Sesión 19

En la pasada sesión vimos que para construir un analizador espectral se utilizaba un filtro paso-banda de frecuencia central variable. Para conseguir el mismo efecto utilizando un paso-banda de frecuencia central fija, se recurría a un multiplicador y un oscilador con frecuencia controlable.

También se vio que, para automatizar el barrido de frecuencias en el analizador, era necesario poder controlar la frecuencia del oscilador mediante una tensión.

Así pues, en esta sesión nos centraremos en como conseguir un oscilador con frecuencia controlable por tensión y se describirá un componente vital en circuitos que precisan generar una determinanda frecuencia: el cristal del cuarzo.

Basándonos en la estructura del oscilador construido en la sesión 17, llegamos a la conclusión de que el elemento que permite variar la frecuencia del oscilador es un condensador variable. Así pues, parece lógico pensar que, para conseguir un oscilador de frecuencia controlable mediante una tensión, sea necesario tener un condensador cuya capacidad se modifique precísamente con una tensión.

Si pensamos en como está construido un diodo semiconductor, observamos que en polarización inversa se comporta como un condensador: una zona N y otra P (que actuan como placas) separadas por una barrera de potencial (que actúa como dieléctrico). Variando la tensión aplicada en sus terminales varía el tamaño de la barrera, y por tanto también la capacidad del condensador que se forma.

Un tipo especial de diodo, denominado Varicap, está construido de manera que maximiza el efecto condensador y por tanto es el más adecuado para este tipo de aplicaciones.

En la figura anterior se observa el montaje realizado para conseguir un condensador de capacidad controlada por tensión. La resistencia de gran valor limita la corriente que circula por el diodo y el condensador (también de capacidad elevada) evita que la tensión de control interfiera en el circuito al cual se conecta.

Pasamos rápidamente al laboratorio para añadir el circuito con el varicap a nuestros oscilador de 27MHz y verificar su comportamiento. Los resultados obtenidos son satisfactorios.

Se obtiene una variación pequeña al conectarlo en paralelo con C2 y mayor al conectarlo en paralelo con Cv. Como el condensador variable está soldado a la placa y no se puede extraer, el efecto de variación de la frecuencia del circuito añadido es menor de lo esperado.

El cristal de cuarzo

A menudo es necesario dotar un circuito de un determinado patrón de frecuencia que sea inalterable, es decir, que no dependa del valor de un determinado condensador o bobina y que permanezca estable al variar las condiciones del entorno.

Los cristales de cuarzo se obtienen tallando el cuarzo en delgadas láminas de geometría muy precisa. Posteriormente se metalizan las caras opuestas y se encapsulan.

Segun sea el tipo de corte, el efecto piezoeléctrico proporciona un comportamiento selectivo en frecuencia, que tiene unas características muy estables.

Se puede resumir su comportamiento en base a dos frecuencias caracterísiticas própias del cristal y su corte (fs y fp):

• f < fs: Comportamiento capacitivo.
• f = fs: Cortocircuito.
• fs < f < fp: Comportamiento inductivo.
• f = fp: Circuito abierto.

Las frecuencias fs y fp son extremadamente estables, el intervalo que las separas es de tan sólo unos pocos KHz y se pueden ubicar a varias decenas de MHz.

En esencia, podemos interpretar el cristal de cuarzo como un interruptor que se cierra únicamente a la frecuencia que nos interesa. Una forma simple de añadirlo a nuestro oscilador será colocarlo en el lazo de realimentación, de esta manera el lazo sólo se cierra (y por tanto el oscilador funciona) a la frecuencia de interés.

Finalmente, volvemos al laboratorio para colocar el cristal de cuarzo de 27MHz en el lazo de realimentación de nuestro oscilador, y comprobamos que el ajuste del condensador variable sólo permite que éste oscile a dicha frecuencia, en el momento en que variamos el ajuste, el oscilador deja de funcionar.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de radioreceptores.

Sesión 18

Se empieza la sesión en el laboratorio. Se llevará a cabo el montaje y verificación del oscilador de 27MHz diseñado en la clase anterior.

Para la realización del montaje se utiliza una placa de circuito impreso específica, que incorpora el autotransformador y el condensador variable. Una vez todo conectado, se alimenta el circuito y se observa la salida con el osciloscopio (sin usar sonda de baja capacidad). En un primer momento no aparece la señal, pero tras hacer girar el condensador variable, se encuentra un punto en el que aparece una señal sinusoidal bastante aceptable (a simple vista) en la pantalla. ¡El oscilador funciona!

