El front-end de un radio receptor de onda media se puede construir mediante el circuito que se presenta en la figura 1.
Figura 1. Front-end de un radio receptor de onda media.
El esquema que constituye el circuito se puede desglosar en cuatro etapas bien diferenciadas:
- Etapa de sintonía.
- Etapa de amplificación y regeneración.
- Etapa separadora.
- Alimentación.
Seguidamente se detallan las principales características de cada uno de los bloques así como los motivos por los que se han elegido estas topologías.
Etapa de sintonía:
El circuito de sintonía está formado por la antena receptora (Una bobina), un condensador variable conectado en paralelo con ella y un devanado secundario que, junto con el devanado de la antena, se comporta como un transformador.
La antena está constituida por un núcleo de ferrita de 100 mm de longitud sobre el cual se han arrollado 60 vueltas de hilo de cobre de 0,4 mm de diámetro. Situando el conjunto en posición horizontal es capaz de captar el campo magnético y por la ley de inducción de Faraday resulta inducida en sus terminales una pequeña tensión.
El modelo circuital del conjunto antena-condensador se representa a continuación:
Figura 2. Modelo circuital de la etapa de sintonía.
Este circuito, una vez analizado, se corresponde con una estructura paso bajo que tiene un pico de ganancia en la frecuencia de resonancia. Esta es la característica que le da utilidad para la aplicación. De todas las tensiones que es capaz de captar la antena, solamente serán amplificadas aquellas de frecuencia portadora coincidente con el pico de resonancia. Las frecuencias distintas a esa no se amplificarán de forma apreciable.
El pico de resonancia que se consigue con este montaje tiene un ancho de banda mayor de lo que idealmente se desearía (13 KHz frente a los 8 KHz de separación entre estaciones emisoras). Esto es debido a la resistencia parásita de la bobina que constituye la antena. Aunque la longitud de hilo de cobre utilizada para formar la antena es pequeña, el efecto pelicular hace que la resistencia parásita serie sea de valor considerable (Aproximadamente 20 ohm). Cuanto mayor sea esta resistencia, mayor será el ancho de banda del pico de resonancia y menor el coeficiente de calidad del filtro.
Se ha comentado que el circuito de sintonía va provisto de un devanado secundario que actúa como un transformador. Su misión es la de minimizar los efectos de carga que pueda ejercer la etapa que se conecte a continuación. Por tratarse de un circuito sintonizado, cualquier carga que se añada puede alterar el funcionamiento.Sobre todo aumentando el ya no muy bueno ancho de banda.
Considerando que la impedancia de entrada de la etapa amplificadora se puede modelar como un condensador y una resistencia en paralelo, el transformador consigue aplicar una relación:
36•36inampliininampliinCCRR
Por tanto, la capacidad que se añade al condensador variable de sintonía es muy pequeña y la resistencia de carga elevada (idealmente lo mejor sería que fuera infinita).
Etapa de amplificación:
La etapa de amplificación se ha diseñado con la restricción de utilizar un único dispositivo activo.
Está formada por un único transistor bipolar polarizado en zona activa y en emisor común. La red de polarización elegida es estable térmicamente y evita el efecto Miller mediante la inclusión del condensador C2. Este condensador mantiene la topología de polarización en continua y consigue que en el modelo de pequeña señal, el camino entre entrada y salida esté destruído. De no aplicar esta contramedida, la impedancia de entrada disminuiría a medida que aumentaríamos la ganancia.
La tensión de salida amplificada se coge del colector y está desfasada 180º respecto a la de entrada (invertida). El circuito se ha diseñado para que esta tensión esté centrada en medio del margen de alimentación (4,5V aproximadamente) consiguiendo así máxima excursión.
La señal captada por la antena se inyecta a la base del transistor mediante un condensador que se encarga de separar el circuito de señal del de polarización. Este condensador tiene una impedancia baja en el margen frecuencial de trabajo y una impedancia infinita en continua.
La ganancia que se obtiene con esta configuración es de aproximadamente 150. Para poder conseguir una amplificación mayor y por tanto, tener más sensibilidad en el receptor, se ha decidido añadirle un lazo de realimentación positiva.
