GENERADOR DE SEÑAL SENOIDAL COMO HERRAMIENTA PARA EL APRENDIZAJE DEL PROCESAMIENTO DE SEÑAL ANALÓGICA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

GENERADOR DE SEÑAL SENOIDAL COMO HERRAMIENTA

PARA EL APRENDIZAJE DEL PROCESAMIENTO

DE SEÑAL ANALÓGICA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA

CLAUDIA ELIZABETH MORENO CASTULO

ASESORES

ING. EDGAR EDMUNDO FLORES DÍAZ

ING. JOSÉ REYES AQUINO

CONTENIDO

OBJETIVO ... 9

JUSTIFICACIÓN ... 9

INTRODUCCIÓN

Generador de onda senoidal ... 13

Osciladores sintonizados de capacitor e inductor ... 13

Generadores de señales de audiofrecuencia ... 14

MARCO TEÓRICO

AMPLIFICADORES ... 19

Configuraciones de los circuitos de transistores ... 20

El transistor como amplificador de CA ... 20

Excitaciones de base y de emisor... 20

Amplificadores clase A, B y AB... 21

La recta de carga de CA para clase B ... 22

Amplificador operacional ... 24

OSCILADORES ... 27

Generación de señal ... 27

Osciladores realimentados ... 27

Osciladores sintonizados... 28

Oscilador de Hartley ... 29

Oscilador de Colpitts ... 31

Oscilador controlado por voltaje ... 32

MODULACIÓN ... 33

Modulación en amplitud ... 33

Modulador simple ... 33

Modulador de transistor ... 33

Voltajes de entrada ... 33

Frecuencias de entrada ... 34

Modulador de doble banda lateral con portadora transmitida (DSB-TC) ... 34

DISEÑO

PRIMERA SECCIÓN ... 39

Oscilador senoidal de 550-1800 kHz ... 39

Preamplificador... 44

Amplificador de potencia... 45

Atenuador ... 48

SEGUNDA SECCIÓN ... 51

Modulador de amplitud ... 52

Preamplificador... 54

TERCERA SECCIÓN ... 56

Oscilador senoidal de 88-108 MHz ... 56

Amplificador ... 59

PRUEBAS

PRIMERA SECCIÓN ... 63

SEGUNDA SECCIÓN ... 68

TERCERA SECCIÓN ... 71

CONCLUSIONES

APÉNDICES

A1. LA CAPACITANCIA DEL DIODO ... 81

A2. OSCILADORES NO SINTONIZADOS ... 82

A3. CIRCUITO TANQUE ... 83

A4. PORCENTAJE DE MODULACIÓN ... 84

A5. ESPECTRO DE AM ... 85

A6. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ... 87

9

OBJETIVO

Diseñar un generador de señal senoidal con frecuencia variable para las bandas

comerciales de amplitud modulada (AM) y frecuencia modulada (FM).

JUSTIFICACIÓN

La generación de señales es una faceta importante en el desarrollo, optimización y

reparación de sistemas electrónicos. El generador de señales se utiliza para proporcionar

condiciones de prueba conocidas para la evaluación adecuada de diversos sistemas

electrónicos y verificar las señales faltantes en equipos que se analizan para reparación.

En aplicaciones de transmisores y receptores de amplitud y frecuencia modulada, se

emplean circuitos de radiofrecuencia tales como: amplificadores, moduladores,

mezcladores, etc., que requieren para su evaluación el uso de señales senoidales con

frecuencia variable.

13 Generador de onda senoidal

En virtud de la importancia de la señal senoidal, el generador de dicha onda representa la principal categoría de generadores de señales. Este instrumento en su forma más sencilla es como se muestra en la figura I.1.

Fig. I.1. Diagrama a bloques de un generador de onda senoidal básico.

El generador de onda senoidal simple consiste de dos bloques básicos, un oscilador y un atenuador. El comportamiento del generador depende de la funcionalidad de estas dos partes principales. Tanto la exactitud de la frecuencia y la estabilidad, así como el quedar libre de distorsión dependen del diseño del oscilador; mientras que la exactitud de amplitud depende del diseño del atenuador.

Un oscilador tiene como función crear una señal periódica por sí mismo; siendo alimentado con un voltaje continuo, proporciona una salida senoidal. Un oscilador de onda senoidal es un circuito, mediante amplificación y realimentación, genera una onda senoidal. Su elemento activo es normalmente un transistor bipolar, un FET, o un circuito integrado. La frecuencia de operación se determina con un circuito sintonizado o un cristal piezoeléctrico en la trayectoria de realimentación. Osciladores sintonizados de capacitor e inductor

Existe una amplia clase de osciladores que se basan en las características de resonancia de un circuito capacitor-inductor , para generar una frecuencia estable. En la figura I.2 se ilustra el diagrama a bloques de un oscilador. Este consiste de un amplificador y un circuito de realimentación en el que toda la ganancia del circuito; es decir, la ganancia del amplificador dividida entre las pérdidas del circuito de realimentación, es exactamente igual a uno, y el corrimiento (desplazamiento) total de la fase en el circuito es cero. Los osciladores se diseñan para que estas características se tengan sólo a una frecuencia.

Fig. I.2. Diagrama a bloques de un oscilador.

Atenuador

Establecimiento del nivel

Salida de RF

Oscilador

Establecimiento de la frecuencia

Red de realimentación

14

La segunda parte del generador senoidal es el atenuador. El generador debe proporcionar señales de una amplitud y frecuencia conocidas. Si se aplica una señal de amplitud fija conocida a la entrada del atenuador, se conoce el nivel de la señal a la salida de acuerdo a la exactitud del atenuador. Con frecuencia, los generadores de señal proporcionan una señal de niveles conocidos a muy bajos valores, para la evaluación y prueba de los receptores.

No es posible medir y calibrar una señal a un nivel muy bajo, por lo que las señales de bajo nivel se generan mediante la alimentación a un atenuador con una señal de nivel alto; con lo cual, la amplitud es fácil de medir, lo que permite la calibración de los pasos del atenuador. Un atenuador es un dispositivo que reduce el nivel de potencia de una señal en una cantidad fija. El atenuador debe terminar con una impedancia fija, sin importar el valor de la atenuación.

El atenuador reduce la potencia de una entrada de tal forma que la relación de la potencia de entrada con la de salida es constante. La reducción de potencia se puede expresar como el logaritmo de la relación de la potencia de entrada mediante la siguiente expresión:

donde es la atenuación en decibeles, es la potencia de entrada y la potencia de salida del atenuador.

