Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica TRABAJO DE DIPLOMA ” Manual de Laboratorio Radioelectrónica I” Autor: Yorgis García González Tutor: Ing. Hiram Del Castillo Sabido Santa Clara 2011 "Año del 53 Aniversario de la Revolución" Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica TRABAJO DE DIPLOMA ” Manual de Laboratorio Radioelectrónica I” Autor: Yorgis García González yorgis@uclv.edu.cu Tutor: Ing. Hiram Del Castillo Sabido hiramd@uclv.edu.cu Santa Clara 2011 "Año del 53 Aniversario de la Revolución” mailto:yorgis@uclv.edu.cu mailto:hiramd@uclv.edu.cu Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en La Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por La Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de La Universidad. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Tutor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica i PENSAMIENTO “El deber ha de cumplirse sencilla y naturalmente.” José Martí ii DEDICATORIA  A mis padres, por ayudarme siempre en los momentos difíciles y permitir con sus sacrificios el cumplimiento de este sueño.  A mi novia, Danay Alonso, por su amor, comprensión y ayuda. iii AGRADECIMIENTOS  A mis padres, porque ellos son todo en mi vida.  A toda mi familia que de una forma u otra han contribuido en este esfuerzo.  A mi amigo Yoenys por confiar siempre en mí y brindarme toda su ayuda  A mis compañeros de aula, pues junto a ellos encontré amigos para toda la vida.  A todas mis amistades que me apoyaron durante este importante período de mi vida, a todos los que pusieron su fe en mí.  A mi tutor Hiram del Castillo Sabido, por su activa participación en este proyecto.  A los profesores, los cuales fueron el eslabón fundamental en mi formación académica.  A todos mis compañeros de Copextel Jagüey Grande por brindarme todo su apollo. iv TAREA TÉCNICA  Búsqueda bibliográfica sobre trabajos y formatos vinculados con el tema.  Propuesta de programa analítico de la asignatura atendiendo al sistema de conocimientos y habilidades del plan D.  Propuesta de experimentos sobre la asignatura teniendo en cuenta las posibilidades materiales de que se dispone en el laboratorio y asequibles a los estudiantes.  Trabajo con simuladores para vincular la actividad practica con el diseño teórico.  Confección del informe. Firma del Autor Firma del Tutor v RESUMEN En el trabajo se aborda una propuesta de manual de laboratorios para la impartición de las prácticas relacionadas con la asignatura de Radioelectrónica I. Se confeccionaron siete prácticas que satisfacen el desarrollo de las habilidades que establece el programa analítico del plan D. Para la elaboración del manual se tomo en consideración el equipamiento disponible y elementos de circuitos que estuvieran al alcance de los estudiantes. vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .....................................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe.................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. Marco Teórico ............................................................................................. 5 CAPÍTULO 2. Manual de Practicas de Laboratorio de Radioelectronica I ...................... 10 2.1 Practica: Redes de Acoplamiento ......................................................................... 10 2.2 Practica: Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles ......................... 19 2.3 Practica: Amplificadores Sintonizados de Potencia de RF ................................... 27 2.4 Practica: Sintetizadores de Frecuencias ................................................................ 36 2.5 Practica: Modulación de Amplitud ....................................................................... 49 2.6 Practica: Modulación de FM ................................................................................. 59 2.7 Practica: Transmisor de FM .................................................................................. 69 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................... 78 Conclusiones ..................................................................................................................... 78 vii Recomendaciones.............................................................................................................. 79 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................. 80 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El currículo de estudios en el proceso de formación de un ingeniero especializado en la rama de las Telecomunicaciones y Electrónica le presta vital importancia al desarrollo de las habilidades prácticas del graduado. En años inferiores al cuarto de la carrera, las asignaturas, por su carácter básico no demandan de instrumentos y/o equipos especializados con el objetivo de satisfacer las actividades de laboratorio que apoyan sus contenidos teóricos, sin embargo ya en los años terminales, entiéndase cuarto y quinto años, las características de los instrumentos es totalmente diferente, son mas caros y costosos y apenas se pueden adquirir con un gran esfuerzo uno o dos de cada tipo. Con grupos de estudiantes que sobrepasan el medio centenar, la impartición de experimentos de laboratorio resulta una tarea extremadamente difícil. A partir del próximo curso, el plan D de la carrera llega al cuarto año y las características en cuanto al número de horas de las asignaturas sufren una reducción, dejando más tiempo a la labor independiente del estudiante. Por otra parte se ofrecen asignaturas de carácter electivas que son seleccionadas a voluntad por el estudiante. Uno de los aspectos más vulnerables con los que nos enfrentamos son las actividades prácticas. Bajo esta problemática se cuestiona la siguiente interrogante: ¿Qué actividades prácticas se ajustan de una forma más eficiente al cumplimiento de los objetivos reflejados en el plan de estudios de la asignatura Radioelectrónica I y que al mismo tiempo son factibles de ser instrumentados atendiendo a las condiciones en el laboratorio del departamento? INTRODUCCIÓN 2 Objetivo general: Elaborar un plan de prácticas que reflejen los contenidos más importantes de Radioelectrónica I atendiendo al contenido del plan de estudios. Objetivos específicos: 1. Analizar la bibliografía en lo referente al marco teórico sobre las prácticas experimentales en tiempo real que reflejen el contenido de la asignatura Radioelectrónica I. 2. Seleccionar las variantes experimentales más idóneas para el apoyo del desarrollo teórico práctico de los estudiantes en el campo de las altas frecuencias. 3. Diseñar un manual de prácticas que de forma sencilla y didáctica presente el marco teórico-práctico de las actividades a desarrollar. Para acometer la solución a esta problemática nos basamos en una experiencia práctica puesta en ejecución durante el segundo semestre de este curso 2010-11, con un grupo de 63 estudiantes, que cursaron la asignatura Radioelectrónica I y que mantiene el 85% del contenido de la que se impartirá en el primer semestre del próximo curso. La metodología utilizada ya fue objeto de experimentación en las asignaturas de Electrónica Básica, pero ahora de una forma más intensiva y siguió los siguientes pasos: 1. Imparticion de las conferencias teóricas que aborda cada tema de la asignatura. 2. Propuesta de un experimento de laboratorio a realizar por los estudiantes de manera independiente, con un máximo de integrantes de tres por grupo. Esto de manera voluntaria. 3. Incidencia en la evaluación de la asignatura a partir del resultado practico. Los estudiantes debían montar el experimento, en la gran mayoría de las ocasiones por medios propios y seguir un procedimiento en el laboratorio que le permitiera comprobar experimentalmente los resultados. 4. Entrega de un informe final que refleje de manera concreta los resultados obtenidos en los experimentos realizados, después de que el profesor realice la verificación practica de los resultados, interactuando con cada uno de los integrantes del grupo. INTRODUCCIÓN 3 5. Propuesta de un trabajo final que involucre todos los experimentos, en este caso se sugirió el montaje de un transmisor de FM, con la prerrogativa de haber realizado los experimentos orientados. En dependencia de los resultados se le otorgaría una calificación final al estudiante teniendo en cuenta los resultados obtenidos en las pruebas parciales. Del grupo de 63 estudiantes 20 estudiantes obtuvieron su nota final antes de presentarse al examen final de la asignatura y algunos de los trabajos realizados en el laboratorio pueden ser calificados de excelentes por la manera ingeniosa en la que los estudiantes aplicaron los conocimientos adquiridos en la asignatura y en las que le antecedieron, fundamentalmente las Electrónicas Básicas. Hubo un gran estimulo por parte de los estudiantes en realizar los experimentos orientados. Como toda experiencia inicial hubo errores que se cometieron, el mas importante de todos fue una insuficiencia de material didáctico que sirviera como guía a la realización de los experimentos y dejara claro los objetivos que cada uno de ellos perseguía, los pasos de una técnica operatoria lógica y el contenido que debía ser reflejado en los informes como parte de los análisis de los resultados obtenidos. El objetivo de este trabajo es precisamente presentar una guía de experimentos que apoyen el desarrollo de habilidades prácticas de los contenidos de la asignatura Radioelectronica I presentados en el plan D de la carrera. Organización del informe Tomando como referencia estos objetivos se estructuró el trabajo de la siguiente forma: Introducción: Se abordan los antecedentes del trabajo y se presentan los principales objetivos que se persiguen. Capitulo I: A partir del sistema conocimientos y habilidades, equipamiento de laboratorio y posibilidades materiales reales recogidas a partir de la primera experiencia los temas que serán objeto de experimentos de laboratorios. Capitulo II: Estructura del material de apoyo a las actividades practicas, donde se identifiquen los objetivos de cada experimento, técnica operatoria, bibliografía a consultar INTRODUCCIÓN 4 y preguntas de comprobación que garanticen una guía para consolidar los resultados prácticos. Conclusiones y Recomendaciones: Atendiendo a los resultados alcanzados se presentan las conclusiones del trabajo y se brindan recomendaciones que permitan perfeccionarlo en un futuro. Bibliografía y Referencias: Se presenta una bibliografía que refleje no solo el contenido teórico sino también sugerencias desde el punto de vista práctico que garanticen un apoyo adecuado en la actividad de laboratorio. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 5 CAPÍTULO 1. Marco Teórico El primer punto a tener en cuenta para desarrollar un material de tipo didáctico eficiente es tomar en consideración el sistema de conocimientos y habilidades de la asignatura y realizar una propuesta de programa analítico. Sistemas de Conocimientos: Radiocomunicación. Onda radioeléctrica. Emisión y radiación. Objetivos de un radiotransmisor. Objetivos de un radiorreceptor. El espectro radioeléctrico como un recurso natural. Estabilidad de frecuencia. Osciladores controlados a cristal. Sintetizadores de frecuencia. Síntesis indirecta. Síntesis digital directa. Amplificadores de alta frecuencia de señales débiles. Parámetros admitancia. Ganancias de potencia. Criterios de estabilidad de Linvill y Stern. Formas de estabilizar un amplificador. Unilateralización y neutralización. Estabilización por carga. Elementos de diseño. Amplificadores de RF de potencia. Clases de amplificación. Cadenas simples y compuestas de amplificación de potencia. Amplificador clase C modo mixto. Amplificadores de alta eficiencia. Parámetros de un transmisor de radio. Transmisores de AM. Modulación de amplitud de alto nivel. Característica de modulación. Modulación AM con acoplamiento por transformador. Modulación AM con acoplamiento serie. Transmisores de FM. Métodos directo e indirecto de generación de FM. Moduladores de fase. Señal múltiplex estéreo. Transmisores de BLU . Sistema de Habilidades: 1. Calcular los diagramas en bloque de los sintetizadores de frecuencia indirectos. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 6 2. Diseñar amplificadores de señales débiles a partir de los parámetros admitancia. 3. Diseñar amplificadores clase C modo mixto. Programa Analítico Tema No I Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles Criterios en el diseño de amplificadores de RF. Método de parámetros físicos. Método de parámetros Y. Criterio de Linvill. Criterio de Stern. Técnicas de unilateralización y neutralización. Ejemplos de diseño. Criterios de diseño de redes de acople. Tema II Amplificadores sintonizados de potencia de RF Introducción. Tipos y características de Amplificadores Sintonizados de RF de potencia de RF. Amplificador clase C modo mixto. Amplificadores de RF sintonizados de alta eficiencia: Amplificador de RF clase ¨D, amplificador de RF clase Ë̈ , amplificador de RF clase ̈ F̈ . Criterios de diseño. Estructuras compuestas de amplificadores de potencia. Tema III Osciladores de RF Osciladores a cristal: Pierce, Miller y Tri-tet: esquemas básicos. Criterios de diseño. Síntesis directa de frecuencias. Síntesis indirecta de frecuencias: PLL como sintetizador de frecuencias. Tema IV Transmisores de AM Generalidades de la modulación de AM. Modulación en bajo y alto nivel. Modulación en colector, base y emisor. Parámetros básicos de un transmisor de radiodifusión de AM comercial. Tema V Transmisores de FM Generalidades de la modulación en FM. Esquemas básicos de transmisores de FM: transmisor de Crosby, transmisor a PLL y transmisor de Armstrong. Parámetros comerciales de los transmisores de FM. FM estereo: características de la señal en banda base. Tema VI Transmisores de BLU Técnicas de modulación de BLU: métodos del filtro, desfasaje y tercer método. Estructuras de transmisores de BLU. Transmisores de BLI. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 7 El desarrollo de las habilidades prácticas en el campo de las altas frecuencias es algo costoso, tanto por los instrumentos que involucran sus prácticas, como por los componentes utilizados. Del contenido de la asignatura, la experiencia tomada a partir de un estudio realizado sobre prácticas de laboratorio en universidades extranjeras y el equipamiento del que disponemos, proponemos las siguientes actividades prácticas con el orden y objetivos siguientes: Practica No 1 Redes de acople El objetivo en esta primera actividad práctica es vincular al estudiante con aspectos relacionados con técnicas utilizadas en altas frecuencias tales como: a) el diseño y construcción de bobinas, aplicando expresiones que se adecuen para el intervalo de frecuencia de interés y la comprobación de sus valores con los instrumentos, indicando cualquier limitación involucrada. b) elección de capacitores, sobretodo sus características constructivas, atendiendo a la aplicación. c) adiestramiento con los generadores de alta frecuencia y osciloscopios digitales de nueva generación. d) comprobar las similitudes entre el diseño teórico y los resultados prácticos y las razones de las diferencias. Practica No 2 Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles Esta segunda actividad vinculada al diseño de amplificadores de RF de señales débiles, pretende entre otras cosas: a) a partir de la frecuencia de operación la selección del elemento activo. b) calcular las componentes para el punto de operación DC recomendado por el fabricante. c) calcular los elementos de la redes de acople de entrada y salida a partir del conocimiento de los parámetros Y del dispositivo. d) comprobar los resultados del diseño con el uso de los instrumentos de laboratorio. Practica No 3 Amplificadores de potencia sintonizados de RF CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 8 La tercera actividad planificada y siguiendo el orden del programa propuesto relacionar al estudiante con: a) a partir de la frecuencia de operación y condiciones de trabajo la selección del elemento activo. b) investigación de las características brindadas por el fabricante para la aplicación del método de diseño, incluyendo el circuito de polarización con las protecciones en caso de que proceda. c) comprobación del diseño utilizando el equipamiento disponible. Practica No 4 Síntesis de frecuencias Esta práctica fue seleccionada por la importancia y el número de elementos que involucra en su diseño, libre totalmente para el estudiante y que va a demandar: a) vinculación con las componentes involucradas en el diseño de un sintetizador de frecuencias a PLL. b) diseñar la estructura para el proceso de la división programable. c) elección de la resolución del sintetizador. d) diseñar un oscilador de referencia a cristal. e) pruebas experimentales para comprobar los resultados del diseño. Practica No 5 Modulación de AM Relacionarse con circuitos capaces de instrumentar prácticamente las expresiones matemáticas que identifican a un modulador de AM y que exigen: a) selección de un esquema adecuado, puede ser sobre la base de dos variantes de alto nivel o bajo nivel, recordar que ya tenemos una estructura de amplificador de potencia probada. b) comprobar la relación entre los elementos del circuito y las características de la señal modulada. c) en todos los casos se debe justificar el uso y valor de los elementos involucrados, sobretodo cuando su lugar en el esquema requiera de un cálculo lógico. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 9 d) pruebas experimentales que involucren el analizador de espectro, con el objetivo de observar las características espectrales de una señal de AM. Practica No 6 Modulación de FM Al igual que en la actividad practica anterior se trata de relacionar al estudiante con circuitos que sean capaces de instrumentar una descripción matemática de una señal de FM y que van a exigir: a) selección del esquema adecuado, con la observación de que ya tiene un adelanto en el diseño del sintetizador de frecuencias de la Practica no 4. b) diseño de los elementos involucrados en el circuito de modulación. c) comprobación como se cambian las características de la señal modulada con el cambio en cada una de las componentes que interviene en el proceso de modulación. d) pruebas experimentales usando el analizador de espectro y comprobar los cambios espectrales con el cambio en el índice de modulación. Practica No 7 Transmisores de FM Esta es una actividad resumen de las realizadas anteriormente y que pretende que el estudiante que realizó las anteriores de manera exitosa pueda convalidar su nota final. Es una actividad de carácter integrador, que involucra: modulación, amplificación de potencia de RF, síntesis de frecuencia y osciladores a cristal, conjuntamente con un proceso de división que puede ser o no programable. Aunque no fue indicado en ninguno de los objetivos de cada práctica, será de carácter obligatorio por su forma convencional con la que se trata a nivel mundial en realizar en todos los casos una simulación de los circuitos que se instrumentan. Para ello pueden ser utilizados los que se encuentran en la red FIE. Los elementos utilizados para la conformación del paquete de prácticas se hicieron teniendo en cuenta como se observa, de la secuencia lógica del programa analítico propuesto y la relación vertical entre conocimientos impartidos. Para la actividad final ya el estudiante habrá conocido los conceptos básicos de diseño de antenas y podrá utilizarlos en el diseño del elemento de radiación. . CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 10 CAPÍTULO 2. Manual de Practicas de Laboratorio de Radioelectronica I En este capitulo se presenta la estructura del manual de practicas de laboratorio de la asignatura radioelectronica I, donde están incluidas las siete practicas que se diseñaron para la realización de este manual. 2.1 Practica: Redes de Acoplamiento I. Conocimientos previos Manejo de programas de simulación y equipos de laboratorio: osciloscopio digital y generador de señales sinusoidales para la medición de la respuesta de frecuencia de un circuito. II. .Objetivos Aplicar criterios prácticos que permitan obtener resultados rápidos y satisfactorios en el diseño de redes de acoplamiento. Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de una red de acople para circuitos de alta frecuencia. Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio: osciloscopio digital y generador de señales. III. Marco Teórico Las redes de acoplamiento cumplen dos importantes funciones en los circuitos de RF. Primero transformar los niveles de impedancias exigidos por los dispositivos activos y pasivos del sistema, por ejemplo, salidas o entradas de un transistor y antena. Segundo, proveen discriminación de frecuencias, en virtud de su selectividad, determinada por la CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 11 Q del circuito resonante, así solo habrá a la salida la frecuencia deseada. El diseño de una red de acople se basa en el conocimiento de los siguientes parámetros: a) Impedancia deseada de la red de salida, especificada por la resistencia serie Rs y la reactancia seria Xs, o la conductancia paralelo Gp y la susceptancia paralelo Bp. b) Impedancia deseada de la red de entrada, especificada por Rs, Xs o Gp y Bp. c) La Q del circuito cargado con las terminaciones de entrada y salida conectadas. La solución más empleada es la de usar redes de acople del tipo L, T o Pi, estas dos últimas fundamentalmente; algunos sistemas un poco más elaborados suelen usar líneas exponenciales y transformadores balún. En los circuitos de radio siempre se supone que el generador tiene una impedancia de 50Ω y es una consideración que siempre debemos tener en cuenta en el diseño de la red. El mismo criterio se emplea con la carga del paso final, es decir, a la antena, también se le supone una impedancia resistiva de 50Ω. En la siguiente figura se presentan algunas estructuras típicas de redes de acoplamiento. Notemos que en todos los casos se hace la suposición que se trabaja con la parte resistiva de la impedancia a la cual se realiza el acople, en caso de tener parte reactiva, entonces se integra al elemento reactivo de la red en cuestión. Para el diseño debemos determinar la dependencia de los elementos de la red de los niveles de impedancia a acoplar y el valor de la Q de circuito, por tanto se deben derivar tres ecuaciones que se corresponden con los tres elementos que conforman las redes presentadas. En el caso de una red del tipo L, donde solo hay dos elementos que la conforman , pues el valor de la Q de la red esta determinado de hecho por los valores de las impedancias que se deseen acoplar y el diseñador no tiene forma alguna de modificarlo. Las ecuaciones de diseño se pueden derivar de la red a partir de la definición del nodo de Q dominante, es decir, el que en mayor gado determina el grado de selectividad de la red. Tomemos como referencia la estructura de la red CCL representada por al figura 1c, donde se establece una condición R1 > R2, entonces en este caso la Q queda CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 12 determinada por el nodo que involucra la rama compuesta por L1 y R2. Ahora podemos definir la Q: 21 RQX LL (1) Aplicando la condición de resonancia en el circuito, se transforman las ramas serie a paralelo y se igualan las partes imaginarias y reales, quedando al final después de un simple procesamiento: 1 )1( 1 2 2 11 R QR RX L C (2) 1 2 2 1 2 1 1 * )1( RQ XQ QR X L CL L C (3) Supongamos las siguientes condiciones para el diseño: R1=75Ω, R2=50Ω, Q=4 y f=27MHz. Con estos valores determinamos a partir de las ecuaciones (1), (2) y (3) los valores de los elementos de la red: C1=5.45 pf, C2=24.45 pf y L1= 1.1789 uH. Los resultados de la simulación fueron los siguientes: Fig. 2.1.1 Del grafico, fL=23.55MHz, fH=30.5MHZ, fo=27.29MHZ y por tanto Q=3.89 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 13 Como se observa los resultados de la simulación se acercan bastante a los valores iníciales de diseño. El circuito montado fue: Fig. 2.1.2 Otro método utilizado para el análisis y diseño de redes de acople se fundamenta en el uso de la carta de Smith de impedancia-admitancia. Los valores de los componentes de constantes concentradas pueden obtenerse directamente de la carta como valores normalizados. La figura siguiente muestra el esquema básico de la carta. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 14 Fig. 2.1.3 Los elementos paralelos de una red siguen los círculos de admitancia marcados en color rojo y sus valores corresponden con los indicados sobre las intersecciones de los arcos correspondientes. Los elementos serie siguen los círculos de impedancia y los valores de las componentes se leen sobre las correspondientes intersecciones de los arcos. El procedimiento para graficar los valores de las componentes en la carta de impedancia- admitancia se presentan en la siguiente tabla. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 15 Agregar Usar Grafico Seguir una curva Sentido Valor del componente L en serie Z R en serie constante Horario Xl=Xf-Xi C en serie Z R en serie constante Antihorario Xc=Xf-Xi R en serie Z X constante Hacia abierto Rs=Rf-Ri Derivación +L Y R en paralelo constante Antihorario Bl=Bf-Bi Derivación +C Y R en paralelo constante Horario Bc=Bf-Bi Derivación +R Y B constante Hacia cortocircuito 1/Rp=Gf-Gi Tabla No 1 El uso de la tabla permite de alguna manera validar el diseño realizado, ilustremos esto con un ejemplo. Consideremos la siguiente red, en la que se desea conocer el valor de la impedancia de entrada. Fig.2.1.4 Sobre la carta deben quedar colocadas los valores de los elementos normalizados, para el caso de las impedancias se toma como referencia 50Ω y para las admitancias 500Ω. El CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 16 primer paso es colocar el valor de la resistencia de carga, que normalizada caería en el circulo de radio unitario y sobre la abscisa por ser puramente resistivo. Después el procedimiento es muy simple, solo se limita a seguir las reglas establecidas en la Tabla No 1. Al final, obtenemos el valor de la impedancia de entrada, para ello recordemos que se debe multiplicar por 50. En la siguiente figura se presenta el procedimiento. Fig.2.1.5 Notemos que desde la salida (punto negro) a la terminación de C2 nos movemos sobre la curva de R serie constante en sentido antihorario, como Xi = 0 y el valor de la reactancia capacitiva normalizada es de 2 ohm, entonces debemos movernos hasta la curva indicada por 2 Ω (punto rojo), a la que corresponde en la carta de admitancia 0.4 mho. Desde ese punto entonces tendríamos que considerar un inductor en paralelo de admitancia normalizada 1 mho, nos movemos sobre la curva de R paralelo, es decir la curva G en la carta de admitancia hasta el valor de 0.6 mho (punto verde), como ambos valores tienen signos opuestos, su diferencia resulta en 1 mho que es el esperado. En ese punto nos movemos ahora con otro capacitor serie C1 de la misma forma que hicimos con C2, sobre la curva de R constante, en ese punto Xi = 1.5 Ω, como el valor normalizado de C1 es de CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 17 1.5 Ω pues tenemos que hacer el giro hasta un Xf = 0 y llegamos al extremo de entrada de la red (punto azul). La carta indica 0.5 Ω normalizado y puramente resistiva, por tanto el valor de la impedancia de entrada de la red es de 25 Ω. Para el diseño se sigue el procedimiento descrito, ahora sobre la carta de Z-Y se coloca los valores de impedancia de entrada y salida y se grafica la curva que identifica la Q que se desea obtener, esto es porque la característica de Q es la que va a indicar los valores finales de los elementos que conforman la red. El montaje de una red de acople debe observar unas reglas, sobretodo que los elementos que la conforman tengan características que le permitan el trabajo en el intervalo de frecuencias de operación, en el caso de los resistores deben ser de carbón y nunca laminados y en el de los capacitores de mica en forma de disco o cerámica en forma tubular. IV. Técnica Operatoria La realización de la práctica contempla varios pasos que deben ser satisfechos por el estudiante: 1. Selección de la variante atendiendo a las opciones que se presentan en la fig. no x. En todos los casos se debe tener en cuenta que la impedancia de los generadores utilizados es de 50Ω. 2. Utilizar un software que valide las características de la red diseñada en cuanto a los valores de las impedancias de entrada y salida, así como la Q de la red. 3. Montaje de la red en el laboratorio y su comprobación por parte del profesor encargado de su atención. Para ello el estudiante dispone de algunos elementos, otros debe ser traídos por el estudiante. 4. La red diseñada debe ser objeto de varias pruebas que validen su resultado: comprobación de su respuesta de frecuencia, impedancia de entrada, cambios en la red debido a cambios en valores de las componentes que la conforman y otros que sean de interés por parte del estudiante. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 18 5. Elaboración de un informe en formato electrónico donde se indiquen los resultados de la programación de la red, resultados prácticos debidamente tabulados y un breve análisis crítico que presente una comparación entre los obtenidos y los esperados en el diseño. 6. Los grupos de práctica no pueden ser mayores de tres estudiantes. 7. La evaluación de la práctica influirá de manera importante en la calificación de la asignatura en el transcurso del semestre y en la nota final. V. Preguntas de comprobación 1) ¿En una red de acople de dos elementos se garantiza el ajuste del ancho de banda de la red? ¿Por qué? 2) ¿Qué consideraciones debe tener en cuenta cuando utiliza la red Pi como red de acople con la antena con relación al acople con el amplificador de salida? 3) Una red del tipo CCL: a) independiente de la posición en que se coloque no necesita capacitor de desacople b) su colocación es independiente de los valores de resistencias a acoplar c) si se utiliza a la salida requiere un capacitor para evitar el acople del voltaje de suministro al resistor de carga. 4) Una red de acople de impedancias de tres elementos: a) obliga a fijar un valor de Q determinado por los valores de resistencias a acoplar b) permite manipular los valores de las resistencias a acoplar y la Q del circuito c) establece un ancho de banda fijo en función de las resistencia a acoplar CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 19 5) La colocación de un resistor en paralelo con el primario del transformador de acople: a) aumenta la Q del circuito b) disminuye la Q del circuito c) no afecta el ancho de banda del circuito 6) Explique de que modo en una red del tipo Pi puede realizar un diseño que tenga dos puntos de atenuación de frecuencias máximos. 7) Intente realizar el diseño de una red tipo T si la supone conformada por dos del tipo sección L. ¿Qué condiciones debe satisfacer el diseño? 8) Ídem la pregunta anterior pero ahora una red del tipo Pi. ¿Qué condiciones debe satisfacer el diseño? 9) Compruebe con el uso de la carta de admitancia-impedancia el diseño por Ud. realizado para la actividad práctica. 