El lazo de realimentación está formado por el potenciómetro RA, el condensador C3 y un devanado adicional de pocas espiras que se construye sobre el mismo núcleo ferromagnético que se había realizado la antena. El funcionamiento consiste en, una vez amplificada la señal captada por la antena, volver a emitirla. Si se reemite en una posición muy cercana a la antena y de modo que se sume en fase con la señal procedente de la estación de radio, tendremos un nivel de recepción importante.
Para poder sumar en fase se construyen las espiras de la antena emisora en sentido contrario a las de la antena receptora. De este modo queda compensados los retardos en fase de cada una de las etapas.
Mediante el ajuste de la resistencia RA se consigue incrementar o disminuir la ganancia total del amplificador y por tanto la sensibilidad. Por medio del ajuste del condensador variable seleccionamos la frecuencia a sintonizar y luego, variando RA damos ganancia hasta tener el nivel de señal útil necesario. Hay que tener en cuenta en este proceso que
podemos llegar a la condición de oscilación y posterior inestabilidad (saturación de la salida). Este es el gran inconveniente de la realimentación positiva.
El condensador C3 desacopla en continua la señal que queremos emitir por la antena del lazo de realimentación.
El uso de la realimentación positiva, en este circuito, es muy útil por tres aspectos:
a) Se consigue una ganancia ajustable mediante RA de valor mucho mayor a la que tendríamos con la etapa de emisor común convencional.
b) Evita tener que utilizar etapas de transistores adicionales para amplificar más.
c) Modifica la función de transferencia del conjunto global introduciendo un coeficiente negativo que permite minimizar el efecto de la resistencia parásita de la antena. Este aspecto es de gran importancia ya que corrige el problema de tener un ancho de banda demasiado grande.
Seguidor de tensión:
Para evitar que los circuitos que se conecten a la salida del amplificador de radiofrecuencia afecten a su funcionamiento, se ha añadido una etapa adicional con la finalidad de disponer la salida del front-end en un nodo de baja impedancia.
Esta etapa está formada por un amplificador operacional configurado como amplificador no inversor. Su característica principal es la de tener una impedancia de entrada infinita y una impedancia de salida muy pequeña.
Este circuito no cargará al amplificador de RF y además permitirá dar una ganancia adicional de x2 en señal y x1 en continua. La diferenciación entre la ganancia en señal y la ganancia en continua se consigue mediante el condensador C4, que es capaz de definir dos circuitos distintos en función de la frecuencia:
Figura 3. (a) Circuito para DC. (b) Circuito para AC.
Aunque las características de los OPAM como amplificadores son muy buenas, no se han utilizado en la etapa de amplificación de RF ya que presentan una fuerte limitación al trabajar en frecuencias elevadas. El parámetro conocido con el nombre "producto ganancia por ancho de banda" determina la ganancia máxima que se puede conseguir
para una frecuencia de trabajo determinada. Así, utilizando el integrado TL081 y considerando una frecuencia de trabajo de 1MHz, la ganancia máxima que podemos conseguir es de 3.
La alimentación de este circuito se puede realizar con una sola batería de 9V ya que la señal de entrada procedente del amplificador de RF está desplazada en continua. De lo contrario, habría sido necesario alimentar con tensiones simétricas para evitar que se perdiera la información negativa.
Finalizando el diseño del conjunto con un amplificador operacional aseguramos que podemos conectar cualquier carga sin afectar el funcionamiento general.
Alimentación:
Una vez vistos todos los circuitos diseñados, se puede afirmar que con una alimentación simple será suficiente para conseguir los propósitos especificados. En ningún caso se necesita alimentación simétrica. Por ello, con una única pila de 9V podremos hacerlo funcionar.
Es importante considerar el condensador electrolítico entre Vcc y masa.La finalidad es evitar que las corrientes de alta frecuencia circulen por los cables de alimentación hasta la batería o la fuente de alimentación.A efectos prácticos,este condensador se comporta como un cortocircuito a todas las frecuencias y limita la dimensión del receptor estrictamente a lo que ocupan los componentes.
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JOSE ALI MORENO LOBO C.I 18953763
EES SECCION 2
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