Generadores de señales de audiofrecuencia

El generador de señales de audiofrecuencia no incluye un oscilador controlado por circuitos sintonizados , sino uno de corrimiento de fase controlado mediante una red resistor-capacitor, . Los requisitos de un oscilador de audio son idénticos a los de un oscilador y se muestran en la figura I.2. El oscilador puente de Wien produce ondas senoidales utilizando una red en el circuito de realimentación.

En un generador de funciones comercial, la red de control de frecuencia está dirigida por el selector fino de frecuencia en el panel frontal del instrumento o por un voltaje de control aplicado externamente (figura I.3). El voltaje de control de frecuencia es aplicado a dos fuentes de corriente.

Fig. I.3. Elementos básicos para la generación de una señal senoidal.

Red de control de frecuencia Fuente superior de corriente constante Fuente inferior de corriente constante Integrador Multivibrador comparador de voltaje Circuito formador resistencia-diodo Amplificador

Control externo de frecuencia

V

15

La fuente de corriente superior aplica una corriente constante al integrador, cuyo voltaje de salida se incrementa en forma lineal con el tiempo. El voltaje de salida se determina con la siguiente expresión:

Un incremento o decremento de la corriente aplicada por la fuente de corriente superior aumenta o disminuye la pendiente del voltaje de salida. El multivibrador comparador de voltaje cambia de estado a un nivel predeterminado sobre la pendiente positiva del voltaje de salida del integrador. Este cambio de estado desactiva la fuente de corriente superior y activa la fuente inferior.

Dicha fuente aplica una corriente distinta inversa al integrador, de modo que la salida disminuya linealmente con el tiempo. Cuando el voltaje de salida alcanza un nivel predeterminado en la pendiente negativa de la onda de salida, el comparador de voltaje cambia de nuevo, desactiva la fuente de corriente inferior y activa al mismo tiempo la fuente superior.

El voltaje a la salida del integrador tiene una forma de onda triangular cuya frecuencia está determinada por la magnitud de la corriente aplicada por las fuentes de corriente constante. El comparador entrega un voltaje de salida de onda cuadrada de la misma frecuencia. La onda senoidal se deriva de la onda triangular, la cual es sintetizada por una red de diodos y resistencias. En este circuito la pendiente de la onda triangular se altera a medida que su amplitud cambia. El circuito de salida consiste de un amplificador.

Los generadores de funciones Protek G305, BK Precision 4010A, Wavetek Meterman FG2C, son algunas marcas comerciales que emplean los elementos básicos para la generación de una señal senoidal mostrados en la figura I.3. Estos equipos relativamente de fácil adquisición presentan limitaciones con respecto a la frecuencia de operación, proporcionando como máximo 5 MHz. Para frecuencias superiores a esta, el costo del equipo crece de forma considerable.

Debido a lo anterior, se propone realizar un generador de señal senoidal que permita realizar aplicaciones en las regiones del espectro radioeléctrico correspondientes a AM y FM comercial. En la figura I.4 se muestra el diagrama general a bloques del generador de señal senoidal propuesto a desarrollarse.

Fig. I.4. Diagrama a bloques del generador de señal senoidal propuesto.

16

Como puede observarse en la figura I.4, el generador proporciona dos salidas de señal senoidal en forma independiente. Una de las salidas tiene una frecuencia correspondiente a la señal portadora de la banda de AM comercial , con una amplitud máxima (variable) de y un atenuador de . La otra salida senoidal tiene una frecuencia que corresponde a la señal portadora de la banda de FM comercial , con una amplitud (fija) de . Como característica adicional, se incluye la opción de llevar a cabo una modulación en amplitud para la señal de . Ambas salidas presentan una resistencia interna de .

Con la finalidad de hacer más fácil el diseño del generador, se consideran tres secciones en las que se agrupan los bloques mostrados en la figura I.4:

 Primera sección: Oscilador senoidal de , amplificador y atenuador.  Segunda sección: Modulador de amplitud.

 Tercera sección: Oscilador senoidal de y amplificador.

Las características de este generador son de gran utilidad para realizar aplicaciones en circuitos de radiofrecuencia, tanto de amplitud modulada (AM), como de frecuencia modulada (FM).

19

AMPLIFICADORES

Un amplificador es un circuito que puede aumentar la excursión pico a pico del voltaje, la corriente o la potencia de una señal. La amplificación de señales débiles en señales fuertes es de fundamental importancia en casi cualquier sistema electrónico. Como ejemplo, tenemos el caso de un receptor, donde el objetivo es seleccionar y amplificar la débil señal desde la antena y presentar la señal detectada vía un altavoz. A continuación se exponen conceptos fundamentales para el desarrollo de cualquier amplificador.

Ganancia del amplificador. Un amplificador es diseñado para el propósito de incrementar el nivel de

voltaje, corriente o potencia. La cantidad de este incremento es conocido como la ganancia del

amplificador. En la figura 1.1 se especifican las variables que permiten definir la ganancia de voltaje.

Figura 1.1. Amplificador de voltaje.

La siguiente expresión se emplea para calcular la ganancia de voltaje de un amplificador:

Respuesta en frecuencia. La ganancia de un amplificador no es constante con respecto a la frecuencia

(figura 1.2); así, un valor especificado para la magnitud de la ganancia carece de sentido a menos que

se conozca la frecuencia en que fue medida la ganancia. En general, “ganancia” por sí sola significa la ganancia en la banda media de un amplificador. Las frecuencias en las cuales la ganancia cae a 0.7071 de su valor en la banda media, son conocidas como las frecuencias de corte. El ancho de banda del

amplificador es la diferencia entre estas dos frecuencias.

Figura 1.2. Respuesta en frecuencia de un amplificador.

Amplificador

20 Configuraciones de los circuitos de transistores

Un transistor formado por tres elementos se conecta en un circuito de tres maneras distintas: 1) emisor aterrizado o emisor común, 2) base aterrizada o base común y 3) colector común o colector aterrizado. Los circuitos respectivos se muestran en la figura 1.3.

(a) (b) (c)

Figura 1.3. Configuraciones de circuitos de transistores: (a) emisor común; (b) base común; (c) colector común.

El emisor aterrizado es la configuración que se utiliza con mayor frecuencia pues permite obtener ganancia en voltaje, corriente y potencia. En estos circuitos se conecta en la entrada una señal de voltaje y en la salida se obtiene la señal procesada. El término emisor común se origina en el hecho de

que el emisor es común para el circuito de entrada y el de salida. El transistor como amplificador de CA

En un transistor en la configuración de emisor común, la corriente de base controla la corriente de colector. Además, el aumento en la corriente del colector es mucho mayor que el incremento de la corriente de base. La ganancia de corriente del transistor en la configuración de emisor común se

denomina beta . Las condiciones de polarización que se utilizan en los circuitos de amplificadores son: 1) la unión base-emisor con polarización en directa y 2) la unión base-colector con polarización en inversa.