10) Explique que significa el nodo dominante en el diseño de redes de acoplamiento. VI. Bibliografía Ing. Hiram del Castillo Material en soporte magnético. Conferencia No 3 Redes de Acople, 2011 Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, 1.7 al 1.9, Ed 1999, Prentice Hall Proyecto de Amplificadores de RF, Manual de la RCA, pág. 44-71 Wiley- High Frequency Techniques – An introduction to RF and Microwave Engineering, Cap Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, H. Krauss, Cap. 3, Ed. 1994 Modern Communications Circuits, Jack Smith, Cap. 4, Ed. 1998, Mc Graw Hill 2.2 Practica: Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles I. Conocimientos previos CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 20 Uso de programas de simulación y conocimientos de las características de los elementos utilizados en el diseño de amplificadores de RF de pequeña señal. II. Objetivos Aplicar los criterios de estabilidad utilizados en los amplificadores de RF sintonizados de señales débiles. Saber diseñar amplificadores de RF sintonizados de señales débiles atendiendo a las condiciones de diseño. Comprobar experimentalmente los resultados obtenidos en el programa de simulación seleccionado. III. Marco Teórico Los amplificadores sintonizados de RF señales débiles son aquellos destinados a operar con niveles de señal extremadamente bajos del orden de los microvolt y entre sus funciones, las principales son: 1. Proveer una alta ganancia de potencia. 2. Garantizar un perfecto acople de impedancias, sobre todo si trabaja como elemento inicial en una cadena de recepción RF. 3. Operar dentro del ancho de banda diseñado Podrían ser citadas otras pero estas son las más significativas. Los elementos seleccionados para trabajar en estos amplificadores deben guardar plena correspondencia con la aplicación que el fabricante establece para cada uno de ellos. A veces la posición del amplificador dentro del sistema está en correspondencia con el tipo de aplicación, por ejemplo en el caso de los reforzadores, ampliamente conocidos por ser aquellos que tienen como objetivo aumentar el nivel de señal captada por la antena para lograr mejores niveles de señal en la recepción. Esta aplicación requiere que el amplificador este lo más cerca posible de los terminales de la antena para evitar que el rudo inducido en el bajante influya de manera negativa en la recepción. Recuerde que es el primer elemento de una cadena de recepción el que determina fundamentalmente el ruido del sistema completo, por eso es que una de las características que satisfacer el elemento activo utilizado es su baja cifra de ruido CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 21 dentro del intervalo de frecuencias de aplicación. En la Fig. 1 se presenta un esquema típico. Existen dos métodos que nos permiten realizar el diseño aproximado de un amplificador sintonizado de RF de señales débiles. a) método de parámetros físicos b) método de parámetros Y En el método de parámetros físicos el diseño se fundamenta principalmente en el conocimiento de las características básicas del transistor brindadas por el fabricante, tales como: punto de operación, frecuencia de trabajo recomendada para su operaron en circuitos de alta frecuencia, ganancia de corriente. La aplicación de este método es sencilla. Desde el punto de vista práctico las condiciones de diseño que se imponen en un amplificador de este tipo son: ganancia de potencia, impedancias de entrada y salida, frecuencia de trabajo y ancho de banda. Tomemos como referencia el esquema de la Fig. 1. La operación en clase A y el acople a transformador indican que le eficiencia del esquema es de un 50% como valor máximo. Una regla típica sugiere que la caída de voltaje a través del resistor de emisor sea de un 10% del valor de la fuente de suministro, como: Fig. 2.2.1 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 22 CCCDC IVP 9.0 (1) Para una eficiencia del 50%, tendremos: o o DC P P P 2 (2) De manera que: CC o C V P I 9.0 2 (3) En la red de desacople, en los circuitos de pequeña potencia se recomienda para Rdn un valor de 100 Ω y entonces el valor de Xcn ≤Rdn/10, es decir, Xcn≤ 10Ω. El cálculo de los valores que conforman la red de polarización es sencillo después que haya sido determinado el valor de Ic en la expresión (3). La secuencia de cálculo será: Ic V R CC E 1.0 (4) También: 111 1 7.0 I Ve I VeV I V R BEB (5) Donde: BII 101 (6) Siendo: C B I I (7) El diseño del circuito de colector a señal se puede realizar suponiendo condiciones ideales para el transformador de acoplamiento en el que el coeficiente de acoplamiento K=1 y la η = 100%, entonces: LfX oL 2 (8) Cf X o C 2 1 (9) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 23 BW f Q o (10) LCt QXR (11) Notemos que Rct es la resistencia en el colector bajo condiciones AC considerando el efecto de la carga del secundario del transformador. Entonces para lograr la máxima transferencia de potencia a la carga la resistencia reflejada hacia el primario, Rlt debe ser el doble de la indicada en la expresión (11). Así: L Lt s p R R n n (12) El segundo método es el de los parámetros Y. Este método es ampliamente usado sobre todo por los criterios de estabilidad que han sido desarrollados a partir del conocimiento de los parámetros para una frecuencia y punto de operación dados. El procedimiento para la aplicación de este método resumiéndolo de forma breve es el siguiente: i. Aplique la expresión que establece el Criterio de Linvill a partir del conocimiento de los parámetros Y para las condiciones establecidas. rfeoi rf yyRgg yy C 2 (13) ii. Si el resultado es menor que la unidad entonces el dispositivo es estable para las condiciones de diseño, independientemente de los valores de impedancia de carga y fuente. Si el resultado es mayor que la unidad debe proceder a aplicar el Criterio de Stern. rferf Losi yyRyy GgGg K 2 (14), el valor de Gs es brindado por el fabricante, inverso de Rs que es el que aparece generalmente en la hoja de datos. K se le supone un valor entre 4 y 10, siempre mayor que la unidad y se determina el valor de Gl que debe ser colocado en los terminales de salida. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 24 iii. Aplicar el proceso iterativo a partir de considerar que la parte imaginaria de la carga coincide con el negativo de la imaginaria del dispositivo. Solo con dos o tres iteraciones se podría llegar al resultado final. iv. Finalmente solo tendríamos que diseñar las redes de entrada y salida, considerando siempre que la impedancia de la fuente es de 50Ω, la de salida puede ser ajustada a otro valor normalizado como 75Ω. Un ejemplo que nos brinda una idea del procedimiento a seguir se presenta a continuación. Supongamos que vamos a diseñar un preamplificador para reforzar la señal que llega a los terminales de un dipolo simple. Lógicamente la impedancia de la fuente en este caso es de 75Ω. El circuito estará situado lo mas cercano posible a los terminales de la antena. El bajante utilizado puede ser de 75 o 300Ω, en este caso vamos a suponer un valor de 75Ω. Se desea reforzar la señal proveniente del los canales altos de VHF norma NTSC, desde canal 7 a partir de 174MHz hasta el canal 13 que comienza en 210MHz, tomamos entonces la frecuencia central de 195MHz y ya conocemos entonces la Q que debe tener el preamplificar. Ahora solo basta seleccionar el dispositivo que sea recomendado por el fabricante para trabajar en este intervalo de frecuencias, escoger la estructura y realizar los pasos de diseño. Supongamos que tomamos como referencia el esquema de la Fig. 2.2.1 y el transistor BFR91A (BFS17), con características sobradas para operar satisfactoriamente bajo estas condiciones. El diseño podría también haber sido hecho a partir del conocimiento de los parámetros de admitancia, pero en la práctica no son todos los fabricantes que brindan los valores de estos parámetros y actualmente carecemos en el laboratorio de equipos para su medición. IV. Técnica Operatoria La realización de la práctica contempla varios pasos que deben ser satisfechos por el estudiante: CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 25 1. Selección de la variante atendiendo a las especificaciones que Ud. establezca. En todos los casos se debe tener en cuenta que la impedancia de los generadores utilizados es de 50Ω 2. Utilizar un programa de simulación para validar el diseño realizado, donde se presenten las características más importantes del circuito: ganancia de potencia, ganancia de voltaje, acople de impedancias, respuesta de frecuencias y otras que estime conveniente. 3. Montaje del circuito en el laboratorio y comprobación de los parámetros de diseño. 4. Elaboración de un informe donde se reflejen los resultados de la actividad, el procedimiento de diseño y la justificación de cada valor seleccionado y finalizar con un análisis de las diferencias detectadas entre los resultados esperados y lo que se obtuvieron experimentalmente. VI. Preguntas de comprobación 1. Explique porque si el Criterio de Linvill es menor que a unidad Ud. puede decir que el dispositivo es estable para las condiciones de operación dadas. En caso de ser cero, que deduce Ud. del dispositivo activo. 2. ¿En el Criterio de Stern explique que factores debe tener en cuenta para la selección de Gs? 3. ¿Qué objetivos persigue el uso de parámetros Y compuestos? 4. ¿Qué diferencias existe entre la neutralización y la unilateralización? 5. En el circuito de la Fig. 1, explique el procedimiento para determinar el valor de la resistencia de carga de colector en caso de que la bobina no sea considerada ideal. 6. ¿Que criterios se deben tener en cuenta en el circuito de la Fig. 1 para calcular Cb? 7. Explique como afecta el ancho de banda del circuito si coloca un resistor en paralelo con el primario del transformador de acople. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 26 8. ¿Si un transistor es estable para una frecuencia y un punto de operación dado, significa que manteniendo el mismo punto de operación será estable a otra cualquier frecuencia de operación? 9. Ofrezca una solución para alimentar un voltaje DC a un amplificador de RF de señales débiles conectado en los terminales de antena como reforzador de señal. 10. Justifique el uso de amplificadores clase A en circuitos de amplificación de RF cuando los niveles de señal son pequeños. V. Bibliografía Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No1, 2 y 3. Tema I Amplificadores Sintonizados de RF de señales débiles. Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, Pag. 14-22. Ed 1999, Prentice Hall Wiley- High Frequency Techniques – An introduction to RF and Microwave Engineering, Cap. 10. Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Cap. 4.H Krauss. Ed. 1994 Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 2. Ed. 1998, Mc Graw Hill www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html?... www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf http://www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html http://www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 27 2.3 Practica: Amplificadores Sintonizados de Potencia de RF I. Conocimientos previos Manejo de programas de simulación y criterios para el diseño de amplificadores sintonizados de potencia de RF clase mixto. II. Objetivos Aplicar los principios básicos de los amplificadores de potencia de RF de alta eficiencia. Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un amplificador sintonizado de potencia de RF. III. Marco Teórico En los circuitos de transmisión de señales de RF el uso del amplificador sintonizado de potencia de RF ocupa el paso final y es el encargado de suministrar el nivel de potencia adecuado a la frecuencia de transmisión para cubrir el área de servicio concebida. Los amplificadores de potencia se pueden clasificar en grupos atendiendo a varios aspectos, pero básicamente hay uno que los caracteriza de una forma muy general: a) amplificadores lineales b) amplificadores no lineales En el primer grupo se encuentran los amplificadores clase A y B, la colocación del punto de operación es tal, que permite sea reproducida la señal con niveles de distorsión muy bajos. Sin embargo los niveles de eficiencia son muy bajos y esto no es conveniente cuando se manejan valores de potencia altos. Por ejemplo, en una planta de transmisión de 50 Kw. de potencia de RF de salida, una eficiencia de un 40% demandaría altos niveles de consumo y es un aspecto económico y ambiental que actualmente hay que prestarle atención. Los no lineales agrupan los amplificadores clase C y los llamados de conmutación, también los de tercer armónico, estos últimos muy usados en la década de los 60 del pasado siglo en nuestro país. Actualmente en nuestro país todas las estaciones de AM CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 28 utilizan amplificadores de potencia de conmutación clase D, con valores de eficiencia aproximada de un 90%. Dada la complejidad de estos esquemas y el hecho de demandar de algunas componentes muy específicas no serán objeto de práctica. En la Fig. 1 se presenta un esquema general de AP, que puede operar en clases A, AB, B o C en dependencia del circuito de polarización. En la Fig. 2 se presenta otra variante pero en configuración contrafase. Note que en ambos casos la diferencia con esquema de bajas frecuencias guarda plena correspondencia y se utilizan en muchos casos las mismas técnicas cuando se desea estabilizar el punto de operación. Fig. 2.3.1 Fig. 2.3.2 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 29 En los criterios de diseño convencionales se utiliza el método gráfico, teniendo en cuenta que la amplitud de la señal de excitación hace que los dispositivos de salida operen en la región no lineal y no hay otra forma de averiguar las características de potencia, linealidad y consumo de corriente que acudir a métodos gráficos. En términos de operaron no lineal centraremos nuestra atención en el clase C. El análisis de un amplificador de RF sintonizado clase C a válvulas no es el mismo que cuando se utilizan transistores. En el caso de transistores el análisis resulta mucho más complejo y se hace muy difícil encontrar un método analítico que le dé una respuesta exacta a un determinado problema de diseño. La bibliografía actual dedica una amplio espacio a los amplificadores transistorizados de potencia de RF clase C modo mixto, que serán el objeto de nuestra actividad práctica. El análisis matemático de un amplificador clase C m-m es extremadamente complicado en términos matemáticos y los resultados no serían confiables por las variables que se deben tener en consideración, muchas de las cuales no aparecen expuestas en las hojas de datos de los fabricantes. Una descripción simplificada de la operaron clase C m-m es ilustrada en las Figs. 3 y 4 que presentan el esquema y las formas de onda que caracterizan el comportamiento del circuito. Fig.2.3.3 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 30 El circuito de la Fig.2.3.3 utiliza una red del tipo T para hacer la adaptación de la impedancia de carga con la salida del dispositivo con el objetivo de lograr máxima transferencia potencia a la carga. La operaron de la red T es equivalente a un circuito resonante serie, que permite la presencia de componentes armónicas en el voltaje de colector y forzar a que la corriente a través de L1 sea del tipo sinusoidal. Cs representa la capacidad de colector a emisor cuyo valor cambia con el voltaje aplicado más la suma de las propias capacidades parasitas y desempeña un papel muy importante en el funcionamiento del circuito. Cuando el transistor está en la región activa el voltaje en colector es determinado por la corriente iCs circulando a través de Cs, que es la diferencia entre Idc e Io+iC (iC está determinada por la operación del transistor como fuente de corriente constante en la región activa). Cuando el transistor está saturado el voltaje de colector es constante Vcesat ≈ 0, iCs = 0 y la corriente de colector es la diferencia entre Idc e Io. Finalmente cuando el transistor está en corte iC(θ) ≈ 0 y iCs(θ) = Idc-Io(θ) carga el capacitor Cs dando así un voltaje de colector. Esta sencilla descripción nos indica lo complejo del análisis matemático del esquema y los posibles errores en que se puede incurrir si son considerados. Aun así es posible definir condiciones numéricas para las ecuaciones diferenciales que caracterizan el circuito, condiciones que deben cambiar de un esquema a otro. La Fig. 2.3.2 también presenta el circuito de base, conformado por L2, C3 y C4 que constituyen una red adaptadora del tipo T. Si consideramos que la excitación es del tipo fuente de corriente sinusoidal, entonces una corriente de base positiva iB, determina que Vbe ≈ 0.7 V (unión base-emisor polarizada directamente) y el transistor estará en zona activa o saturación en dependencia del voltaje de colector. La corriente de base circula completamente por l2 ya que por el choke de RF fluye solo componente DC. El transistor permanece en la zona activa o saturación hasta que la corriente iB(θ) se hace negativa y remueve todas las cargas almacenadas en la región de la base. El voltaje en base queda polarizado en sentido inverso. Ahora el voltaje de base es determinado por la corriente que fluye a través de C4 y la capacidad de base a emisor. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 31 Fig. 2.3.4 Algunos valores típicos de vB(θ) y iB(θ) se presentan en la Fig. 4. Note que la corriente de base tiene una componente DC IB que circula por lo que es necesario un paso, que en este caso es a través de RFC2 y RB. En muchos esquemas RFC2 es conectado a tierra, en este caso el voltaje de base a emisor es cero. La colocación de RB indica que habrá un nivel DC negativo producto de la circulación de corriente en el circuito de base cuando es excitado. Teóricamente esto pude resultar en un aumento de eficiencia de colector, debido a que el ángulo de conducción disminuye, sin embargo el uso de este resistor no está bien definido, debido a lo complejo que resulta el control del ángulo de conducción con su valor. Otro detalle de interés, note que hay un capacitor en CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 32 la red de adaptación conectado a tierra, lo que facilita el paso de la componente AC cuando el dispositivo está en corte. El diseño de la etapa de potencia debe considerar varios aspectos: Potencia y frecuencia de salida, estos dos parámetros determinan en gran medida el dispositivo a utilizar. Impedancias de fuente y salida. En el caso de la impedancia de la fuente para todos los casos será de 50 Ω, la de salid se deja atendiendo a las características de impedancia de la antena, aunque para algunas comprobaciones practicas se puede sustituir por un resistor de carbón. En caso de que sea brindado por el fabricante los valores de impedancia a señales fuertes proceder directamente al diseño de las redes de acople. En caso contrario, tratar de encontrar los valores de admitancias del dispositivo. Diseñar la red de alimentación observando las recomendaciones dadas por el fabricante. No obstante lo recomendado en la actividad práctica se da la opción de usar clase A si los niveles de potencia no son tan altos. En caso de utilizar esta variante debe observarse con atención los circuitos de polarización que garantice que el punto de operación se mantendrá estable durante la operaron del circuito. Un esquema que se recomienda en bibliografías actualizadas es el presentado en la Fig. 5. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 33 (b) Fig. 2.3.5 La operación del circuito es muy simple. L es la inductancia en colector, generalmente un choke de RF. Si la corriente de colector tiende a aumentar, entonces la caída en el resistor R aumenta y el voltaje de base a emisor de Q1 decrece y lo hace también la corriente de base de Q2 que tiende a compensar el aumento de la corriente de colector del dispositivo de salida. IV. Técnica Operatoria La realización de la práctica contempla varios pasos que deben ser satisfechos por el estudiante: i. Selección del esquema a ser instrumentado y proceder al cálculo de las componentes que lo conforman, justificando encada caso su selección. ii. Utilizar un software que valide las características del circuito diseñado, potencia, corrientes e impedancias de salida, así como otras de interés. iii. Montaje del circuito en el laboratorio, utilice como elemento de carga una antena y verifique con el analizador de especto la presencia de la señal a la salida. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 34 iv. Elaboración de un informe en formato electrónico donde se indiquen los resultados de la programación del circuito y sus principales características. Se debe hacer un análisis crítico de los resultados, explicando las diferencias observadas entre los resultados experimentales y el diseño. V. Preguntas de comprobación 1. Un amplificador de potencia es excitado con 1 Kw. de potencia de RF y da a la salida 50 Kw. a) De donde provienen los 50 Kw. b) Cuál es el valor de la ganancia expresada en dB? 2. Explique la razón de los altos valores de eficiencia en los amplificadores de RF clase D de potencia. 