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2018 -II

AMPLIFICADORES SINTONIZADOS Laboratorio N° 1 de circuitos sintonizados I.- OBJETIVO GENERAL Que el alumno reconozca un amplificador sintonizado, lo diferencie de otro tipo de amplificadores y conozca sus aplicaciones fundamentales en RF. 1.1.-Objetivos específicos Que el alumno conozca el fundamento matemático de los amplificadores sintonizados. Que el alumno diseñe/compruebe un amplificador sintonizado para AM. Que el alumno compruebe el funcionamiento del amplificador asociándolo a las ecuaciones del circuito

II.- INFORME PREVIO 2.1.- Responda el siguiente cuestionario a) Complete el cuadro: Banda Frecuencia tremendamente baja

Sigla s TLF

UI T

ELF

Super baja frecuencia

SLF

1

CCNM

Ejemplos de uso………………………………………… Frecuencia en la que trabaja la actividad neuronal

3–30 Hz

Actividad neuronal 100,000 k m – 10,000 km

2

30–300 Hz

ULF

3

300–3000 Hz

VLF

4

3–30 kHz

Ultra baja frecuencia

Baja frecuencia

Longitud de onda > 100,000 k m

Frecuencia extremadamente baja

Muy baja frecuencia

Frecuenci a < 3 Hz

LF

5

30–300 kHz

Comunicación con submarinos 10,000 km – 1000 km Comunicaciones en minas a través de la tierra 1000 km – 100 km

100 km 10 km

–

Radioayuda, señales de tiempo, comunicación submarina, pulsómetros inalámbricos, Geofísi ca

10 km 1 km

–

radiodifusión en AM (onda larga) (Europa y partes de Asia), RFID, Radioafición

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS Frecuencia media

MF

6

300–3000 kHz

Alta frecuencia

HF

7

3–30 MHz

Muy alta frecuencia

VHF

8

30–300 MHz

Ultra alta frecuencia

UHF

9

300–3000 MHz

Super alta frecuencia

SHF

10

3–30 GHz

Frecuencia extremadamente alta

EHF

11

30–300 GHz

Terahercios o Frecuenci a tremendamente alta

THz o 12 THF

1 km – 100 m

Radiodifusión en AM (onda media), Radioafición, Balizamiento de Aludes

RFID, Radar, Comunicaciones ALE 100 m – 10 m 10 m – 1 m 1 m – 100 mm 100 mm – 10 mm

300– 3,000 GHz

Comunicaciones con aviones a la vista entre tierra-avión y avión-avión Telefonía móvil, Redes inalámbricas, Bluetooth, ZigBee, GPS

Comunicaciones por satélite, Televisión por satélite, DBS,

10 mm 1 mm

–

Transmisión frecuencia

por

microondas de

alta

1 mm 100 nm

–

Dinámica molecular ultrarápida, Física de la materia condensada

b) Mencione diferencias (más de tres) en EL DISEÑO, características de los dispositivos, elección de bobinas y condensadores, de acuerdo a la frecuencia para amplificadores. Un circuito sintonizado es aquel circuito que tiene la función típica de amplificar una determinada banda estrecha de frecuencias, donde alcanza el máximo valor en la llamada frecuencia de resonancia, perteneciente a dicho intervalo. Es importante tener en cuenta la relación entre las pérdidas óhmicas y la energía que almacena como elemento reactivo, lo que nos permite medir la bondad del componente. El factor que nos ayuda precisamente a calcular la bondad del componente es el factor de calidad. c)

Mencione y explique las características de los amplificadores sintonizados.

Estos amplificadores se proyectan para rechazar todas las señales cuyas frecuencias se encuentran por debajo y por encima de la banda de operación. El amplificador presentar idealmente una respuesta de amplitud constante y de fase lineal entre las frecuencias de corte (ancho de banda), aunque en realidad no se cumple totalmente. d) Explique claramente cómo construir de forma experimental una bobina para una determinada frecuencia de resonancia, determinando los siguientes parámetros: o o o CCNM

Frecuencia de resonancia mínima y máxima Lin, Cin Rp ( Resistencia de pérdidas de la bobina ) Setiembre 2018