Para obtener una amplificación sin distorsión, la base debe polarizarse de manera que la señal de entrada funcione sobre la porción lineal de las características del transistor. De lo contrario, la salida quedará en la región de corte o saturación. Como se polarice un transistor determinará la señal de salida que producirá como respuesta a una señal de entrada con determinado nivel.

Una vez que se ha polarizado un transistor en la región activa, puede aplicarse un voltaje de CA en el diodo del emisor para producir fluctuaciones en la corriente del colector. Cuando esta corriente del colector de CA fluye por un resistor externo, produce una señal de salida que es mayor que la señal de entrada. Este aumento de la amplitud de la señal se llama amplificación.

Excitaciones de base y de emisor

21

No obstante, la gran cantidad de diseños diferentes de amplificadores, la mayor parte de las etapas amplificadoras se reducen a una de estas dos formas básicas: excitación de base o excitación del

emisor.

La figura 1.4a muestra un circuito excitado por base, llamado así porque la fuente alimenta la base por medio del resistor . Esta fuente y el respectivo resistor pueden ser elementos simples del circuito, como se muestra, o representar un circuito equivalente Thevenin que esté excitando a la base. El resistor puede también ser un resistor simple o representar la combinación en paralelo de varios resistores. Similarmente, puede ser el resistor simple que se muestra o una combinación de ellos. Independientemente de lo que sea el circuito real, siempre que sea posible reducirlo a la forma que aparece en la figura 1.4a, se tendrá un circuito del tipo excitado por base.

En otras ocasiones, el teorema de Thevenin y los demás teoremas de reducción generan un circuito como el de la figura 1.4b. Este es del tipo excitado por emisor porque la fuente excita al emisor a través del resistor .

(a) (b) Figura 1.4. (a) Excitación por la base. (b) Excitación por el emisor.

La ganancia de voltaje para el circuito de la figura 1.4a, se determina con la expresión:

donde es la resistencia de la unión base-emisor a CD. Amplificadores clase A, B y AB

22

En la operación en clase A el transistor del amplificador permanece en la región activa durante todo el ciclo de CA; esto significa que la corriente del colector del amplificador clase A circula por 360°, como se muestra en la figura 1.5a.

El amplificador de clase B en oposición de fase es un circuito de dos transistores con las siguientes ventajas sobresalientes: la capacidad disminuye a un quinto de la potencia de la carga y el consumo de corriente sin señal es de alrededor del 1% de . La primera ventaja es importante cuando se requieren grandes cantidades de potencia para alimentar la carga, como en transmisores de comunicaciones. La segunda ventaja es deseable en los sistemas alimentados con baterías, como los receptores transistorizados.

En los circuitos de clase B, el transistor permanece en la región activa sólo durante la mitad del ciclo; por lo cual, durante la otra mitad se encuentra en corte. Esto significa que la corriente de colector fluye sólo 180° por cada transistor de un circuito de clase B (figura 1.5b).

La clase AB se encuentra en un punto intermedio entre A y B. El transistor de un circuito amplificador de clase AB está en la región activa más de la mitad del ciclo de CA, pero menos del ciclo completo. En otras palabras, la corriente del colector circula durante más de 180° pero menos de 360° (figura 1.5c).

Figura 1.5. Formas de onda de la corriente de colector. (a) Clase A. (b) Clase B. (c) Clase C.

La recta de carga de CA para clase B

23 Figura 1.6. Recta de carga y formas de onda de clase B.

Cuando la señal de CA entra al amplificador, el punto de operación instantáneo se desplaza hacia saturación, como se indica, lo cual produce semiciclos de corriente y voltaje. Si se permite que un transistor trabaje con los semiciclos positivos y que otro trabaje con los semiciclos negativos, se puede obtener una señal de salida final que es una onda seno completa. La corriente de saturación en un circuito clase B es

A continuación se analizará la idea de la operación del circuito completo de clase B en oposición de fase. La figura 1.7a muestra el circuito equivalente de CA de un seguidor de emisor. La polarización de

CD no se muestra, pero se supone que se encuentra polarizado cerca del corte; es decir, la operación en clase B tiene lugar con una recta de carga de CA como la que se muestra en la figura 1.6.

(a) (b) (c) Figura 1.7. Circuitos equivalentes de CA.

Punto

24

Durante el semiciclo positivo del voltaje de la fuente, el diodo del emisor se enciende y el punto de operación se mueve hasta el de saturación saliendo desde . Durante el semiciclo negativo del voltaje de la fuente, el diodo del emisor se polariza inversamente y no circula corriente alguna. Por esto, el voltaje que aparece en de la figura 1.7a es una señal de media onda.

En seguida, consideramos el seguidor de emisor pnp de la figura 1.7b, donde solamente se muestra el circuito equivalente de CA, y de nuevo suponemos que el diodo del emisor se encuentra polarizado cerca del corte. Durante el semiciclo positivo del voltaje de la fuente de CA el diodo del emisor se encuentra polarizado en inversa, por lo que no circula corriente por el colector. Sin embargo, durante el semiciclo negativo del voltaje de la fuente, el diodo del emisor se polariza en sentido directo. Por lo tanto, el punto de operación se desplaza desde hasta la saturación. Puesto que la corriente circula hacia arriba por , el voltaje en este resistor es negativo respecto a tierra. Por esto, el voltaje de salida de la figura 1.7b tiene sólo semiciclos negativos.

Para obtener un circuito en oposición de fase, se combinan los dos seguidores de emisor, como se muestra en la figura 1.7c. El transistor superior (npn) se encarga de los semiciclos positivos del voltaje de la fuente y el transistor inferior (pnp), maneja los semiciclos negativos. En esta forma, el voltaje de salida que se obtiene es una onda seno completa.

En la figura 1.7c, la operación del circuito es exactamente complementaria en ambos semiciclos; es decir, los voltajes y las corrientes de un semiciclo son iguales y opuestas a las del otro semiciclo. Esto simplifica el análisis de CA de los circuitos clase B en oposición de fase; esto quiere decir que se requiere sólo analizar la operación de un semiciclo.

Amplificador operacional

Un amplificador operacional (amp op) es un amplificador diferencial lineal con acoplamiento directo de alta ganancia, cuyas características de respuesta se controlan en forma externa mediante realimentación negativa de la salida a la entrada.

La figura 1.8 ilustra el símbolo de un amp op. El amplificador operacional tiene dos entradas, marcadas como y . La entrada menos es la entrada inversora. Si a la terminal menos se aplica una señal, se desfasará 180° en la salida. La entrada más es la entrada no inversora. Al aplicar una señal a la entrada más, en la salida aparecerá con la misma fase de la entrada.