Nos preguntamos que potencia se está disipando en la resistencia de carga que simula la antena, pero ¡ojo! aunque pueda parecer que lo que tenemos ante nuestros ojos es una sinusoide, en verdad no lo es, por lo que aplicar aquí la formulación habitual para este tipo de señales sería temerario. La forma más adecuada de obtener la potencia disipada es midiendola directamente, para realizar dicha medida se utilizará el analizador espectral.

El analizador espectral

El funcionamiento de un analizador espectral muy básico se puede describir como un filtro paso-banda de frecuencia central seleccionable, seguido de un detector de envolvente, al cual se puede conectar un voltímetro para ver la amplitud de la señal a esa frecuencia.

El proceso de medida se puede automatizar generando automaticamente un barrido de valores para frecuencia central y visualizando gráficamente la salida del detector de envolvente en un gráfico XY. El valor X vendrá controlado por el mismo barrido de la frecuencia central y el Y por la amplitud medida en cada caso.

Así pues, la clave para construir un analizador espectral está en conseguir un filtro paso-banda con frecuencia central variable electrónicamente y que tenga un ancho de banda estable en todo el margen. Conseguir un filtro con estas características usando las técnicas descritas hasta ahora no será viable, ya que como se vio en sesiones pasadas, en estos filtros el ancho de banda varía al variar la frecuencia central.

Sabemos que lo más eficiente es construir un filtro un filtro paso-banda que cumpla unos requisitos determinados a una determinada frecuencia fija, de hecho hasta los podemos encontrar ya encapsulados comercialmente con frecuencias centrales típicas (455KHz, 10.7MHz, 45MHz, etc...). Si conseguimos desplazar la señal a medir a la frecuencia del filtro, el efecto será el mismo que tener el filtro ajustado a la frecuencia de la señal, con la ventaja de que el filtro siempre tendrá la misma fc.

¿Como conseguimos desplazar una señal en frecuencia?

Pues utilizando un oscilador sinusoidal de frecuencia variable y un multiplicador. Como ya se vio en el caso de la modulación AM, se puede conseguir un desplazamiento en frecuencia mediante la multiplicación de la señal original por una sinusoide de una determinada frecuencia. La frecuencia del oscilador para medir la amplitud a una determinada frecuencia (fc) con un filtro de una frecuencia fija (fi) deberá ser (fc-fi).

Para acabar la sesión volvemos al laboratorio para llevar a cabo la medida del espectro de nuestro oscilador de 27Mhz. Utilizaremos el HM8028 de Hameg, un analizador de espectro un poco diferente a los que yo personalmente había utilizado hasta ahora.

A diferencia de los típicos analizadores totalmente autónomos, con pantalla y controles propios, el HM8028 no incluye un visualizador gráfico, sino que precisa de un osciloscopio en modo XY (con unos ajustes H/V determinados) para poder observar el contenido espectral de la señal medida.

Ahora si, ya estamos en condiciones de medir la potencia de nuestro oscilador de la radiobaliza. El resultado de la medida es -7dBm, lo que se traduce en una potencia de 0'2mW.

Sesión 17

El circuito oscilador que se montó en la pasada sesión utilizaba una bobina. Las bobinas son elementos complejos de fabricar y su coste aumenta con el número de espiras por necesitar mucho cobre. ¿Se podría construir un oscilador sin utilizar bobinas? La respuesta a esta pregunta la encontramos en el oscilador Puente de Wien.

El filtro que incorpora este oscilador únicamente utiliza dos resistencias y dos condensadores (R y C) y la frecuencia de oscilación viene dada por f=1/2πRC. Si además los valores de ambas resistencias y ambos condensadores son iguales, entonces BW=3/RC (por tanto Q=1/3). Al igual que en el circuito oscilador visto anteriormente, a través de Ry se debe ajustar la ganancia hasta estabilizar el circuito.

Para evitar la necesidad de ajuste de la ganancia, en 1939 William Hewlett inventó un sistema basado en una lámpara usada como termistor de coeficiente positivo. Al aumentar la tensión en la salida la lámpara se calienta más y su resistencia aumenta, este efecto provoca a su vez una reducción en la tensión de salida, lo que hace disminuir la resistencia de la lámpara. Este proceso hace converger lentamente el valor de la ganancia hasta estabilizarse.

