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Amplificadores de RF

- De pequea seal de RF Amp. de seal dbil de FI De RF - De potencia o de (sintonizados) gran seal

Amplificadores de seal dbil

Definicin: Se denomina as a un amplificador que cumple dos condiciones:

1 - Las amplitudes de seal son lo suficientemente pequeas para que los dispositivos activos puedan modelarse por circuitos equivalentes lineales (por ejemplo con parmetros Y admitancia o modelo pi hbrido). 2 - El voltaje de seal de salida es linealmente proporcional al voltaje de la seal de entrada.

Un receptor de radio tpico requiere varios grupos de amplificadores, separados por circuitos mezcladores o conversores, para extraer la informacin portada por la seal 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 diseo.

Cuando se emplea, sus funciones son:

1. Provee un medio para reducir la reirradiacin del oscilador local 2. Incrementa la capacidad de recibir seales dbiles (sensibilidad) 3. Da una discriminacin adicional contra las seales de bandas adyacentes

(selectividad), y un mejor rechazo de la `` frecuencia imagen . 4. Mejora la relacin seal a ruido del receptor.

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Un amplificador ideal de RF debe presentar:

a) Ganancia en potencia elevada. b) Cifra de ruido baja. c) Funcin de transferencia lineal, con rango dinmico amplio (o sea, capacidad de

manejar seales de entrada altas sin distorsin, ya sea por intermodulacin o por modulacin cruzada).

d) Buena estabilidad dinmica. e) Admitancia de transferencia inversa baja (a fin de que la antena est aislada del

mezclador y del oscilador local). f) Selectividad suficiente (para evitar que la FI, la frecuencia imagen y otras frecuencia

parsitas alcancen la entrada del mezclador)

En la prctica, 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 discriminacin contra la frecuencia imagen (fi) y la frecuencia intermedia parsita se obtienen tambin gracias a circuitos sintonizados de alto Q.

Para cada posicin del dial de sintona de un receptor y su correspondiente frecuencia de oscilador local habr dos seales 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 tambin del oscilador local por FI. La de menor frecuencia es la seal deseada y la de frecuencia mayor se la denomina `` frecuencia imagen . En la siguiente figura se ven ambas:

FI FI fi = fRF + 2FI

fRF fOL fi frec

El uso de amplificadores de RF puede reducir la frecuencia imagen en el orden de 40 dB tpicamente.

Tambin debe rechazar la FI igual a 465 kHz externa, pues si llega sera procesada por el canal de FI igual que la seal til.

Lo normal es usar una sola etapa de RF. El uso de ms de ellas, si bien hara crecer la ganancia, y si recordamos que los mezcladores son bastante ruidosos, solo lograramos empeorar la relacin seal a ruido del receptor. La ganancia requerida de esta etapa depende de la aplicacin, pero oscila entre 10 y 20 dB.

Un amplificador de RF para un receptor de FM, cumple idnticas 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 seal til de FM de banda ancha.

Las configuraciones que emplean transistor bipolares operan en clase A, en base comn o emisor comn, proveyendo esta ltima mayor amplificacin a frecuencias medias y menor figura de ruido; sin embargo, a frecuencias altas, la configuracin en base comn presenta mayor amplificacin y mejor linealidad.

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BASE COMN:

EMISOR COMN:

Los FET pueden ser usados en cualquiera de sus tres configuraciones bsicas. Para aplicaciones en VHF es ms comn la configuracin en fuente comn, 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

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grandes seales. Su caracterstica de transferencia, que es del tipo cuadrtica, aventaja al transistor bipolar, el cual tiene caracterstica 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 dinmico 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 mho tpicamente)y otras caractersticas 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 conexin S comn oscila entre varios cientos de k y varios M), buenas caractersticas de CAG control automtico de ganancia (a diferencia de los transistor convencionales, en los cuales la aplicacin de una tensin de CAG se refleja en un cambio de la impedancia de salida, este efecto no se presenta en los MOSFET y se evita la desintona del tanque de salida), y baja capacitancia de realimentacin (la compuerta ms cercana al drenador puede ponerse a masa para RF, y en cierto modo acta como un blindaje entre dicho electrodo y la compuerta de seal, dando como resultado la obtencin de capacitancias de realimentacin menores que 0,02 mF, no siendo necesaria la neutralizacin 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 mayora de los receptores poseen ms de uno, pero pocos tienen ms 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 mnima distorsin de la seal 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 disean para rechazar seales de canales adyacentes as como respuestas espreas 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 seales de TV se desean respuesta plana y fase lineal. Estos requerimientos se satisfacen con transformadores doblemente sintonizados, o de sintona nica para requerimientos menos crticos.