Figura 1.8. Símbolo del amplificador operacional.

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Figura 1.9. Circuito del amp op que muestra lazo de realimentación negativa.

La salida del amplificador se define mediante la ecuación:

El signo menos indica que la salida está invertida en comparación con la entrada. La ecuación para la ganancia de este amplificador es:

Es posible que el amplificador operacional opere como amplificador no inversor si la señal se aplica a la entrada más, como en la figura 1.10. En este circuito, la red de realimentación también está conectada a la entrada inversora.

Figura 1.10. Amp op operando como amplificador no inversor.

La salida del amplificador no inversor se define mediante la ecuación:

La ecuación para la ganancia de este amplificador es:

26

Las ecuaciones (1.5) a (1.7) indican que el voltaje de salida sólo depende del cociente de los resistores de realimentación y de entrada, y , y que la ganancia del amplificador operacional es dependiente de estos resistores.

La figura 1.11 muestra el circuito de un amplificador operacional conectado como seguidor de voltaje no inversor.

La salida se define mediante la ecuación:

Este circuito también se denomina amplificador de ganancia unitaria debido a que su ganancia es igual a 1.

Figura 1.11. Amp op operando como seguidor de voltaje.

Una posible fuente de error a la entrada en un circuito con amplificador operacional podría ser la corriente de polarización. Ésta se puede eliminar al conectar un resistor, , en la entrada no inversora cuyo valor es la resistencia de la combinación en paralelo de y (figura 1.12). Así, las resistencias de las entradas inversora y no inversora se equilibran, eliminando este error de la corriente de polarización.

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OSCILADORES

Generación de señal

Como se mencionó en la introducción, un oscilador es un dispositivo que genera una forma de onda repetitiva (oscilación). Una oscilación eléctrica es un cambio repetitivo de voltaje o de corriente en una forma de onda. Si un oscilador es autosostenido, los cambios en la forma de onda son continuos y

repetitivos; suceden con rapidez periódica. Un oscilador autosostenido también se llama oscilador

autónomo o de funcionamiento libre. En esencia, un oscilador convierte un voltaje de CD en la entrada a un voltaje de salida de CA. La forma de la onda de salida puede ser una senoidal, una onda cuadrada, una onda en diente de sierra o cualquier otra forma de onda, siempre y cuando se repita a intervalos periódicos.

Osciladores realimentados

Un oscilador realimentado es un amplificador con un lazo de realimentación, es decir, con un paso

para que la energía se propague desde la salida y regrese a la entrada. Los osciladores autosostenidos son osciladores realimentados. Una vez encendido, un oscilador realimentado genera una señal de salida de CA, de la cual se regresa una pequeña parte a la entrada, donde se amplifica. La señal amplificada de la entrada aparece en la salida, y el proceso se repite; se produce un proceso

regenerativo, en el que la salida depende de la entrada y viceversa.

De acuerdo con el criterio de Barkhausen, para que un circuito realimentado sostenga oscilaciones, la

ganancia neta de voltaje en torno al lazo de realimentación debe ser igual o mayor que la unidad, y el desplazamiento neto de fase en torno al lazo debe ser un múltiplo entero positivo de 360°.

Existen cuatro requerimientos para que un oscilador realimentado funcione: amplificación,

realimentación positiva, determinación de frecuencia y una fuente de potencia eléctrica.

1. Amplificación. Un circuito oscilador debe tener cuando menos un dispositivo activo, y debe ser

capaz de amplificar voltaje.

2. Realimentación positiva. Un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la señal

de salida regrese a la entrada. La señal de realimentación debe ser regenerativa, lo que quiere decir

que debe tener la fase correcta y la amplitud necesaria para sostener las oscilaciones. Si la fase es incorrecta, o si la amplitud es insuficiente, las oscilaciones cesan. Si la amplitud es excesiva, el amplificador se saturara. La realimentación regenerativa se llama también realimentación positiva,

donde “positiva” simplemente indica que su fase ayuda en el proceso de oscilación.

3. Componentes que determinan la frecuencia. Un oscilador debe tener componentes que determinen

la frecuencia, como por ejemplo resistores, capacitores, inductores o cristales que permitan ajustar o cambiar la frecuencia de operación.

4. Fuente de poder. Un oscilador debe tener una fuente de energía eléctrica de CD.

La figura 1.13 muestra un modelo eléctrico de un circuito oscilador realimentado (un amplificador de

voltaje con realimentación regenerativa). Un oscilador realimentado es un circuito de lazo cerrado

formado por un amplificador de voltaje con una ganancia de voltaje de lazo abierto , una

trayectoria regenerativa que determina la frecuencia con una relación de realimentación y un

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La ganancia de voltaje de lazo abierto es la ganancia de voltaje del amplificador con la trayectoria de realimentación abierta. La ganancia de voltaje de lazo cerrado es la ganancia general de voltaje

del circuito total, con el lazo de realimentación cerrado, y siempre es menor que la de lazo abierto. La relación de realimentación no es más que la función de transferencia de la red de realimentación, es decir, la relación de su voltaje de salida a su voltaje de entrada. Para una red de realimentación pasiva, la relación de realimentación siempre es menos que 1.

Figura 1.13. Modelo de un amplificador con realimentación.

La siguiente relación matemática se deriva de la figura 1.13.

donde es la ganancia de voltaje de lazo cerrado y la relación de realimentación del lazo realimentado. El producto se conoce como ganancia de lazo del amplificador.

La ecuación (1.9) determina la ganancia de voltaje de lazo cerrado de un amplificador realimentado. Si en cualquier frecuencia , tiene como consecuencia que el denominador de la ecuación (1.9) sea cero, y por lo tanto . Cuando esto sucede, el circuito oscilará.

Para que se produzcan las oscilaciones autosostenidas en un circuito, debe de cumplir con los cuatro requisitos básicos que se describieron anteriormente; también debe cumplir con el criterio de la ecuación (1.9) y debe apegarse al modelo básico de un circuito realimentado (figura 1.13).

Aunque la acción de oscilador se puede lograr en muchas formas distintas, las configuraciones más comunes son las redes de desplazamiento de fase (ver Apéndice), los circuitos tanque (también llamados circuitos resonantes), los cristales de cuarzo y los chips de circuito integrado.

Osciladores sintonizados

Los osciladores son circuitos osciladores que usan un circuito tanque para establecer la

frecuencia. El funcionamiento de un circuito tanque implica intercambio de energía entre cinética y

potencial (ver apéndice).

