamente alto del cristal de cuarzo la banda pasante del amplificador es mucho más selectiva que con los circuitos sintonizados convencionales. La alta selectividad permite buena discriminación contra señales de canales adyacentes y tiende también a reducir el ruido. 7

8 Los filtros cerámicos y mecánicos son también ampliamente utilizados en los circuitos de FI. 8

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