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La ltima etapa de FI entrega una seal del orden de los 2 Volts al detector, si este es a diodo, o niveles ms bajos, si se trata de otro tipo de detector.

La seleccin del valor de la FI es un compromiso: Recordando que BW = FI / Q, podemos ver que cuanto ms 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 seal y la frecuencia imagen; por otra parte, la seleccin de una FI demasiado alta obligar a utilizar circuitos resonantes no tan selectivos con una curva de respuesta demasiado ancha, razn por la cual no podr rechazar adecuadamente los canales adyacentes al que se est sintonizando. Recordemos que la selectividad est dada por el Q, el cual disminuir con la frecuencia a causa del aumento de las prdidas en el mismo. Adems, para una FI alta ser necesario un oscilador local que opere a frecuencias ms altas, con lo cual aumentar la dificultad de rastreo de seales al disminuir la relacin de capacidades necesarias para cubrir toda la banda. Una solucin de compromiso para la eleccin de la FI consiste en tomar un valor un poco menor que la frecuencia ms 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 poca de los receptores valvulares y perduran hasta nuestros das, sin embargo vemos que no son del todo adecuados por lo antes dicho.

En los receptores ms elaborados se utiliza la doble conversin, con una primera etapa de FI ms alta y luego reconvirtiendo a 455 kHz o 10,7 MHz segn corresponda, para lograr buena reduccin 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 til del mensaje de audio a recepcionar, por ejemplo en AM debe ser de 10 kHz para permitir reproducir seales 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 sincrnicamente. El ancho de banda total se reduce, y para n etapas ser:

BWtotal = BWi . (21/n 1)1/2

Donde BWi corresponde al intervalo de frecuencias situado entre los puntos donde la amplitud cae 3 dB respecto del mximo. Si se conectan amplificadores doblemente sintonizados, el ancho de banda total es ligeramente menor, y la nica diferencia es que el exponente se reemplaza por .

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, as como filtros a cristal o cermicos que superan a las etapas con componentes discretos, han permitido ir reemplazando a estos ltimos en muchos casos, permitiendo miniaturizar los receptores y mejorar su performance.

La capacidad de manejo de seal que hace el canal de FI debe ser tal que le permita manejar en forma adecuada el nivel esperado ms grande que puede entregar el mezclador. El amplificador debe tener la suficiente ganancia para aumentar las seales ms pequeas a un nivel ms til para el detector. Estos requerimientos imponen la inclusin de algn control automtico de ganancia (CAG o AGC), donde la amplificacin del canal de FI es una funcin inversa del nivel de seal de salida.

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Montaje prctico de un amplificador de FI:

En la figura vemos una etapa standard de amplificador de FI de 455 kHz, tpica de un receptor de AM.

Q1 est en configuracin emisor comn. 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 ncleos para su sintona fina. La derivacin 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 adaptacin 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 polarizacin fija a la base, mientras que R3 es un resistor de autopolarizacin 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 neutralizacin para prevenir que Q1 oscile; En algunos circuitos donde la tensin de realimentacin es crtica CN es un capacitor variable que permite ajustar finamente al circuito para su neutralizacin. La ganancia tpica de una etapa como la mostrada es del orden de los 25dB.

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Estos amplificadores generalmente emplean transformadores doble-sintonizados con acoplamiento crtico, siendo su nmero total igual al nmero de etapas de FI ms uno (por ejemplo, una seccin 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 distorsin de fase, o sea, deben presentar una funcin 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 implicara inconvenientes en la recuperacin de la onda moduladora).

Un sistema tpico de FI para FM est formado por un circuito sintonizado LC, un amplificador con circuito integrado, un filtro a cristal o cermico, un segundo amplificador de FI y por ltimo el detector.

La ltima etapa amplificadora de Fi suele emplearse tambin como limitadora, ello se logra excitndola hasta la saturacin y el corte para todas las seales de FI dentro del rango dinmico, resultando la seal que se inyecta al detector una onda cuadrada modulada en frecuencia, en la cual se ha removido todo vestigio de modulacin en amplitud en la seal recibida. El uso de un filtro pasabanda, por ejemplo con un cristal piezoelctrico 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 ms selectiva que con los circuitos sintonizados convencionales. La alta selectividad permite buena discriminacin contra seales de canales adyacentes y tiende tambin a reducir el ruido.

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Los filtros cermicos y mecnicos son tambin ampliamente utilizados en los circuitos de FI.

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