Restador Amplificador de voltaje Red de realimentación

Amplificador con lazo cerrado de realimentación

Entrada

29

La frecuencia de funcionamiento de un circuito tanque no es más que la frecuencia de resonancia de red en paralelo, y el ancho de banda es una función de la del circuito. La frecuencia de resonancia de un circuito tanque con es:

donde:

Entre los osciladores más ampliamente usados, están el Hartley y el Colpitts. Oscilador de Hartley

La figura 1.17a muestra el esquema de un oscilador de Hartley. El amplificador transistorizado

proporciona la amplificación necesaria para tener una ganancia de unidad en el voltaje de lazo a la frecuencia de resonancia. El capacitor de acoplamiento proporciona la trayectoria de la realimentación regenerativa. Los componentes , y son los que determinan la frecuencia, y es el voltaje de alimentación. El diagrama a bloques del oscilador de Hartley se muestra en la figura 1.17b. Ya que se utiliza un amplificador emisor común como elemento activo del oscilador, el circuito tiene un corrimiento de fase debido al amplificador de 180° cualquiera que sea la frecuencia de operación. La red de realimentación (esto es, el circuito resonante) tiene un corrimiento de fase de 180° en la resonancia. Por tanto, los requerimientos de corrimiento de fase para el oscilador pueden coincidir a la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado.

La figura 1.17c presenta el circuito equivalente de CD para el oscilador de Hartley. es un capacitor de bloqueo que aísla el voltaje de polarización de CD y evita que se ponga en corto a tierra a través de

. también es un capacitor de bloqueo que evita que el voltaje de suministro del colector pase a tierra a través de . La bobina de radiofrecuencia o mejor conocida como RFC (de radio-frequency

choke) es un corto circuito para CD. En la figura 1.17d se tiene el circuito equivalente de CA para el

oscilador de Hartley. es un capacitor de acoplamiento para CA y proporciona una trayectoria para la realimentación regenerativa del circuito tanque a la base de . acopla las señales de CA del colector de con el circuito tanque. La bobina de radiofrecuencia funciona como un circuito abierto en CA y en consecuencia, aísla la fuente de poder de CD y las oscilaciones de CA.

30

(a) (b)

(c) (d)

Figura 1.17. Oscilador de Hartley: (a) esquema; (b) diagrama a bloques; (c) circuito equivalente de CD; (d) circuito equivalente de CA.

La parte de la energía oscilatoria que se realimenta a la base se determina con la relación de a la inductancia total, . Si la energía que se realimenta es insuficiente, se amortiguan las oscilaciones. Si se realimenta demasiada energía, el transistor se satura. Por consiguiente, la posición del contacto móvil en se ajusta hasta que la cantidad de energía realimentada sea exactamente la que se requiere para que la ganancia de voltaje de lazo sea la unidad, y que continúen las oscilaciones. La frecuencia de resonancia en el oscilador de Hartley se determina con la siguiente fórmula:

donde .

Red de realimentación

Salida de RF Amplificador

Base Colector

C1

31 Oscilador de Colpitts

La figura 1.18a muestra el diagrama de un oscilador de Colpitts. El funcionamiento de este oscilador es

muy parecido al oscilador de Hartley, con la excepción de que se usa un divisor capacitivo en lugar de

una bobina con derivación. El transistor proporciona la amplificación, proporciona la trayectoria de realimentación regenerativa, , y son las componentes para determinar la frecuencia, y es el voltaje de alimentación de CD.

(a) (b)

(c)

Figura 1.18. Oscilador de Colpitts: (a) esquema; (b) circuito equivalente de CD; (c) circuito equivalente de CA.

El circuito equivalente de CD del oscilador de Colpitts se muestra en la figura 1.18b. es un

32

El circuito equivalente de CA del oscilador de Colpitts se presenta en la figura 1.18c. es un

capacitor de acoplamiento para CA, y proporciona la trayectoria de regreso de la realimentación regenerativa desde el circuito tanque a la base de . La bobina de choque es un circuito abierto en CA, y desacopla las oscilaciones de la fuente de poder de CD. El funcionamiento del oscilador de

Colpitts es casi idéntico al del oscilador de Hartley. En el encendido inicial aparece ruido en el colector

de , y suministra la energía al circuito tanque haciéndolo comenzar a oscilar. Los capacitores y

forman un divisor de voltaje. La caída de voltaje a través de se realimenta a la base de a través de . Hay un desplazamiento de fase de 180°, de la base al colector de , y otro desplazamiento de fase de 180° más a través del equivalente de con . En consecuencia, el desplazamiento total de fase es 360°, y la señal de realimentación es regenerativa. La relación de a

determina la amplitud de la señal realimentada. La frecuencia del oscilador de Colpitts se

determina con la siguiente ecuación:

donde .

Oscilador controlado por voltaje

Un oscilador controlado por voltaje o VCO (voltage-controlled oscillator), es un oscilador con una

frecuencia estable de oscilación que depende de un voltaje de polarización externo. La salida de un VCO es una frecuencia, y su entrada es una señal de polarización o de control (voltaje de CD). Cuando se aplica un voltaje de CD en la entrada del VCO la frecuencia de salida cambia. La figura 1.19 muestra una curva de transferencia (frecuencia de salida en función de las características del voltaje de polarización en la entrada) de un VCO característico.

Figura 1.19. Característica de la salida de frecuencia de un oscilador controlado por voltaje, en función del voltaje de polarización.

La frecuencia de salida con voltaje de polarización de en la entrada es la frecuencia natural del VCO, , que está determinada por una red externa , y el cambio en la frecuencia de salida causado por un cambio de voltaje de entrada se llama desviación de frecuencia, . En consecuencia,

+2 80

─2 ─1 0 +1

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MODULACIÓN

Modulación en amplitud

Cuando una señal de baja frecuencia controla la amplitud de una señal de alta frecuencia, se obtiene la modulación en amplitud (AM).

Modulador simple

La figura 1.20a muestra un modulador simple. Una señal de alta frecuencia es la entrada a un potenciómetro; por lo tanto, la amplitud de la señal de salida depende de la posición del contacto central. Si variamos el contacto central arriba y abajo sinusoidalmente, se obtiene la forma de onda de AM de la figura 1.20b; el valor de la amplitud o pico de la señal de alta frecuencia varia a un ritmo de baja frecuencia. La señal de alta frecuencia se denomina como portadora, y la señal de baja frecuencia

se conoce como señal moduladora. Normalmente se producen cientos de ciclos de portadora durante

un ciclo de la señal de modulación. Los picos positivos de la portadora están tan estrechamente espaciados que forman una frontera superior uniforme conocida como la envolvente superior; de

manera similar, los picos negativos forman la envolvente inferior.

Figura 1.20. Amplitud modulada.