El equivalente moderno del circuito de Hewlett se muestra a continuación:

En este circuito el resistor variable se implementa con un transistor FET, donde la tensión de puerta viene controlada por un circuito detector de envolvente conectado a la salida del amplificador.

Llegados a este punto, ya tenemos una metodología para analizar circuitos osciladores:

1. Abrir el lazo de realimentación.
2. Obtener la ganancia K del amplificador y la H(2πf) del filtro.
3. ¿Existe una frecuencia con desfase nulo?
• Amplificador no inversor: filtro puramente resistivo en fr.
• Amplificador inversor: filtro puramente resistivo + π en fr.
4. ¿Es la amplificación mayor o igual a 1?

Los circuitos osciladores comentados hasta el momento utilizan un AO como amplificador. En anteriores sesiones ya hemos visto que este tipo de dispositivos tienen un mal comportamiento a altas frecuencias, así que para conseguir osciladores de este tipo de frecuencias será necesario recurrir al transistor.

En la configuración final se utilizará un amplificador que actuará como seguidor de tensión, y necesitaremos un filtro pasobanda con ganancia mayor que la unidad.

¿Por qué necesitamos entonces el amplificador, si tiene ganancia unitaria? Pues para que suministre la potencia que se disipa en el filtro.

Diseño de un oscilador de 27MHz

Con todo lo aprendido hasta el momento, nos disponemos a diseñar un oscilador completo para utilizarlo en nuestro emisor de radiobaliza. La estructura de partida es la siguiente:

La etapa amplificadora, que actúa como seguidor, se construye mediante un transistor trabajando en zona activa. El circuito de polarización será el siguiente:

Con el valor de Rb y Re se controlará la corriente de colector, la amplificación y se fijará el valor de continua sobre el que cabalgará la señal de salida.

Para esta estructura se comprueba que la oscilación tendrá lugar cuando la carga conectada cumpla:

Finalmente mostramos el esquema definitivo del oscilador de nuestra radiobaliza, con los valores particularizados para 27MHz:

Para el conjunto autotransformador y condensador variable se utilizará una plaquita ya montada con ambos elementos incluidos.

En la próxima sesión se realizará el montaje experimental del oscilador en el laboratorio para comprobar su funcionamiento.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de radioreceptores.

Sesión 16

En la sesión anterior, se estudió un circuito para evitar la degradación por efecto carga con muchas posibilidades, únicamente utilizaba dos condensadores en serie:

Para comprender el funcionamiento de este circuito, se estudia un método para realizar transformaciones serie-paralelo y viceversa:

Aplicando la transformación paralelo-serie de C2 y Ro, se obtiene una rama donde C1, C2 y una nueva resistencia (que llamaremos Rs) están en serie, y por lo tanto C1 y C2 se pueden sustituir por uno sólo de capacidad: el producto de ambos dividido por la suma. La nueva rama tiene un condensador en serie con Rs, aplicando una conversión serie-paralelo llegamos al siguiente resultado:

Como se puede observar en el dibujo anterior, en el circuito equivalente el condensador del filtro estará formado por la combinación de valores de C1 y C2 y la resistencia de carga (vista desde el filtro) estará multiplicada por un factor cuadrático, que también dependerá de los valores de C1 y C2.

La respuesta en frecuencia de los filtros paso-banda comentados, consiste típicamente en una curva con un pico en la frecuencia de resonancia y con un determinado ancho de banda. Cuando se quiere tener una respuesta más parecida a un filtro ideal (respuesta plana en todo el ancho de banda) se utiliza el acoplamiento inter-etapas, que consiste en concatenar diferentes filtros (típicamente 3) con frecuencias consecutivas. Este tipo de circuito es fácil de identificar en un receptor ya que habitualmente se implementa con tres tanques que suelen estar agrupados en la placa.

Una tercera alternativa para evitar la degradación por efecto carga, consiste en utilizar un autotransformador. Se trata de una solución parecida a la del transformador, con la diferencia de que, en lugar de un segundo devanado sobre el núcleo de la bobina, se realiza una toma intermedia en ésta. La relación de transformación se crea a partir del número de espiras entre los dos extremos de la bobina y la toma intermedia.

