Amplificadores de RF de baja señal

Comunicaciones (5º año)
Amplificadores de RF
Amp.
De
RF
(sintonizados)
- De pequeña señal
ó de señal débil
de RF
de FI
- De potencia o de
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.
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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 = fRF + 2FI
fRF
fOL
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.
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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
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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.
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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 . (21/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.
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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.
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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.
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Los filtros cerámicos y mecánicos son también ampliamente utilizados en los circuitos de
FI.
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