Modulador de transistor

La figura 1.21 es un ejemplo de un modulador de transistor. Así es como funciona. La señal portadora es la entrada a un amplificador de emisor común. El circuito amplifica la portadora por un factor de , de modo que la salida es . La señal moduladora es parte de la polarización; por lo tanto, produce variaciones de baja frecuencia en la corriente de emisor; a su vez, esto significa variaciones en y . Por esta razón, la señal portadora amplificada se parece a la forma de onda AM que se muestra; donde los picos de la salida varían sinusoidalmente con la señal moduladora. Dicho de otra manera, las envolventes superior e inferior tienen la forma de la señal moduladora.

Voltajes de entrada

34 Figura 1.21. Modulador de AM.

Frecuencias de entrada

Por lo general, la frecuencia de la portadora es mucho mayor que la frecuencia moduladora . En la figura 1.21, tenemos que debe ser al menos 100 veces mayor que . Los capacitores deben comportarse como bajas impedancias para la portadora y como altas impedancias para la señal moduladora; de esta manera, la portadora se acopla hacia dentro y fuera del circuito, pero la señal moduladora es bloqueada desde la salida.

Modulador de doble banda lateral con portadora transmitida (DSB-TC)

La figura 1.22 muestra un modulador de amplificador diferencial. La portadora excita una entrada y es amplificada por un factor de . La señal moduladora excita , el cual entrega una señal en modo común para el amplificador diferencial; así, la señal moduladora es suprimida a través de la salida.

Dado que la señal moduladora controla la corriente de emisor en cada mitad del amplificador diferencial, la ganancia de voltaje varía según la señal moduladora. Debido a esto, la salida es una señal DSB-TC (doble banda lateral con portadora transmitida) como se muestra.

39

De acuerdo a lo expuesto en la Introducción (figura I.4), el generador a diseñar está constituido básicamente de tres secciones para facilitar el diseño de cada una de las etapas que lo integra.

 Primera sección: Oscilador senoidal de , amplificador y atenuador.  Segunda sección: Modulador de amplitud.

 Tercera sección: Oscilador senoidal de y amplificador. En las siguientes líneas se presenta el diseño de cada una de estas secciones.

PRIMERA SECCIÓN

La figura 2.1 muestra el diagrama a bloques donde se especifica las etapas que conforman esta sección del generador.

Figura 2.1. Diagrama a bloques de la primera sección del generador.

Las características que debe cumplir esta sección son:  Frecuencia: .

 Voltaje de salida: (variable).  Atenuación: .

 Resistencia de salida: .

A continuación se procede con el diseño de cada una de las etapas de la figura 2.1.

Oscilador senoidal de 550-1800 kHz

Para el diseño de esta etapa se propone un circuito con sintonía electrónica (VCO), ya que presenta una forma muy práctica de variación de frecuencia. Dentro de las diversas opciones que se tienen para su elaboración, se elige el circuito integrado (C.I.) fabricado por Sanyo Electric Co., cuyo costo es relativamente bajo, se requiere un número reducido de componentes para su funcionamiento, disipación baja de potencia (550 mW), además de encontrarse disponible en el mercado nacional. Este circuito integrado se utiliza ampliamente en la elaboración de receptores comerciales de amplitud modulada y frecuencia modulada (AM/FM).

En la figura 2.2 se muestra el diagrama a bloques del circuito integrado (IC1).

40 Figura 2.2. Diagrama a bloques del circuito integrado LA1837.

Para el diseño del oscilador senoidal se utilizan solamente las terminales del que se indican en la tabla 2.1, correspondientes a la etapa del oscilador local de AM.

TERMINAL FUNCIÓN

5 GND

8 Vcc

14 FM/AM switching

28 REG

29 OSC

30 Oscillator buffer output Tabla 2.1. Terminales utilizadas del circuito integrado LA1837.

Para habilitar el en modo de AM, se conecta la terminal 14 a GND a través de un resistor

. En la tabla 2.2 se indican los valores límite de para diversos valores de .

7 2.7

8 3.9

9 5.1

10 6.2

11 7.5

41

En las hojas de datos del , se indica el valor de la fuente de DC necesaria para la operación del circuito. El valor máximo de la fuente es: , teniendo el y . Por lo anterior, se elige , correspondiendo para (tabla 2.2) el valor de . La corriente que consume el LA1837 sin ninguna señal en su entrada (terminal 27) es

.

Para ocupar el menor espacio al momento de armar el circuito, se realiza esta fuente de DC con un diodo zener . Se emplea el diodo que tiene .

La figura 2.3 muestra la conexión de los elementos necesarios para polarizar al . El valor del resistor limitador se determina con la ecuación:

Por lo tanto, se elige el valor comercial de .

Figura 2.3. Fuente de DC para el circuito integrado LA1837.

El circuito oscilador será realizado tomando como base un diodo de capacitancia variable , ya que este dispositivo tiene la particularidad de poder variar su capacitancia interna en función del voltaje inverso aplicado entre sus terminales.

En la figura 2.4 se muestra el diagrama del oscilador senoidal basado en el C.I. .

42

El diodo varactor empleado es el , ya que se utiliza en aplicaciones de sintonía electrónica en receptores de AM; además de que es fácil su adquisición en el mercado nacional. En la tabla 2.3 se indican los valores de capacitancia en función del voltaje aplicado al diodo varactor .

1.2 459.1 3.5 192.1 6.0 60.91 8.0 23.54

Tabla 2.3. Valores de C en función de VR.

El resistor de aislamiento en serie sirve para aplicar el voltaje de sintonía del diodo varactor

. Debido a que la corriente de polarización es pequeña , el resistor puede llegar a ser hasta de sin ningún problema. Por lo tanto, se selecciona el valor de . El potenciómetro

sirve para ajustar la frecuencia del oscilador, variando el voltaje de sintonía del diodo varactor. Para realizar esta función lo más adecuado posible, consumiendo el mínimo de corriente, se selecciona un potenciómetro de conectado uno de sus extremos a la fuente de . El capacitor incluye la capacitancia de ajuste (trimmer), capacitancia del circuito y capacitancia del circuito integrado.

Para calcular el valor de y se sigue el procedimiento empleado en el diseño de los circuitos de antena y oscilador para un receptor de AM.

De la tabla 2.3 se obtiene el valor mínimo y máximo de capacitancia del varactor: y .

El valor de la frecuencia intermedia es de , debido a que se está trabajando con un circuito integrado.

Las frecuencias mínima y máxima del oscilador son: y . Con estos datos y utilizando la ecuación (2.2), se obtiene los valores correspondientes para el circuito de antena.