Todos los métodos vistos hasta el momento para evitar la degradación por efecto carga, permiten también adaptar la impedancia de entrada de un circuito, para así adecuarla a la línea y la antena que se les conecta.

Emisor de la radiobaliza.

El propósito de este nuevo bloque es el de construir la parte del emisor de una radiobaliza que funcionará a 27MHz, en el bloque siguiente se llevará a cabo la construcción del receptor.

Para construir una radiobaliza que transmita a 27MHz es imprescindible disponer de una señal de dicha frecuencia, es por ello que empezamos haciéndonos una pregunta transcendental: ¿Como se construye un oscilador de 27MHz?

Un primer planteamiento nos lleva a un circuito LC:

Idealmente este circuito se comporta como un oscilador de frecuencia 1/SQRT(LC), sin embargo la energia inicialmente almacenada en el condensador se disipará en la resistencia parásita de la bobina, por lo que la tensión de salida se anulará rápidamente.

Elaborando un poco más la idea del oscilador, nos planteamos un circuito con un generador sinusoidal, un amplificador y un filtro pasobanda sintonizado a la frecuencia del generador. Si la cadena amplificador+filtro tiene una ganancia que hace que la tensión de salida sea igual a la de entrada y que ambas señales estén en fase (condiciones de Barkhausen: ganancia = 1 y diferencia de fase = 0), entoces si se cambia el generador por una conexión entre salida y entrada, el funcionamiento del circuito no debería alterarse.

¿Que ocurre si la ganancia no es exactamente 1?

• K < 1 - La señal de salida se va atenuando cada vez más hasta anularse.
• K > 1 - La oscilación crece indefinidamente hasta saturar el circuito y entonces deja de ser senoidal.
  

Esta particularidad obliga a un ajuste preciso de la ganancia, lo cual complica en exceso la puesta en marcha del circuito. En la próxima sesión veremos como solucionaron este problema en su día los señores Hewlett y Packard.

Aun nos queda pendiente una cuestión:

¿Como hacer funcionar el oscilador sin un generador de arranque?.

Pues bien, la respuesta está en el ruido. En ausencia de entrada, un circuito amplificador presenta en su salida una señal débil de ancho de banda infinito, se trata del ruido térmico propio de los componentes que lo forman, dicho ruido es proporcional a la temperatura.

Si se filtra paso-banda el ruido, se obtiene únicamente la componente frecuencial de interés. Si el resultado del filtrado se realimenta a un amplificador de ganancia mayor que la del filtro, el resultado es una señal creciente que aumenta hasta saturar la salida del amplificador.

Al estar saturado, el contenido espectral de la salida del amplificador estará repleto de armónicos, sin embargo a la salida del filtro estas componentes no existirán, por lo que tendremos una señal sinusoidal bastante aceptable.

A continuación pasamos al laboratorio, donde se realiza la demostración del circuito que se acaba de describir. Se observa la dificultad en el ajuste de la ganancia y el aspecto de las señales antes y después del filtro.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 15

Nos adentramos en el mundo de los transformadores y para ello es preciso empezar hablando del acoplamiento magnético. Cuando dos bobinas de un circuito están situadas de forma que sus flujos se concatenan (colineales, mismo toroide, etc...) su comportamiento deja de ser el de dos bobinas independientes, a esta configuración la llamamos transformador.

Empezamos estudiando el modelo del denominado "Transformador Perfecto":

En el modelo observamos una etapa A denominada primario, y otra B denominada secundario. El circuito al cual se conecta al devanado del primario ve la inductancia de éste, este efecto se modela a través de L1. A continuación se representa lo que llamamos el transformador ideal, modelado por su relación de espiras N, donde N=SQRT(L1/L2) luego ya tiene en cuenta la inductancia del devanado secundario.

El transformador ideal (conversor positivo de impedancias) se define como una caja con dos terminales de entrada y dos de salida, y que responde a las siguientes propiedades:

En la práctica es imposible conseguir un transformador ideal, como máximo conseguiremos un transformador perfecto, el cual no funciona para tensiones continuas.

Aplicaciones del transformador:

• Obtención de tensiones alternas inferiores a 220Vef a partir de la tensión de red.
• Multiplicador de impedancias.
• Detector de metales.
• ...

De las diferentes aplicaciones del transformador, la que permite multiplicar la impedancia presente en el secundario (vista desde el primario) resulta muy interesante para evitar la degradación de la Q en circuitos resonantes al conectar una carga.

