AMPLIFICADORES DE RF SINTONIZADOS

Transcripción

1 AMPIFICADOES DE F SINTONIZADOS

2 ESONANCIA Circuitos esonantes o Sintonizados El circuito resonante es una combinación de elementos, y C con una característica de respuesta en recuencia similar a la que aparece en la ig A V 0 db - 3db Fig r 2 (Hz) Bw 2

3 Observe en la Fig. que la respuesta es máxima para la recuencia de resonncia r as recuencias para el extremo izquierdo o derecho tienen niveles de voltajes muy bajos y, para todos los propósitos prácticos, aectan muy poco la respuesta del sistema. Existen dos tipos de circuitos resonantes: serie y paralelo Bibliograía: ESONANCIA Análisis Introductorio de Circuitos - Boylestad - Capítulo 20 Electrónica Allan Hambley Capítulo 3

4 A ESONANCIA SEIE El Circuito esonante Serie Un circuito resonante (serie o paralelo) debe tener un elemento inductivo y uno capacitivo. Siempre estará presente el elemento resistivo debido a la resistencia interna de la uente ( S ). a resistencia interna del inductor ( l ) y cualquier resistencia agregada para controlar la orma de la curva de respuesta ( diseño ). a coniguración básica aparece en la ig 2 Bobina S S l I + + E S C E S C - - Z T Fuente Fig. 2 4

5 A ESONANCIA SEIE a impedancia total de esta red en cualquier recuencia se determina mediante Z T JX JX C j( X X ) C as condiciones resonantes descritas anteriormente ocurrirán cuando: X X C o cual elimina el componente reactivo de la ecuación de la mpedancia total. En tal caso la impedancia total de la esonancia es simplemente ZT S o cual representa el mínimo de Z T en cualquier recuencia 5

6 A ESONANCIA SEIE En resonancia X =X C a s en subíndice se utilizará para indicar las condiciones resonantes serie w w S S wc C 2 C 6

7 7 a corriente a través del circuito en resonancia es: A ESONANCIA SEIE E E I Puesto que X =X C la magnitud de V es igual a V C en la esonancia, lo que signiica que: S C S V V

8 A ESONANCIA SEIE El Factor de Calidad (Q) El actor de calidad Q de un circuito resonante serie se deine como la proporción de la potencia reactiva del inductor o el capacitor entre la potencia promedio del resistor en la resonancia, es decir: Q S potencia reactiva potencia promedio El actor de calidad también es una señal de cuanta energía se almacena (una transerencia continua de un elemento reactivo al otro), en comparación con la que se disipa. Entre más bajo es el nivel de disipación para la misma potencia reactiva, más grande es el actor Q, y más concentrada e intensa es la región de la resonancia 8

9 A ESONANCIA SEIE a sustitución para una reactancia inductiva en la ecuación anterior da como resultado: Q S 2 I X I 2 y Q S X WS y si la resistencia es sólo la resistencia de la bobina ( l ), podemos hablar del Q de la bobina, en donde Q bobina Q l X l ( l ) 9

10 A ESONANCIA SEIE Si sustituimos w S =2 S En la resonancia S 2 C V o S Q S E Q Q S S w S C C 2 S 2 2 C C V C S Q S E Debido a que Q por lo general es mayor que, el voltaje a través del capacitor o el inductor de un circuito resonante serie, puede ser signiicativamente mayor que el voltaje de entrada. 0

11 A ESONANCIA SEIE Ejemplo: El circuito del ejemplo está en estado de resonancia. Calcular V C o V. = 6 X = 480 E=0 V X C = 480 Circuito resonante serie, con Q alto Q V S X V Q E (80) (0v) C S 800v

12 A ESONANCIA SEIE Z T en unción de la recuencia Bobina + S S l + I E S C E S C - - Z T Fuente a impedancia total del circuito serie C, en cualquier recuencia se determina por: Z Z T T 2 jx ( X jx C X C ) 2 j( X X C ) 2

13 A ESONANCIA SEIE A SEECTIVIDAD I I max =E/ 0,707I max B o W S Q S S 2 Q S S 2 (Hz) Bw Si se hace un gráico de la magnitud de la corriente I= E/Z T en unción de la recuencia para un voltaje aplicado ijo E, se obtiene la curva mostrada en la igura, a cual se eleva de cero un valor máximo E/ (en donde Z T es mínima). Se deine S como la media geométrica de y 2 S 2 3

14 A ESONANCIA SEIE Ver problemas de ejemplo en páginas 824 a 826 Bibliograía: Análisis Introductorio de Circuitos - Boylestad Capítulo 20 Apuntes: Ampliicadores Sintonizados Adaptación de impedancias 4