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS La frecuencia de resonancia (mínima y máxima) de la bobina de FL: Para poder hallar la frecuencia de resonancia de la bobina de FL de forma experimental se puede hacer de la observación del análisis en frecuencia de la salida; ya que como se sabe, para cuando se trabaja en resonancia, la ganancia alcanza su punto de mayor valor. Por ello, observando la gráfica de “Voltaje vs. Frecuencia” se puede determinar la frecuencia de resonancia del circuito. La inductancia 𝐿𝑖𝑛 y la capacitancia 𝐶𝑖𝑛. Para poder hallar la inductancia 𝐿𝑖𝑛 y la capacitancia 𝐶𝑖𝑛, necesitaremos saber previamente la frecuencia de resonancia que se puede obtener como se mencionó en el punto anterior. Entonces luego de determinar 𝐿𝑖𝑛, mediante la fórmula 𝑓 = 1/2𝜋√(LC) obtendríamos la capacitancia 𝐶𝑖𝑛. Resistencia de pérdidas de la bobina: Para hallar experimentalmente la resistencia de pérdidas de la bobina se puede hacer de 2 formas. La primera forma es mediante el análisis en frecuencia. Como se sabe, el 𝑄𝑇 viene relacionado con la resistencia 𝑟𝑝 mediante la fórmula: 𝑄𝑇 = 𝑟𝑝/(𝜔0×𝐿𝑖𝑛)=𝑓0/𝐵𝑊 Del análisis en frecuencia se puede determinar experimentalmente la frecuencia de resonancia 𝑓0 y el ancho de banda 𝐵𝑊. Entonces se podría conocer la resistencia de pérdidas de la bobina 𝑟𝑝 si se conoce la inductancia 𝐿𝑖𝑛. La segunda forma de hallar la resistencia de pérdidas de la bobina es poniendo un paralelo una resistencia variable de un rango adecuado, obviamente. Primero se debe conocer el valor del voltaje de salida cuando esta resistencia no está. Entonces, colocando esta resistencia variable la haremos variar hasta que el valor de la salida sea el 50% de la salida sin la resistencia variable. De esta forma, el valor de la resistencia variable en este punto debe ser igual a la resistencia de pérdidas de la bobina, ya que como sabemos: 𝑅 // 𝑅 = 𝑅 2 2.2.-Para el siguiente diseño, usted deberá construir una bobina para Para este diseño el alumno deberá construir la bobina PARA ADAPTARLA AL DISEÑO HECHO 2.3.-Diseño de un amplificador sintonizado a 87.5 KHZ,

CCNM

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2.3.1.-Parametros para el diseño de un amplificador sintonizado Ganancia de voltaje : AV=1 Voltaje de entrada Vin=1Vpp Frecuencia central : Fo = 87.5 KHZ: Corriente de colector : Ic= 35 mA HFE del transistor BJT 2N 2222 : beta = 150 Vcc= 12 Voltios 2.3.2.- Procedimiento de diseño Hacemos RC=RE = 100 ohmios Voltaje de la Resistencia del colector VRC = 35mA*100 ohmios = 3.5 VVRE Para el diseño VCE ≥ VRE Con los datos , se calcula VCE =5 V Se considera VBE = 0.6 V VR2 = 4.1 V VR! = VCC –VR2 = 7.9 V Para la corriente de la base IB= Ic/150 = 35mA/ 150 = 0.23 mA I1= 11*IB = 2.56 mA I2= 10*IB = 2.3 mA R1= VR1/ I1 = 7.9/2.56mA = 3085 ohmios  3K R2 = VR2/I2 = 4.1/2.3mA= 1.78 K  1.8 K CCNM

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS Para el cálculo de la Zin del amplificador, es necesario calcular la Resistencia interna presente entre los terminales base-emisor: re= VT/IC , re= 25mV/ 35mA = 0.71 ohmios Zin( base) = beta*(re + RE) = 150* ( 0.71+100)= 15.1K ohmios Zin = R1//R2//Zin(base) , Zin= 3k//1.8k//15.1K 1K ohmios Para calcular el condensador de acople: 1

Cin = 2∗𝑝𝑖∗𝐹𝑜∗𝑍𝑖𝑛(𝑏𝑎𝑠𝑒)

, Cin = 1.8 nF

2.3.3.-Modelo para el Análisis en señal alterna R2= 1.8K ohmio R1= 3K ohmio RE = RC = 100 ohmios C1= 33 nF L1= 0.1 mH Rp= Resistencia de la inductancia en modelo paralelo

Calculo de la impedancia del tanque del circuito: ZT = L//C1//Rp= s/C1(s^2 + s/RpC1 + 1/LC1), Rp es la resistencia de pérdidas por inductor, la formula está dada por Rp= wo*L*Qo, donde Qo es un factor de calidad que toma valores entre 50 y 200.