Para finalizar, se ve otra configuración que permite evitar la degradación de la Q al conectar una carga al filtro. Esta nueva configuración evita la necesidad de un transformador:

En próximas sesiones trataremos más en profundidad este circuito.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 14

Tras el estudio en profundidad del receptor de OM regenerativo durante las sesiones anteriores, ahora nos adentramos en el mundo de los filtros y transformadores en RF. Todo lo aprendido en este bloque permitirá identificar y abordar determinadas configuraciones circuitales en esquemas complejos.

Se empieza la sesión repasando el comportamiento de bobinas y condensandores en función de la frecuencia de trabajo:

• Frecuencias bajas (contínua):
1. bobina = cortocircuito
2. condensador = circuito abierto
• Frecuencias altas:
1. bobina = circuito abierto
2. condensador = cortocircuito

Introducción al circuito tanque:

El circuito tanque (bobina + condensador paralelo) se comporta como una resistencia que alcanza un determinado valor a una determinada frecuencia. Para introducir su funcionamiento revisamos una configuración de filtro paso banda:

El concepto de circuito tanque se ve más claro si se interpreta el esquema anterior como un divisor de tensión, constituido por la resistencia R y el tanque. Esta estructura ya se estudió en sesiones anteriores, donde se vio que presentaba un pico en la frecuencia de resonancia, y se comentó el parámetro factor de calidad 'Q' que relaciona la frecuencia de resonancia con el ancho de banda (Q=ωr/BW).

Si se tiene en cuenta la resistencia parásita de la bobina, entonces la configuración del tanque incluye una resistencia serie en la rama del inductor. Dicha resistencia tendrá mucho que ver con el valor resistivo del tanque a la frecuencia de resonancia, de hecho se puede hacer una transformación del circuito para que todos los elementos esten en paralelo:

Si el factor de calidad de la bobina es igual o superior a 5, entonces los valores de bobina y condensador en paralelo serán idénticos y la resistencia será:

Ahora que conocemos el funcionamiento del circuito tanque, se nos pueden ocurrir muchas aplicaciones, por ejemplo:

• Reconvertir un amplificador inversor en filtro pasobanda (tanque en resistencia de realimentación).
• Aplificador basado en transistor (tanque en resistencia de colector).

A continuación se estudia otra estructura hábil para crear picos de resonancia, una configuración con bobina y condensador en serie.

Hacia el final de la sesión, hacemos un repaso sobre el diseño de inductancias, estudiando varias estructuras básicas, una toroidal y otra solenoidal, y también bobinas no solenoidales.

Para acabar, se comenta el efecto producido al conectar una carga resistiva a un filtro paso banda, y como degrada ésta la Q del pico de resonancia a través del equivalente Thévenin del circuito. En la próxima sesión se estudiarán técnicas para minimizar este efecto.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 13

A la salida del detector de envolvente tenemos una señal de audio que todavía no nos permite alcanzar la potencia mínima para una escucha cómoda (60mW), para amplificar la señal y permitir la conexión de un altavoz, se procede a diseñar la etapa de audio.

Puesto que ahora hablamos de una señal con frecuencias inferiores a 20kHz, el uso de un AO no debería darnos los problemas observados en HF, así que es el elemento más adecuado para esta aplicación.

Si conectamos un altavoz directamente entre la salida del AO y masa, hemos de tener en cuenta que se trata de una resistencia de 4 u 8 ohmios, y que a través de ella circulará una determinada corriente. Dado que la salida del AO TL081 está limitada en corriente (máx. 30mA), la potencia máxima conseguida con dicha carga no permitirá alcanzar los 60mW mínimos para una escucha confortable.

La solución adoptada en clase consiste en construir un transformador para conseguir que la impedancia del altavoz, vista desde el AO, sea mayor de lo que es en realidad. Intercalando el transformador se consigue que la resistencia vista desde el AO sea:

Aunque esta solución sea válida desde el punto de vista académico, sería una mala solución desde el punto de vista de coste, tamaño, etc... Ya que para conseguir que la reactancia del transformador se pueda despreciar, el número de espiras debe ser elevado.