15 POBEMAS ESUETOS ESONANCIA SEIE 5

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26 A ESONANCIA PAAEO El circuito básico paralelo, tiene una combinación paralelo --C con una uente de corriente aplicada Y T + l + I C V C - Y T Z T X X C V C - ed ideal resonante paralelo ed práctica -C paralelo 26

27 A ESONANCIA PAAEO l P 2 l X 2 X P 2 l X X 2 X ED EQUIVAENTE PAAEO PAA UNA COMBINACIÓN - SEIE 27

28 A ESONANCIA PAAEO l + Z T + X X C V C - I Y T S P X P X C V P - ed práctica -C paralelo Fuente Sustitución de la red equivalente paralelo para la combinación - serie de la ig anterior Se deine = S // P 28

29 A ESONANCIA PAAEO Z T + I X P X C V P Y T - Sustitución de la red equivalente paralelo para la combinación - serie de la ig anterior as ecuaciones que se escribirán a continuación están deinidas para el circuito equivalente real mostrada en la igura. Se deine = S // P 29

30 30 Admitancia de entrada (Y T ) En resonancia X C = X Tarea: Deducir expresión para p A ESONANCIA PAAEO C T X X j Y 2 2 p l C O C C C l S p l p 2 2 2

31 A ESONANCIA PAAEO a impedancia máxima, m En = P la impedancia de entrada de un circuito resonante paralelo estará cerca de su valor máximo, pero no al máximo debido a la dependencia de la recuencia de P. a recuencia en la cual ocurrirá la máxima impedancia se deina mediante m y es ligeramente mayor que P. m S 4 2 l S m P 3

32 32 Deiniciones Q P : Q del circuito Q l : Q de la bobina r : recuencia resonante A ESONANCIA PAAEO P r W l l P P P P S P S P Q B y Q X Q o bien X Q si X Q P P 2 //

33 33 Cálculo de y 2 Se deine = S // P A ESONANCIA PAAEO C C C C

34 A ESONANCIA PAAEO El eecto de Q l 0 con p p Q l S S Q 2 l 0 2 C m con Q m l P S S 2 Ql 0 2 m 4 C S 34

35 35 Cálculo de Cálculo de Q P Cálculo de Cálculo del B W A ESONANCIA PAAEO C Q l l l P 2 Z TP P l l S P S T Q Z P 2 l P l l l S P Q Q X Q X Q P 2 B con C Q B l W S S l P P W

36 A ESONANCIA PAAEO I T I I C + P X X C V C - 2 ZT P P Ql l En resonancia I C Q I l T I Q I l T 36

37 El circuito resonante paralelo TABA ESUMEN S 2 C 37

38 ESONANCIA PAAEO POBEMAS ESUETOS 38

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53 AMPIFICADOES SINTONIZADOS En este capítulo se estudiará la ampliicación de señales dentro de una banda estrecha de recuencia centrada en la recuencia 0. Estos ampliicadores sintonizados se proyectan para rechazar todas las recuencias que estén por debajo de la recuencia de codo inerior y por encima de una recuencia de codo superior H. 53

54 AMPIFICADOES SINTONIZADOS Amplitud Banda de Paso Fase 3 db Amplitud Fase o h h (a) o (b) espuesta de los ampliicadores sintonizados: (a) respuesta ideal; (b) respuesta real. 54

55 AMPIFICADOES SINTONIZADOS El ampliicador ordinario en coniguración de emisor común se convierte en un ampliicador de paso de banda sintonizado mediante la inclusión de un circuito sintonizado en paralelo como en la Fig.2a. Para mayor simplicidad se han omitido todos los componentes de polarización. Determinemos la ganancia, la recuencia y el ancho de banda de esta ampliicador. Antes de proseguir con estos cálculos conviene hacer varias simpliicaciones prácticas. Primero admitamos que: << C y r bb = 0 55

56 AMPIFICADOES SINTONIZADOS Inductor (a) C' i i r C i r c Fig.2a Con << C y r bb ' = 0 Condensador externo añadido (incluye la capacida inherente de la bobina) (a) i i r i p C + v b'e r b'e g m v b'e i i p - r c (b) (c) Ampliicador de sintonía única: (a) circuito; (b) circuito equivalente; (c) bobina. 56

57 DISEÑO DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO V DD a) Circuito real C C V in 2N5555 C + V O - V in + V gs - g m V gs r d P C + V O - Ejemplo Diseñar un ampliicador sintonizado con el JFET 2N5555. Frecuencia central: 0 MHZ Ancho de Banda: 200 KHZ V DD =5v g m =6,03 ma/v r d =20,70 KΩ CACUE A GANANCIA PAA A FECUENCIA CENTA DE AMPIFICADO Desprecie las capacidades parásitas del dispositivo en el diseño. 57