El voltaje de salida Vo= ic*ZT = beta*ib*ZT CCNM

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS Vin + ( re +RE )* ( ib + ic ) = 0, ib * beta = ic Ib= Vin / ((re+RE) + beta ( re + RE)) 𝑏𝑒𝑡𝑎∗𝑉𝑖𝑛∗𝑍𝑇 𝑏𝑒𝑡𝑎 150 Vo= beta*ib*ZT = (𝑟𝑒+𝑅𝐸)+𝑏𝑒𝑡𝑎(𝑟𝑒+𝑅𝐸) , sea K = (𝑟𝑒+𝑅𝐸)∗(𝑏𝑒𝑡𝑎+1) = (0.71+100)∗(150+1) = 9.86*10-3 𝑘∗𝑉𝑖𝑛∗𝑠 Vo= 2 1 𝐶1 (𝑠

𝑉𝑜

,

1 +𝑠𝑅𝑝𝐶1+𝐿𝐶1)

𝑉𝑖𝑛

=

𝑘∗𝑠 𝐶1

(𝑠 2 +𝑠

1 1 + ) 𝑅𝑝𝐶1 𝐿𝐶1

Aplicando la ecuación de filtro pasa banda de segundo orden, igualando 𝑠2 +

𝑤𝑜 𝑄

𝑠 + 𝑤𝑜 2 = 𝑠 2 + 𝑠

1 𝑅𝑝𝐶1

1

+

𝐿1𝐶1

De la relación anterior se halla la frecuencia central Wo =

1 √𝐿1𝐶1

=

1 √(0.1∗10−3 )(33∗10−9 )

= 550481.88 rad/seg.

fo= 550481.88/2π = 87.6 KHz. Reemplazando wo, L1 y Qo en Rp, Qo entre 50 y 200 Rp= wo * L1* Qo Rp MIN = 550481.88*0.1*10-3*50= 2752 ohmios Rp MAX = 550481.88*0.1*10-3*200= 11 K ohmios Ancho de Banda: 𝑤𝑜 𝑄

=

1 𝑅𝑝𝐶1

= BW ,

BW =

1 2752∗33∗10−9

= 11.011 K Hz.

Factor de calidad: 𝑤𝑜 𝐵

CCNM

= Q = 𝑤𝑜 *𝑅𝑝 ∗ 𝐶1 , Q = 550481.88*2752*33*10-9= 50

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS Este valor de Q se puede considerar como alto, rechazando las frecuencias por encima de 87.5 K+5.5 K y por debajo de 87.5K-5.5K. Ganancia en la frecuencia central 𝑉𝑜 (𝑗𝑤𝑜 ) 𝑉𝑖𝑛 (𝑗𝑤𝑜 )

=

𝑘∗𝑄 𝐶1 ∗𝑤𝑜

= k * 𝑅𝑝 ,

k* Rp = 9.86*10-3*2752= 27.13

III.- SIMULACION Usted puede elegir otro circuito, y otra frecuencia, pero debe seguir los mismos pasos para presentar el informe previo. 3.1.- Realice una simulación con los datos calculados para el circuito propuesto, considere Vin= 100 mV. 3.2.- Haga una gráfica de ganancia H versus frecuencia.

3.2.-Complete la Tabla 1, midiendo el voltaje en la salida del transformador (simulación) Tabla 1 frecuencia 60.5KH Voltaje 135mV

70.5KH 195mV

75.5KH 267mV

80.5KH 447mV

85.5KH 1.45V

90.5KH 1.13V

95.50KH 477mV

100KH 337mV

105KH 272mV

3.3.- Grafique la respuesta en frecuencia

3.4.- ¿Qué características de un receptor son determinadas por los circuitos sintonizados que lo conforman? La frecuencia, el factor de calidad, la resistencia de perdidas.

CCNM

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AMPLIFICADORES SINTONIZADOS IV.- PARA LA EXPERIENCIA DE LABORATORIO E INFORME FINAL 4.1-Implemente un amplificador sintonizado buscando una bobina adecuada para los valores calculados, o fabricándola con alambre de cobre de acuerdo a la frecuencia. Verifique los cálculos. Si modifica algún componente haga un nuevo cálculo y menciónelo en su informe. 4.2.-Verifique los valores de polarización para el circuito, considerando los valores dados para el diseño, con un Vin= 100mV. Tabla2 Valor teórico ( calculado ) IC 35mA IE 35.23mA VCE 5 VRC 3.5V VRE 3.5V beta 150

Valor simulado Valor medido en el laboratorio 35mA 35.2mA 4.977V 3.5V 3.52V 153

4.3.-Complete la Tabla 3, de datos para el circuito que ha construido, para cada frecuencia anote el voltaje. ( Si su circuito ha sido diseñado para usarlo con las bobinas comerciales de FI, entonces para cada frecuencia debe ajustar la bobina para máximo voltaje.) Tabla 3 frecuencia 60.5KH Voltaje

70.5KH

75.5KH

80.5KH

85.5.5KH

90.5KH

95.50KH

100KH

105KH

4.4.-Haga una gráfica con los datos de la Tabla 3, compárelos con los de la Tabla 1, OPINE, mencione sobre Q, BW, fo, como influyo la bobina usada. 4.5,- Compare los valores obtenidos teóricamente, con cálculos, con simulación con los del laboratorio

Zin BW ib ic ie fo vo

CCNM

Cálculos Simulación Laboratorio 1k 11khz

87.6khz 1.81V

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