Otro punto a tener en cuenta en nuestro amplificador de audio, es el hecho de que existe una componente continua en la señal. Dado que esta componente no permitiría el funcionamiento del altavoz, es necesario actuar sobre el circuito amplificador:

El condensador C1 se encarga de que la amplificación en continua sea la unidad, mientras que C2 evita que la reactancia del primario del transformador (L1), que es nula en continua, cortocircuite la salida.

Finalmente repasamos el esquema completo del receptor de OM regenerativo, y subimos a una zona un poco más elevada para tener mejor recepción y comprobar su funcionamiento.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 12

Ahora que el Front-End del receptor de OM ya está listo y verificado, y una vez sintonizado a la frecuencia de una emisora concreta, ya disponemos de una señal modulada en amplitud en su salida. Para poder escuchar la radio aun es necesario extraer de ella la señal de audio original, para ello se utilizará el detector de envolvente.

La base del detector de envolvente es un rectificador AC/DC de media onda, el cual está compuesto por un diodo, un condensador y una resistencia:

Inicialmente el condensador está descargado, el diodo conduce y la tensión Vo crece siguiendo a Vg(t) en el semiperiodo positivo hasta llegar al valor máximo. Cuando Vg(t) empieza a decrecer el diodo deja de conducir y el condensador empieza a descargarse a través de la resistencia.

La constante de tiempo para la descarga (RC) debe ser mucho mayor que el periodo de la portadora para minimizar el rizado, lo que nos lleva a R y C grandes. Sin embargo existen ciertas restricciones en el tamaño de R de C:

• Si la capacidad C es excesivamente elevada, la corriente por el diodo también lo será.
• Si la constante de tiempo RC es demasiado grande, se puede producir distorsión diagonal, es decir, que el detector de envolvente no sea capaz de seguir movimientos bruscos.

LAB: A continuación pasamos al laboratorio, donde se realiza la verificación del circuito como conversor AC/DC. Para ello se monta el circuito y se le conecta una señal sinusoidal procedente del generador de funciones. Se realizan las medidas con un diodo de silicio y con uno de germanio (con este último se consiguen mejores resultados debido a su menor tensión umbral).

Nos proponemos utilizar el circuito rectificador como detector de envolvente de una señal modulada en amplitud, para ello volvemos al laboratorio y se substituye el generador de funciones por una señal AM procedente del sistema de distribución de señal. Se observa que el funcionamiento es correcto, se consigue extraer la señal de audio.

Por último se considera el hecho de que la modulación AM no está centrada en cero, sino que "cabalga" sobre un offset de tensión continua. Esta característica es muy útil para trabajar con tensión unipolar en el AO pero en el detector de envolvente añade una nueva restricción en los valores de RC, restricción que además dependerá de la amplitud de la señal recibida.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 11

En la sesión anterior nos dimos cuenta de que la señal sinusoidal amplificada sufría una deformación con respecto a la original. También se vio que el transistor amplifica de forma diferente según los incrementos sean negativos o positivos, esto provoca que la señal amplificada ya no sea un seno.

Empezamos la sesión en el laboratorio, se coloca el osciloscopio USB en modo analizador de espectro, y midiendo la salida del amplificador podemos ver armónicos de valor elevado en todos los múltiplos de la frecuencia, lo cual confirma que ya no se trata de un seno perfecto.

Con el amplificador finalizado y las etapas previas ya tenemos el front-end de nuestro receptor, pero todavía tiene una pega, el nodo de salida no es de baja impedancia, lo cual quiere decir que las etapas posteriores podrían afectarle. Hoy diseñaremos la etapa separadora para solventar precísamente ese problema.

Si bien se descartó su uso en la etapa amplificadora, el Amplificador Operacional (en adelante AO) tiene un comportamiento interesante para la aplicación que tenemos entre manos: mide la tensión en sus entradas sin apenas afectar al circuito donde se conecta y en su salida aparece una tensión proporcional a la de entrada.

Para poder utilizar el AO es necesario solucionar dos interrogantes:

1. ¿Hasta que frecuencia funciona correctamente el AO?
2. ¿Es imprescindible dotar al AO con alimentaciones asimétricas?

1. La configuración escogida para la etapa separadora es la de un AO en configuración de amplificador no inversor.

Viendo el diagrama de Bode, se deduce el método para calcular la amplificación máxima posible para un BW requerido: Encontrando la distancia entre el producto ganancia-ancho de banda (GBW) y el ancho de banda requerido, y sabiendo que la pendiente es de -20 dB/dec, encontrar el valor de K es directo.