58 DISEÑO DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO Cálculo del actor de calidad Q B O W 0MH 200KH Z Z 50 Valores prácticos de inductancia: de 0,5 a 20 µhy, para una recuencia de 0 MH Z. Se elegirá una = µhy y que el actor de calidad de la bobina es Q bobina =200 (este es valor típico para una bobina de alta calidad) Cálculo de C C w O (20 ) 253,3 pf 58

59 DISEÑO DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO Cálculo de a resistencia paralelo que representa las pérdidas de la bobina es: P Q w 2, 57K bobina De igual orma, la resistencia eectiva en paralelo del circuito sintonizado es: QwO 3, 42K O a resistencia eectiva en paralelo es: P r d Despejando y sustituyendo valores, tenemos 5, 25K r P d 59

60 DISEÑO DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO Para la recuencia de resonancia, la impedancia del circuito es Z==3,42 KΩ. Para calcular la ganancia en resonancia tenemos que: 3 3 A g Z 6,030 3,42 0 8,95 V m Se eligió C C >>C para que la impedancia del condensador de acoplo sea despreciable para la recuencia de interés V DD =5v P 2,57K C C 2N5485 0,0F V in C 253,3 pf 5,25 K 60

61 ANÁISIS DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO V in C 2 +0[V] C4 3 4 C2 C3 5 V o Circuito Tanque C K 330 pf 470H 0K K C C Transistor BC07 o similar 2 C 3 0, F Fig. Dado el siguiente circuito diseñado, dibuje el circuito equivalente y encuentre: p, Q C, B W, O, A O 6

62 ANÁISIS DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO El circuito equivalente simpliicado (despreciando varias cosas) puede representarse por: Generador B C S V S // 2 5K i b h ie E 3 K h e i b /h oe p C pf K ' del manual h oe O 300[ K] 2 C [ KHz ] CÁCUO de P Se estima el Q BOBINA = 40 (también puede medirse) p p Q W 47K O [ K] 62

63 ANÁISIS DE UN AMPIFICADO SINTONIZADO Carga del colector a = O Ganancia a O ' p h oe ' 37K 470K 47K 300K 470K 37K A A O O ' 37K 3 K 37( ) 37( ) Q del circuito (Q C ) Ancho de Banda (BW) Q Q C C ' W 3 O 37K,2 K 3 B B W W Q O C 3 KHz 404KHz 3 3KHz as ecuaciones ocupadas, pueden ser utilizadas tanto en análisis como en diseño. 63

64 E DIODO VAACTO (Varicap) Una de las principales aplicaciones de los diodos varactores es la sintonización de circuitos. Cuando se utiliza en un circuito resonante, el varactor actúa como una capacidad variable permitiendo ajustar la recuencia de resonancia mediante un nivel de tensión variable e: pág Floyd / pág Boylestad 64

65 E DIODO VAACTO (Varicap) 65

66 E DIODO VAACTO (Varicap) Si observamos el circuito contenido en el applet que aparece a continuación comprobamos que el diodo varactor y el inductor orman un circuito resonante paralelo. C,C 2,C 3 y C 4 son capacidades de desacoplo para prevenir que el iltro cargue al circuito de polarización. Estas capacidades no tienen eecto en la respuesta en recuencia del iltro porque sus reactancias son despreciables a las recuencias de resonancia. C previene un camino de continua entre el contacto móvil del potenciómetro y el generador de alterna a la entrada a través de el inductor y. C 2 previene del camino de continua desde el cátodo al ánodo del varactor a través del inductor. C 3 evita el camino desde la toma media del potenciómetro a una carga en la salida por el inductor. Y C 4 corta la componente continua de la toma del potenciómetro a masa. as resistencias 2, 3, 5 y el potenciómetro 4 orman un divisor de tensión continua que permite alimentar al varactor. a tensión inversa de polarización se puede variar con el potenciómetro. 66

67 E DIODO VAACTO (Varicap) a recuencia de resonancia del circuito paralelo es: 67

68 Ejemplo de un iltro pasa banda con diodo varactor C y C2 evitan que circule IDC desde la uente hacia la entrada y a la salida. Por su valor no intervienen en el cálculo de la recuencia de resonancia. A través de la uente, 2 y 3 se polariza de orma inversa el diodo varactor para que produzca variaciones de C y se modiique la recuencia central de resonancia. a recuencia de resonancia esta dada por y la capacidad C del diodo varactor. 68

69 Hoja técnica del diodo MV209 69

70 Diodo Varactor MV209 70

71 Vinculaciones de apoyo Teoría de circuitos.. Boylestad Análisis Introductorio de Circuitos.. Boylestad - Capítulo 20 Dispositivos Electrónicos Thomas Floyd Electrónica Allan Hambley Capítulo 7