3. Explique las diferencias de exigencias de la fuente de alimentación en un amplificador de potencia de RF clase A con respecto a uno operando en clase B. 4. Explique porque las formas de ondas en un amplificador clase C modo mixto se presentan distorsionadas. 5. Compruebe que una fuente de alimentación de 24 V satisface las condiciones para que un amplificador de potencia clase A de RF desarrolle una potencia de 5W a través de una carga de 50Ω. Determine además el valor de la eficiencia. 6. Explique el principio de operación de un amplificador clase F o de tercer armónico. 7. Mencione una aplicación donde es necesario el uso de amplificadores de potencia lineales. 8. ¿Por qué esa necesaria un circuito de filtro a la salida de un amplificador de potencia de conmutación de RF? 9. Explique la importancia de los circuitos de polarización en los amplificadores de potencia de RF clase A. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 35 10. Demuestre que la máxima potencia de disipación en el dispositivo de salida de un amplificador de potencia de RF puede ser expresada en función de la potencia de salida y el ángulo de conducción a través de la siguiente expresión: 1 2sen2 cossen4 odis PP VI. Bibliografía Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencias No 3 y 4 Amplificadores sintonizados de potencia de RF. Electronic Communication Techniques, T. Young, Cap. 6, Pags. 170-192 y Cap. 7, Pag. 263-265. Ed 1999, Prentice Hall RF Power Amplifiers, Mihai Albulet, Cap. 2 RF Power Amplifier Fundamentals, Philips Semiconductor Técnicas de Proyecto de Amplificadores de Potencia de RF, Motorota Modern Communications Circuits. Jack R. Smith, McGRAW-HILL, Cap. 11. Ed. 1998. Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 12, 13 y 14. Ed. 1994 Albert Paul Malvino (1999), Principios de Electrónica Cap. 11, Pág. 374-405 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 36 2.4 Practica: Sintetizadores de Frecuencias I. Conocimientos previos Conocer los principios de la síntesis de frecuencias indirecta. Dominio de las hojas de datos de los elementos que involucran el diseño de un sintetizador de frecuencias a PLL y las características que deben satisfacer para cumplir con los requerimientos que se establecen. II. Objetivos Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un sintetizador de frecuencias a PLL usando elementos de baja integración. Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio: osciloscopio digital, fuentes de suministro, etc. III. Marco Teórico Un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencia variable que posee la estabilidad de un oscilador de cuarzo. Una de sus principales aplicaciones se encuentra en el diseño de circuitos de transmisión-recepción en las comunicaciones. Actualmente en el país todos los transmisores de ondas medias y televisión están dotados de sintetizadores de frecuencias, lo que garantiza un alto valor de estabilidad en las frecuencias de transmisión-recepción y hace a la vez posible que la frecuencia pueda ser ajustada dentro de ciertos límites. Hay dos formas básicas de sintetizadores de frecuencias: directo e indirecto. El directo es aquel donde la frecuencia que se genera se hace a partir de un oscilador a cristal o combinaciones de los mismos. Mediante combinaciones de frecuencias generadas por circuitos multiplicadores y seleccionados con filtros adecuados son capaces de generar una amplia gama de frecuencias. En la Fig. 1 se presenta un ejemplo clásico. La operación es muy sencilla, en la figura aparece un oscilador a cristal de alta estabilidad de 64 kHz, seguido de un circuito combinacional capaz de generar CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 37 armónicos hasta el 12. Un filtro selector de armónicos selecciona la frecuencia deseada. Al mismo tiempo la frecuencia de 64 kHz se divide /16 y /4 con el objetivo de aumentar la resolución. Con el mismo procedimiento anterior se obtienen frecuencias armónicas, ahora de menor valor. Una vez que el filtro selecciona en cada fila el valor adecuado se procede a una sumatoria dando por resultado el valor de la frecuencia final después de haber sido activado el filtro sintonizable. Por ejemplo, si deseamos obtener un valor de 133 kHz, entonces N1=2, N2=1 y el selector fino también seria N=1, así la frecuencia final sería 128kHz + 4kHz+1kHz=133kHz. Un sintetizador más complejo con el objetivo de cubrir la banda ciudadana CB se presenta en la Fig. 2. Fig. 2.4.1 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 38 Fig. 2.4.2 La combinación de interruptores permite la selección de 23 canales dentro de la CB. En la tabla siguiente se presentan las opciones posibles para los 23 canales. Por ejemplo, el canal 9 usa los cristales 3, 7 y 11. En transmisión los cristales 3 y 11 producen la frecuencia de salida: 37.700-10.635=27.065 MHz. En recepción, la primera FI será de 37.700-27.065=10.635MHZ. Ahora como RO está situado en la posición donde genera 10.180 MHZ, la segunda FI será de 10.635-10.180=0.455 MHZ. Note que se cumple un principio de carácter económico, en la primera FI se puede usar la de FM convencional, mientras que en la segunda FI se puede utilizar la de AM. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 39 Tabla No 2 Los métodos directos de síntesis de frecuencia no han sido nunca populares debido fundamentalmente a lo complicado de los circuitos involucrados en su diseño. Actualmente ha sido reemplazado por sintetizadores indirectos de frecuencia a PLL. El sistema más simple se presenta en la siguiente figura, consiste de un divisor programable por un factor de N, un comparador de fase, el filtro paso bajo de lazo y el oscilador controlado por voltaje. Fig. 2.4.3 El VCO suministra la señal de salida con un valor de frecuencia estable, referenciada a la frecuencia del cristal y el contador programable divide la frecuencia de salida por N, CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 40 el valor de N es seleccionado por el diseñador para garantizar a la salida el valor requerido de frecuencia. A la entrada del comparador de fase ambas frecuencias, la de referencia y la de la salida del comparador son iguales cuando ya el PLL está amarrado. Bajo estas condiciones el valor de la frecuencia de salida es: REFo Nff (1) El divisor programable puede ser tan simple como un contador up-down 74192 o una estructura más compleja como los contadores de doble módulo. En la Fig. 4 se presenta un ejemplo. Fig.2.4.4 En este caso el elemento preescalar tiene dos modos de operación. Un modo de operación proporciona un pulso de salida para cada pulso de entrada (P), y el otro modo de salida para cada pulso de entrada (P+1). Cada vez que el registro m contiene un número que no es cero. El elemento preescalar cuenta en el modo P+1. Una vez que los registros m y n hayan sido cargados, el elemento preescalar contara hacia abajo (P+1)m veces hasta que el contador m vaya a cero, en ese punto el elemento preescalar pasa al modo P (n-m) veces hasta que el registro n llegue a cero. En este punto los contadores restablecen sus valores iníciales que CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 41 han sido guardados en los registros y se repite la operación. El factor de división del contador será: mnPFD mPnPmmPPmnPmFD )()1( (2) La frecuencia de salida del contador será entonces: io Pf P m nf (3) Un circuito comercial utilizado por la estación de Rebelde, ubicada en la carretera a Camajuaní Km. 4 se presenta a continuación. Fig. 2.4.5 En la referencia comercial el integrado CD4046 califica como un sintetizador de frecuencias a PLL, sin embargo note que en realidad solo contiene el VCO y el comparador de fase, con la posibilidad de colocar externamente un circuito RC paso bajo. Es común en el ámbito comercial que los sintetizadores de frecuencia a los que se refieren en los manuales siempre se le deba agregar alguno que otro bloque de los que aparecen en los textos docentes y la figura anterior es un ejemplo de ello. Veamos ahora otro ejemplo muy CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 42 utilizado en la banda ciudadana CB. Es el integrado de referencia ECG1255, cuyo esquema se ilustra en la Fig. 6. Note que el integrado tiene dos terminales osc in y osc out en los que de alguna manera se debe insertar un cristal para proporcionar la frecuencia de referencia. Le sigue un divisor o preescalador cuyo factor de división está determinado por la colocación de un nivel alto o bajo en ese Terminal, observe que si divide por 1024 y se obtienen 10 kHz, entonces la frecuencia del oscilador de referencia es de 10.24 MHz. Si se divide por 2048 sería de 5 kHz, es decir, en este circuito integrado se brindan dos resoluciones al sintetizador que se diseñe 5 kHz o 10 kHz. La presencia del comparador de fase se explica por si solo y tiene dos salidas, una va al VCO y otra indica si el PLL está o no amarrado. En el Terminal 2 se introduce la frecuencia de salida del VCO o si se hace después de un procesamiento y con la selección adecuada del factor de división en el contador programable se obtiene la frecuencia deseada. Es conveniente aclarar que todos estos circuitos integrados operan dentro de un intervalo de frecuencia en cuestión y para lograr frecuencias de salida superiores entonces se requiere hacer procedimientos de mezclas y conversión de frecuencias. Fig. 2.4.6 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 43 Una de las aplicaciones donde la aplicación de los sintetizadores de frecuencia a PLL tuvieron una extensa aplicación fue en los transceivers de la banda ciudadana CB. En la siguiente figura se presenta una aplicación del sintetizador a PLL ECG1233. Fig. 2.4.7 Para el diseño del PLL se deben establecer una serie de condiciones: a) Intervalo de frecuencia de trabajo, este intervalo debe contener un conjunto de frecuencias que responda a la banda de frecuencias en que se trabaja, por ejemplo, en el caso de FM, en lo posible debe cubrir un espacio entre 88MHz y 108MHz. b) Resolución del sintetizador, este valor tiene que estar relacionado con el ancho de banda del espectro que se desea cubrir. Por ejemplo, en el caso de la CB la resolución no puede ser mayor de 10 kHz que es el ancho de banda destinada a cada canal. En muchos casos el valor de la resolución es mucho menor lo que permite un ajuste más fino de la frecuencia de salida, notemos que en la página de datos del CD4046 la resolución propuesta para el diseño es de 1 kHz. c) Divisor programable, este