Para asegurar que la sea constante, se proponen tres puntos dentro de la banda: , y . Los valores correspondientes para el circuito oscilador son:

43 El valor de se determina con la siguiente ecuación:

donde:

Sustituyendo los valores de y en la ecuación (2.3), se obtiene:

El valor comercial para es un trimmer de .

y se determinan con las ecuaciones:

Por lo tanto:

El valor comercial para es , y para se selecciona una bobina tipo (punto rojo) cuyo valor nominal es .

La señal senoidal se obtiene en la terminal 30 del a través de . El fabricante proporciona en las hojas de datos el valor de y , así como el valor del voltaje de salida .

44

Buffer

Con el fin de aislar el de las etapas siguientes, se coloca un amplificador operacional

en configuración de seguidor de voltaje (buffer), ya que presenta una alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida, reduciendo el efecto de carga. Como se mencionó en el Capítulo I, dicho circuito tiene ganancia unitaria. Por consiguiente,

El ancho de banda del con ganancia unitaria es de , por lo que es adecuado para esta aplicación, ya que la frecuencia máxima del oscilador es .

Preamplificador

A la salida de la etapa de aislamiento, se coloca un amplificador operacional en configuración de inversor con ganancia de 4 para elevar gradualmente el nivel que proporciona el oscilador. Empleando la ecuación (1.5)

y proponiendo , el valor de es:

Una fuente de error a la entrada es la corriente de polarización. Ésta se puede eliminar al conectar el resistor , cuyo valor es la resistencia de la combinación en paralelo de y . Así, las resistencias de las entradas inversora y no inversora se equilibran, eliminando este error de la corriente de polarización.

Los valores comerciales para y son:

Tomando la magnitud a la ecuación (1.4) y con , se obtiene

45

Amplificador de potencia

El amplificador de la figura 2.5 está formado de dos etapas: un amplificador excitador (driver) de clase A con una ganancia de voltaje de 10, y un seguidor de emisor clase B en oposición de fase

con ganancia unitaria. Por lo que la ganancia total de la etapa de salida es de 10. El driver proporciona la excitación para la etapa de salida. La polarización de diodos establece un punto de operación levemente por encima del corte, para evitar la distorsión de cruce.

En la etapa excitadora se tiene para el transistor ; el cual se emplea en amplificadores de alta frecuencia .

Figura 2.5. Amplificador de potencia.

Para facilitar el diseño del amplificador se considera en los cálculos una fuente de alimentación de

con respecto a la referencia. Posteriormente, esta fuente se sustituye por una simétrica de . El punto de operación está ubicado en . Se propone , y empleando la ecuación (1.2), se determina el valor de .

donde:

46

Por lo tanto,

Se elige el valor comercial de . Los valores de y se determinan con las ecuaciones

En las ecuaciones (2.8a y b) se utiliza el criterio =10 . Así,

Por consiguiente,

Se eligen los valores comerciales: y .

A continuación se calcula y con los valores comerciales de los resistores:

47

Entonces, consume aproximadamente , los cuales circulan por los diodos y por el resistor de colector . Como resultado, el espejo de corriente produce una corriente de colector estática

en los transistores de salida.

Por lo que el voltaje a la salida del amplificador es

El voltaje de salida máximo que se obtiene a la salida del amplificador es

De esta manera se observa que la variación con respecto a las cantidades establecidas inicialmente es mínima.

Se selecciona para los diodos y el , ya que al ser un elemento de rápida conmutación es apto para el rango de frecuencias de esta aplicación.

La etapa de salida está formada por los transistores y de características complementarias. A continuación se calcula la disipación de potencia de y .

La máxima potencia de salida es

48 La máxima disipación de potencia en cada transistor es de

La potencia máxima de disipación de los transistores y es de , por lo que operaran adecuadamente sin sufrir algún daño.

Los resistores y de sirven para estabilizar la temperatura de los transistores.

El capacitor tiene un valor de y su función es acoplar el preamplificador con la etapa de salida. El potenciómetro se utiliza para ajustar el voltaje de entrada al amplificador.

La impedancia de salida del amplificador es determinada por el valor de . Con la finalidad de establecer la impedancia en , se tiene un arreglo paralelo de dos resistores de , y de esta manera obtener el valor deseado.

Atenuador

La figura 2.6a muestra el atenuador de para reducir el voltaje a la salida del amplificador de potencia. Al realizar esta conexión, se tiene el circuito de la figura 2.6b.

(a) (b)

Figura 2.6. (a) Atenuador. (b) Conexión al amplificador de potencia.

La relación entre el voltaje de salida y entrada del atenuador , se determina por la ecuación:

Sin el uso del atenuador , lo que equivale a una ganancia de

49

Sustituyendo en la ecuación (2.13) de atenuación, se obtiene

De acuerdo al resultado anterior, de atenuación equivale a decir que el voltaje de salida es diez veces menor que el voltaje de entrada .

La ecuación (2.13a) nos da la opción de indicar , que no se está seleccionando el uso del atenuador. Por otra parte, la ecuación (2.13b) implica la utilización del atenuador .

El voltaje máximo a la salida empleando el atenuador es

De la figura 2.6b, se observa que el arreglo

Teniéndose por consiguiente,

Despejando de (2.14) y sustituyendo en (2.16),

Igualando (2.17) y (2.18):

50

Los resistores y son de precisión para asegurar que al conectar, la impedancia de salida permanezca en .

Si ,

El valor comercial para es .

Se elige como valor comercial el mismo que .

En la figura 2.7 se muestra el atenuador conectado a la salida del amplificador de potencia vía dos interruptores . Cuando ambos interruptores se encuentran en la posición superior

, se tiene el voltaje máximo en el conector de salida . Al pasar los dos interruptores a la posición inferior , se reduce el voltaje diez veces.

Figura 2.7. Posiciones del atenuador.

51 Figura 2.8. Diagrama completo de la primera sección.

SEGUNDA SECCIÓN

La figura 2.9 muestra el diagrama a bloques donde se especifica las etapas que conforman esta sección.

Figura 2.9. Diagrama a bloques de la segunda sección.

A continuación se procede con el diseño de cada una de las etapas de la figura 2.9.

Modulador de Amplitud

Preamplificador

Moduladora

52

Modulador de amplitud

Para el diseño de esta etapa se elige el circuito integrado que es un modulador de banda ancha que no requiere para su operación el uso de transformadores o circuitos sintonizados. El

se emplea en generadores de funciones comerciales, es de bajo costo, baja potencia

, y se encuentra con facilidad en el mercado nacional.

En la figura 2.10 se muestra el diagrama interno del circuito integrado (IC4).

Figura 2.10. Circuito integrado MC1496.