2. Dado que el receptor se alimenta con una pila, es interesante poder alimentarlo con una tensión asimétrica. Si se alimenta un AO con una tensión asimétrica, tan sólo se amplificarán las tensiones positivas. ¿Como se soluciona? Si la señal a la entrada tiene un offset tal que todos sus valores sean positivos, el AO funcionará correctamente para todos los valores.

Ahora bien, la solución anterior tiene un problema importante: el amplificador también amplificará el valor de ofset, lo cual no es deseable. ¿Como evitarlo? La solución es muy sencilla y se muestra en el siguiente circuito:

El condensador en la entrada no inversora hace que el circuito tenga dos comportamientos, uno a la frecuencia de funcionamiento(K1) y otro en continua(K2). En el primer caso se comporta talmente como un amplificador no inversor, pero en continua la resistencia R1 deja de estar a masa y pasa a comportarse como un seguidor de tensión de ganancia 1.

Para acabar, vemos en el laboratorio el funcionamiento de todas las etapas diseñadas hasta el momento juntas, lo cual nos permite observar la señal AM de una determinada emisora en el osciloscopio, incluso sin utilizar una sonda de baja capacidad.

Sesión 10

Empezamos la sesión en el laboratorio.

Se procede a medir la amplificación del circuito para diferentes frecuencias de la tensión de entrada, para ello se conecta un generador sinusoidal con 38mVpp y partiendo de 200KHz, se va aumentando la frecuencia y anotando la tensión de salida hasta cubrir todo el margen de OM.

Al anotar los valores, se pone de manifiesto un rápido empeoramiento de la amplificación a medida que la frecuencia aumenta. Este empeoramiento se produce como consecuencia del filtro paso bajo que se forma en el circuito, siendo los culpables la resistencia del hilo que une el terminal de base al transistor y las capacidades parásitas.

Como ya se vio en la sesión anterior, la solución consiste en colocar una bobina en la rama del colector. Una vez añadida la bobina, se repite el proceso de medida y se constata una notable mejoría.

De vuelta al aula de teoría, se plantea un nuevo dilema: Es necesario amplificar más, pero utilizando el mínimo número de dispositivos posible. ¿Como hacerlo? La respuesta está en la realimentación positiva.

La realimentación positiva, patentada por Armstrong en 1915, se basa en tomar una pequeña parte de la señal de salida del amplificador y re-transmitirla para que sea captada de nuevo por la antena del receptor, sumándose así a la señal original. Para que esto funcione ambas señales deben estar en fase.

La relación entre tensión de entrada y tensión de salida de la etapa amplificadora será:

Observando la expresión final se pone de manifiesto que, si el término βK es negativo, entonces la amplificación de la etapa aumenta enormemente.

Ahora bien, ¿como se implementa la realimentación positiva en el receptor de OM? Dejando de momento a un lado cómo radiar de nuevo la señal, sabemos que es necesario adecuarla para que esté en fase con la original.

Si la tensión de entrada original tiene fase 0, entonces la salida del circuito de sintonía estará desfasada -π/2, y después de la etapa de amplificación (-π/2)+π (el amplificador tiene ganancia negativa).

Para añadir la realimentación se colocará una resistencia (Ra) en serie con una bobina (L3) a la salida de la etapa de amplificación, con lo que la nueva fase será: (-π/2)+π+(π/2) = π, es decir que la señal estará en oposición de fase con la original.

Para ver como se corrige es desfase de π radianes, vemos cual fue la idea que tuvieron los inventores de la radio para re-transmitir de nuevo esa fracción de la señal amplificada y hacerlo de forma compacta: realizar L3 en forma de un tercer devanado sobre el núcleo de ferrita de la antena bobina.

La tensión en L3 creará un campo magnético que será capturado de nuevo por la antena de la etapa de sintonía(L1). ¿Como se corrige el desfase de π radianes? Pues sencillamente conectando los bornes de L3 en sentido contrario a los de L1 y L2.

Finalmente, del modelo del receptor con realimentación se extrae la siguiente función de red:

Como se aprecia en la función de red, con el valor de Ra controlamos el ancho de banda y la amplificación del pico, consiguiendo la máxima selectividad y ganancia justo en el punto antes de que nuestro receptor empiece a oscilar (se anula el coeficiente de S).