es un aspecto muy importante, el circuito del divisor debe operar a la frecuencia de salida del VCO, generalmente los divisores de frecuencia a TTL no están diseñados con esta finalidad, sobretodo si se trabaja el VCO en el CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 44 orden de las decenas de MHz. Para lograr la frecuencia de salida entonces se debe hacer uso de etapas de conversión de frecuencias. IV. Técnica Operatoria El desarrollo de la actividad práctica consiste de varios pasos. i. Seleccione el esquema de PLL a montar en función del intervalo de frecuencias de trabajo. ii. Verifique con ayuda de un programa de simulación el comportamiento del circuito que Ud. ha seleccionado con las componentes de que dispone. iii. Realice el montaje práctico y realice las pruebas experimentales para comprobar el funcionamiento del PLL dentro del intervalo de frecuencias seleccionado. iv. Elaboración de un informe en formato magnético donde se indiquen los resultados de la programación de la variante seleccionada, tabulación de los resultados experimentales y un análisis crítico de las diferencias observadas si es que las hubo. v. Al igual que en los restantes experimentos los grupos de laboratorio no pueden ser mayor de 3 estudiantes y los resultados serán tomados en consideración para la calificación final de la asignatura. Una sugerencia que puede ser tomada como referencia para el desarrollo de la actividad practica presenta al PLL CD4046, conjuntamente con el CD4060, que es un integrado oscilador contador y un 74193 que puede ser usado como divisor programable a la salida del VCO interno en el PLL. Para ello se utilizó un cristal de 3.579 MHz, muy usual por su uso como referencia de ráfaga de color en el sistema de TV. Se diseñó para una frecuencia de salida de 111.12 kHz, que aunque no es comercial se ajusta a las condiciones del sintetizador. La programación en el PROTEUS brindo los resultados indicados en las figuras presentadas a continuación. En las figuras 8 y 9, la simulación y los resultados y en las 10, 11 y 12 los resultados experimentales para diferentes factores de división en el CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 45 divisor programable. En amarillo la señal de referencia y en azul la señal de salida del VCO. Fig.2.4.8 Fig.2.4.9 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 46 Fig.2.4.10 Fig.2.4.11 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 47 Fig.2.4.12 V. Preguntas de comprobación 1) Explique en que consiste la síntesis directa de frecuencias. 2) Explique en que consiste la síntesis indirecta de frecuencias. 3) Realice una comparación entre los métodos de síntesis de frecuencias directo e indirecto 4) ¿De que depende la resolución de un sintetizador de frecuencias a PLL? 5) ¿Cuáles deben ser las características del filtro paso bajo de un sintetizador de frecuencias a PLL? 6) Explique que técnicas Ud. podría usar cuando el divisor programable del que dispone no cumple con los requisitos de operación de la frecuencia de trabajo del VCO. 7) ¿Qué cambios debe realizar en el circuito estándar un sintetizador de frecuencias a PLL para transformarlo en un circuito modulador de frecuencias? 8) ¿A partir de la información técnica del ECG1253 realice una propuesta de transceiver para la banda ciudadana? 9) Establezca la diferencia entre el intervalo de bloqueo y el de captura en un PLL. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 48 10) Describa la operación de un contador programable de doble modulo. VI. Bibliografía Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No 7 Sintetizadores de Frecuencias. Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 2, Pág. 91-98 Manual ECG Semiconductor, Vol. 2, Pág. 537-539, 582-601, 632-640 Electronic Communication Techniques, Cap.10, Pág. 417-4. Ed 1999, Prentice Hall Estado Solido en Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 6. Ed. 1994 Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 10. Ed. 1998, Mc Graw Hill CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 49 2.5 Practica: Modulación de Amplitud I. Conocimientos previos Manejo de programas de simulación y de equipos de laboratorio: osciloscopio digital, generador de señales de RF y analizador de espectro. II. Objetivos Comprobar experimentalmente las características principales de las técnicas de modulación de AM DSBFC y FM: formas de onda, ancho de banda, espectro de frecuencias y patrones de medición. III. Marco Teórico Las técnicas de modulación analógicas de AM y FM son las más utilizadas en el campo de la radiodifusión. En el caso de la AM, la sencillez del circuito demodulador aún lo hacen atractivo en los sistemas de punto a zona. El costo de los receptores es muy barato y continúa en la preferencia de los usuarios, a pesar de las desventajas que posee. En la modulación de AM el parámetro de la portadora que es afectado por la señal moduladora es su amplitud y la expresión matemática que la define es: tftfEmEctVam cm 2sen2sen)( (1) Donde el primer término representa la amplitud de la portadora modulada, en el que Em es la amplitud máxima de la señal moduladora y fm su frecuencia, expresadas en volt y Hz respectivamente. Un sencillo desarrollo de la expresión nos permite determinar la conformación del espectro. En la siguiente figura se ilustra su representación en el campo de la frecuencia, así como los principales parámetros que la caracterizan. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 50 Fig. No 2.5.1 Donde m es el índice de modulación, parámetro que nos indica la relación de amplitudes entre las señales moduladora y portadora a través de la siguiente relación: Ec Em m (2) En términos de potencia en una señal modulada en AM, las relaciones entre los niveles de portadora y bandas laterales se expresan mediante la siguiente expresión: Pc m Pc m Pc m PcPAM 442 1 222 (3) El primer término representa la potencia de la portadora mientras que los dos que le siguen representan la potencia en cada banda lateral. Un sencillo análisis de la expresión suponiendo un 100% de modulación, es decir, m=1, nos indica que en la potencia de salida de una señal de AM, las 2/3 partes corresponden a la potencia de la portadora, mientras que solo 1/3 es de información, que si consideramos que se repite, entonces sería de 1/6 de la potencia total. Este es un punto que nos indica la pobre eficiencia, en términos de potencia de una señal de AM, resuelta más tarde por la BLU. En la práctica la modulación de AM puede ser realizada fundamentalmente en dos puntos de un transmisor: en bajo nivel o en alto nivel. En la Fig. No 1 se presenta la posibilidad de actuar en estos dos puntos. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 51 Fig.2.5.2 La modulación en bajo nivel se realiza como su nombre lo indica en la parte del transmisor donde los niveles de potencia son muy bajos y tiene la ventaja de que la potencia requerida por el circuito modulador es muy pequeña, esto facilita la linealidad de la operación y demanda que los elementos que conforman el modulador no demanden requerimientos de potencia altos. La desventaja de esta técnica radica en que después que se realiza la modulación se necesitan pasos de amplificación lineales para evitar la distorsión armónica y por tanto atenta contra la eficiencia del transmisor En alto nivel la modulación se realiza en el paso final. En este punto los niveles de potencia exigidos son muy altos, recuerde que la potencia de modulación es una parte considerable de la potencia de salida y por tanto en este caso las exigencias de la etapa moduladora son mayores. La ventaja fundamental es que se pueden usar etapas no lineales con altos valores de eficiencia. En el caso de una estación transmisora normal, con salida que puede oscilar entre 10kW y 50kW, esta última técnica es la más recomendada, quedando la primera para dar soluciones a problemáticas de aplicación muy específica. Un ejemplo de circuito modulador de bajo nivel se ilustra en la Fig. 2.5.3 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 52 Fig.2.5.3 En el modulador de bajo nivel la señal moduladora incide sobre la ganancia del amplificador. Como se nota en la figura la inyección de la señal moduladora por el emisor cambia la polarización y por tanto varía la corriente, haciendo esto que cambie la resistencia dinámica de emisor y por tanto la ganancia que presenta el amplificador a la señal de RF aplicada a la base. Del circuito: (4) Para: Para una condición de 0sen twm , entonces, mínIeIe . Por tanto cambia la resistencia dinámica de emisor y la ganancia se hace ahora mínima. El transformado utilizado Re 7.0 Rth tVmsenwVth Ie m CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 53 como modulador puede ser cualquiera que se utilice como excitador del paso de salida en un receptor de AM transistorizado convencional. Los requerimientos del transistor deben satisfacer fundamentalmente la frecuencia de operación de portadora y la ganancia de corriente, esta última alrededor de 100 sería un valor típico. El circuito autopolarizado debe satisfacer las condiciones especificadas por el fabricante y la red paso alto RC a la salida limitarse a dejar pasar las variaciones de amplitud de la portadora. Un ejemplo de circuito modulador de alto nivel se presenta en la Fig.2.5.4 Fig.2.5.4 En este caso el voltaje de suministro cambia según la inyección de la moduladora y por tanto la amplitud de la señal a la salida, ahora: CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 54 De esta forma tendremos a la salida una señal de alta frecuencia cuya amplitud está cambiando al ritmo de la señal moduladora. Este principio de la modulación de alto nivel es el utilizado actualmente en todas las estaciones de radiodifusión del país. En qué puntos radica la diferencia con respecto a los esquemas convencionales que generalmente se presentan en los libros de texto: 1. La frecuencia de la portadora se genera a partir de un oscilador a cristal o un sintetizador de frecuencias con la particularidad de que la frecuencia inicial es mucho mayor que la de la portadora. Para lograr la frecuencia de la portadora se debe realizar un procedimiento de división. 2. La frecuencia del oscilador es utilizada para conformar un circuito de modulación PWM de la moduladora y aplicar un proceso de amplificación clase D, buscando de esta forma obtener altos grados de eficiencia y compacticidad en el tamaño de la sección moduladora que realiza el proceso de modulación del transmisor en la etapa final. 