Como indica la figura 2.10, el está formado por tres amplificadores diferenciales. Las conexiones internas están hechas de tal manera que la salida es el producto de la portadora (carrier) y la información (signal). Para llevar a cabo lo anterior, los pares diferenciales y son excitados por la portadora. La señal moduladora (información) es aplicada al amplificador diferencial . Se incluyen dos fuentes de corriente compensadas en temperatura. Debido a que las geometrías de los transistores son las mismas, el es idéntico para por tratarse de un dispositivo monolítico; las corrientes a través de y son idénticas a la corriente establecida en la terminal 5.

En la figura 2.11 se presenta el diagrama del modulador basado en el . Las hojas de datos del fabricante proporciona la siguiente información:

53 Figura 2.11. Modulador de amplitud.

El resistor que limita la corriente en la terminal 5 (fuentes de corriente) es determinado por

El valor comercial de es .

Las corrientes que fluyen hacia las terminales y , son corrientes de base de los transistores y pueden ser despreciadas, si el divisor de voltaje formado por y es diseñado para una corriente mínima de . En las hojas de datos, se establece que el voltaje en la terminal es de .

En base a lo anterior, se propone . De esta manera, se tiene el voltaje de requerido en la terminal . La corriente que fluye por y es

Este valor es mayor a la corriente mínima que se requiere. Los elementos y establecen la impedancia de entrada de las terminales y . Por lo que se propone . La red formada por y se utiliza para poder ajustar el índice de modulación del circuito, aplicando un nivel de DC a las terminales 1 y 4. Se eligen los valores de

y , teniendo por consiguiente un mínimo consumo de corriente. Con

54

Los capacitores y se calculan de tal manera que presenten una reactancia menor de a la frecuencia de la portadora.

Por lo tanto, .

Preamplificador

La salida del modulador se conecta al amplificador de potencia diseñado en la sección uno. El voltaje máximo a la entrada del amplificador de potencia es . En las hojas de datos del se indica el voltaje máximo de salida . Para igualar estos niveles, se coloca un amplificador operacional con ganancia

La configuración del preamplificador se muestra en la figura 2.12.

Figura 2.12. Preamplificador para el MC1496.

Se utiliza la configuración de amplificador diferencial, ya que la salida del modulador se encuentra entre las terminales 6 y 12 , y así tener una salida con respecto a la referencia . Para este circuito, y . El voltaje de salida está determinado por

La ganancia diferencial se obtiene de

55

Como se requiere de 1.335, se propone y . Así,

La señal portadora necesaria para el funcionamiento del modulador se toma de la salida del preamplificador de la sección uno (senoidal con frecuencia de ), y la señal moduladora se obtiene de una fuente externa conectada a la terminal . En la figura 2.13 se indican las conexiones requeridas para el funcionamiento del modulador con preamplificador.

Figura 2.13. Conexión del modulador con preamplificador y la etapa de potencia.

En el modo normal de operación del generador, la salida de se conecta directamente a cuando los interruptores y se encuentran en la posición superior . Al pasar los dos interruptores a la posición inferior , se habilita el funcionamiento del modulador. En la figura 2.14 se presenta el diagrama completo de esta sección.

56

TERCERA SECCIÓN

La figura 2.15 muestra el diagrama a bloques donde se especifica las etapas que conforman esta sección.

Figura 2.15. Diagrama a bloques de la tercera sección.

Las características que debe cumplir esta sección son:  Frecuencia: .

 Voltaje de salida: .  Resistencia de salida: .

A continuación se procede con el diseño de cada una de las etapas de la figura 2.15.

Oscilador senoidal de 88-108 MHz

Para el diseño de esta etapa se propone un circuito oscilador Clapp con sintonía electrónica (VCO), ya que presenta una forma muy práctica de variación de frecuencia. El oscilador Clapp de la figura 2.16, es una variación del circuito oscilador Colpitts con el inductor de tanque sustituido por la combinación serie de y la capacitancia del diodo . La estabilidad de frecuencia se mejora, pues la reactancia de la rama varía más rápidamente con la frecuencia que la de un inductor único.

Falta L2

Figura 2.16. Oscilador Clapp.

Oscilador senoidal 88-108 MHz

57

La frecuencia de resonancia se determina por medio de la ecuación:

donde

La frecuencia de un oscilador Clapp usualmente no depende de la capacitancia interna del transistor. El diodo varactor empleado es el , ya que se utiliza en aplicaciones de sintonía electrónica en receptores de FM. En la tabla 2.4 se indican los valores de capacitancia en función del voltaje aplicado al diodo varactor .

3 28.20

5 20.50

7 15.65

9 12.06

Tabla 2.4. Valores de C en función de VR.

El resistor de aislamiento en serie sirve para aplicar el voltaje de sintonía del diodo varactor

. Debido a que la corriente de polarización es pequeña , el resistor puede llegar a ser hasta de sin ningún problema. Por lo tanto, se selecciona el valor de .

El transistor seleccionado para el oscilador , es el de Samsung Semiconductor, empleado en aplicaciones de VHF. Para la polarización se tiene y

para obtener e . evita que el voltaje presente en el divisor formado por y R35 se aplique a .Para determinar el valor de correspondiente a las frecuencias de 88 y 108 MHz, se utiliza la ecuación (2.25) con . Por lo tanto:

58

Los valores correspondientes de se obtienen de la ecuación (2.26). Se propone ,

Con los resultados anteriores y en base a la tabla 2.4, se requiere que el varicap sea polarizado con un voltaje de a . El circuito de polarización del diodo varicap se muestra en la figura 2.17.

Figura 2.17. Circuito de polarización para obtener el voltaje de sintonía.

El potenciómetro sirve para ajustar la frecuencia del oscilador, variando el voltaje de sintonía del diodo varactor. Para realizar esta función lo más adecuado posible consumiendo el mínimo de corriente, se selecciona un potenciómetro de .

El resistor se determina con la ecuación:

Se selecciona para un resistor de precisión de . De esta manera, se puede ajustar desde

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Amplificador

Para elevar el nivel de voltaje a la salida del oscilador, se requiere el uso de un amplificador capaz de operar adecuadamente en las frecuencias de . Para ello, se selecciona el circuito integrado monolítico para microondas de Mini-Circuits. La ganancia del

a la frecuencia de es de . La figura 2.18 muestra el diagrama eléctrico del amplificador.

Figura 2.18. Amplificador de voltaje con MAR-3.

La corriente de polarización del amplificador está dada por:

En las hojas de datos se indica, y . Para , el valor de se obtiene de la ecuación (2.30),

Por lo tanto, se selecciona .

El acoplamiento del amplificador se realiza por medio de los capacitores y . Al calcular el valor de estos elementos, el fabricante indica que . Se propone una reactancia de

y frecuencia de , resultando

De esta manera, .