3. El paso final opera en clase D o conmutada con el objetivo de alcanzar altos valor de eficiencia y la modulación se realiza en la etapa de salida. Generalmente se utilizan varios módulos para distribuir la potencia final del transmisor, esto hace que los trabajos de mantenimiento se limiten solo al chequeo de módulos independientes. 4. Después de realizada la combinación de potencia aportada por cada módulo se realiza un procedimiento de filtrado para eliminar las componentes armónicas de alta frecuencia y quedarnos solo con la de la portadora. IV. Técnica Operatoria La realización de la práctica consiste de varios pasos: i. Selección de la variante por parte del estudiante. La selección del esquema circuital queda a libre selección, siempre teniendo en cuenta que satisfaga los requisitos y las componentes que pueden ser adquiridas. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 55 ii. Comprobación de la operación de la variante seleccionada con ayuda de un programa de simulación. Para este caso se deben hacer variaciones en los parámetros del programa que permitan validar dentro de que limites opera correctamente el modulador seleccionado. iii. Montaje del circuito en el laboratorio, comprobación de su funcionamiento y evaluación por parte del profesor encargado. iv. Utilice al analizador de espectro para comprobar el cambio en la posición de la portadora y bandas laterales cuando la señal moduladora es un simple tono. v. Elaboración de un informe donde se presenten los resultados de la programación y el montaje realizado. Debe reflejar una discusión crítica de los resultados obtenidos experimentalmente con los esperados y análisis de errores cometidos. La selección del programa de simulación es criterio del estudiante. A continuación presentamos un ejemplo que puede servir como referencia para la realización de la práctica de laboratorio El circuito es básicamente un esquema de oscilador Colpitts, donde la modulación actúa sobre la ganancia del oscilador, mediante el control de la corriente de base. Se utilizan las expresiones ya conocidas de frecuencia y ganancia de la red de realimentación para satisfacer el criterio de Barkhausen. Es un modulador de bajo nivel y a excepción del presentado en el marco teórico que requiere de un oscilador externo aquí se realiza sobre el propio oscilador. Los resultados de un programa de simulación se presentan en la Figs.2.5.5y 2.5.6 Es importante señalar que en el diseño del oscilador la selección del transistor debe satisfacer los requisitos de frecuencia de operación y las recomendaciones del fabricante en cuanto a su aplicación específica. Esto no quiere decir que no pueda ser utilizado un transistor de propósitos generales, el ECG 123AP es un ejemplo que satisfacen varios transistores. Los capacitores utilizados se recomiendan de mica o cerámica, nunca debe usar de papel ni poliéster. Los resistores se recomiendan que sean de carbón, por sus CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 56 características no inductivas, aunque si la frecuencia no es muy alta del orden cientos de kHz se pueden emplear del tipo metalizadas. Fig.2.5.5 Fig.2.5.6 V. Preguntas de Comprobación 1) Describa el funcionamiento básico de un modulador de AM CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 57 2) Para una modulación de 100%, ¿Cuál es la relación entre amplitudes de voltaje de las frecuencias laterales y de la portadora. 3) ¿Cuál es la relación entre la frecuencia de la señal moduladora y el ancho de banda en un sistema convencional de AM? 4) En un transmisor de AM de radiodifusión, explique las diferencias que se imponen en la selección de las etapas de potencia cuando se realiza la modulación en bajo nivel y cuando se hace en alto nivel. 5) Describa físicamente como se realiza la modulación de AMJ en alto nivel por colector. 6) Explique como debe realizar las conexiones a un osciloscopio para medir el índice de modulación de una portadora modulada en AM por un tono, usando un patrón trapezoidal. 7) En una señal de AM DSBSC determine el % de potencia de salida que constituye información útil. 8) En una señal de AM DSBFC determine el % de potencia de salida que constituye información útil y compárela con la pregunta 7. 9) Una señal de AM tiene 100V pico, 40 kHz de portadora, modulado por un tono de 10 kHz con un índice de modulación del 50%  Dibuje la señal de manera precisa sobre un periodo de 0.2 mseg  Dibuje el espectro de frecuencias, incluyendo la frecuencia y voltaje de cada una de las componentes  Escriba la expresión matemática que define esta señal, donde se presenten las componentes de portadora y bandas laterales  ¿Qué ancho de banda es necesario para transmitir esta señal de AM?  Calcule la potencia desarrollada a través de una carga de 50Ω a la frecuencia de la portadora, una de las bandas laterales y la potencia total. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 58  ¿Qué cantidad de potencia puede ser ahorrada si se transmite solo una banda lateral sin portadora? 10) ¿Cómo determina Ud. el índice de modulación en caso de que la moduladora tenga carácter complejo? VI. Bibliografía Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No 9 Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 3, Págs. 102-143 Electronic Communication Techniques, Paul H. Young, Cap. 5, Págs. 133-144. Ed 1999, Prentice Hall Estado Sólido de Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 8. Ed. 1994 Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 12, Ep.12.3. Ed. 1998, Mc Graw Hill CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 59 2.6 Practica: Modulación de FM I. Conocimientos previos Manejo de programas de simulación y equipos de laboratorio: osciloscopio digital, generador de señales sinusoidales, analizador de espectro y fuentes de suministro para la comprobación de los resultados experimentales. II. Objetivos Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un circuito modulador de frecuencias. Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio que permitan la comprobación experimental de la teoría estudiada. III. Marco Teórico La modulación de FM es una técnica de modulación analógica donde la información afecta la frecuencia de la portadora, aunque con circuitos de detección más complejos y una demanda mayor de ancho de banda son actualmente de gran preferencia en el campo de la radiodifusión por el nivel de calidad de la señal que se transmite, el alto valor de inmunidad a los ruidos hechos por el hombre y la facilidad de poder satisfacer los requerimientos para la conformación de la señal estéreo. Comercialmente la desviación de frecuencia comercial establecida es de ∆f = ±75kHz. La expresión para una señal modulada en frecuencia es de: twmtwEcV mcFM coscos (1) Desarrollando la expresión con ayuda de las funciones de Bessel, nos queda: EcVFM [ 2 cos)(cos)( 10 twwmJtwmJ mcc 2 cos)(1 twwmJ mc twwmJ mc 2cos)(2 ......2cos)(2 twwmJ mc ] (2) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 60 La expresión (2) nos muestra que una señal modulada en frecuencia por un tono simple produce un número infinito de frecuencias de bandas laterales. Los conjuntos sucesivos se denominan bandas laterales de primer orden, segundo orden y así sucesivamente. En una tabla de Bessel de primera clase para un valor dado de m (índice de modulación, definido por la razón entre la desviación de frecuencia y la frecuencia máxima moduladora, m =Δf/fm) se pueden determinar los valores de las amplitudes de los coeficientes de Bessel y así la estructura del espectro. Cuando los coeficientes son muy pequeños pues entonces se desprecian. Un ejemplo de espectro para m =2, nos daría: Jo = 0.22 J1 = 0.58 J2 = 0.35 J3 = 0.13 J4 = 0.03 Estos valores pueden ser derivados de los gráficos que identifican a las funciones de Bessel y que se presentan en la Fig. 1. Fig.2.6.1 Gráficamente el espectro quedaría: CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 61 Fig.2.6.2 Como se nota el ancho de banda que ocupa una señal modulada en FM supera al de una señal de AM y solo cuando el índice de modulación es muy pequeño, alrededor de 0.5 o menos, entonces en la tabla de las funciones de Bessel solo aparecen como significativas el primer par de bandas laterales. En este caso, a la modulación de FM se le denomina de banda estrecha. Otro aspecto de interés a tener en cuenta, es que en FM la potencia de salida no depende del índice de modulación como en el caso de la FM, sino que es constante. Como se puede deducir de las funciones de Bessel si el índice de modulación cambia, entonces los valores de amplitud de las componentes espectrales también lo harán, de forma que el nivel de potencia total de la señal modulada permanece constante. Un detalle de interés que puede ser comprobado en la práctica es el hecho de que para un valor determinado de índice de modulación el nivel de portadora se reduce a cero, es decir, en ese punto no hay señal de frecuencia de portadora en el aire. Desde este punto de vista los requerimientos de la fuente de suministros son menos exigentes en FM que en AM. En la Fig. 3 se presentan varios espectros para diferentes índices de modulación, note que alrededor de 2, el valor de amplitud de la portadora se ve muy reducido. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 62 Fig.2.6.3 En muchas ocasiones y con el objetivo de determinar un ancho de banda práctico donde se estime que se encuentra alrededor del 90% de la energía de la señal modulada se utiliza la regla de Carson, que establece: maxfmfBW 2 (3) donde: f Máxima desviación de frecuencia maxfm Frecuencia máxima de la señal moduladora Existen muchas variantes circuitales que son utilizadas para diseñar un modulador de FM, una de las más conocidas es el modulador de reactancia cuyo esquema se presenta en la Fig.2.6.4 CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 63 Fig.2.6.4 Un análisis sencillo nos permite derivar la expresión de capacidad que se encuentra a la derecha de la línea de puntos y que en paralelo con C1 cambia el valor de la frecuencia de salida en función del nivel de la señal moduladora. Suponiendo una corriente de base despreciable, el voltaje a la entrada del dispositivo es: 11Riv Rb (4) En donde: 2 1 C R jXR V i (5) por tanto, 1 2 xR jXR V v C b (6) y la corriente en el transistor es: 1 2 xR jXR V gvgi C mbmC (7) Entonces la impedancia desde el colector a tierra se expresa por: CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 64 C d i V Z (8) Suponiendo que R1<<