CURSO DE ELECTRONICA LECCION 14º AMPLIFICADOR DE RF

14/ Diseño de un amplificador de RF

En lecciones anteriores armamos una radio a galena. Habrá observado que su funcionamiento no es precisamente óptimo. Ingresan pocas emisoras y con bajo nivel de señal. Es más que nada un juguete didáctico, pero tenga en cuenta que la humanidad no contaba con nada mejor en los comienzos de la radio mas o menos por el año 1920 y esos espantosos y enormes dispositivos eran la maravilla del publico que se pasaba horas pinchando en la galena para poder escuchar alguna emisora de la banda de onda media con unos auriculares telefónicos.
En el día de hoy una radio moderna se puede guardar en un bolsillo e inclusive hay modelos que caben en la misma oreja. Suelen poseer la banda de onda media, 5 bandas de OC (onda corta) y la banda de FM (ya le explicaremos a su debido tiempo que significan las siglas FM). Poseen un pequeño pero rendidor parlante y tienen salida para auriculares (de alta fidelidad). Se alimentan con 2 pilas tipo AA o con fuente externa.

Características de una radio moderna

En la Argentina y por solo 20 U$S se puede conseguir una radio marca WINCO de OM (OL), FM y 7 bandas de OC como la que se observa en la figura 1.
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Fig.1 Radio moderna con un bolígrafo para comparar tamaños

• Como se puede observar se trata de una radio con dial electrónico consistente en un frecuencímetro que mide la frecuencia de la emisora.
  
• El sistema de sintonía emplea un capacitor variable o tamden como el que ya conocemos pero en lugar de marcar la frecuencia de las emisoras en la perilla o colocar un dial mecánico, actualmente es mas económico diseñar un frecuencímetro, con un display de cuarzo liquido como el de los relojes. Con esto se tiene una gran ventaja; cuando la radio está apagada el display puede mostrar la hora. Y una vez que se diseñó un reloj es muy fácil hacer que la radio se apague o encienda a una hora determinada. Por esa razón se observan una gran cantidad de pulsadores tipo sapito alrededor del display.
  
• El volumen se sigue controlando con un potenciometro o en algunos modelos mas sofisticados con un atenuador electrónico comandado con un pulsador de vol- y otro de vol+. También existen radios en donde la sintonía es electrónica y muy similar a la de los TVs con sintonía automática de canales e idéntica a las de las autoradios.
  

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Nuestro curso básico de electrónica, en su primera parte está diseñado en base a explicar el funcionamiento y la reparación de este tipo de radio; esa es nuestra meta actual y ahora vamos a ir al punto de partida que es una radio con un solo transistor amplificador de RF (radio frecuencia) y un diodo detector. Para escuchar las señales seguiremos usando por ahora nuestros bafles para PC pero en el desarrollo teórico de los amplificadores a transistor analizaremos un amplificador de audio para audífonos.

Amplificador de banda ancha a transistor

Un transistor bipolar es un componente amplificador de tensión de corriente o de potencia. Se lo puede considerar como una caja negra (en la ciencia se utiliza este termino para indicar que no se analiza lo que esta adentro sino el efecto que causa en el exterior) con cuatro terminales, dos de entrada y dos de salida. En el transistor esa caja negra es un amplificador de corriente. Es decir que ponemos una pequeña señal de corriente en la entrada y obtenemos una gran señal de corriente en la salida.
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Fig.2 Cuadripolo transistor en emisor común
Como podemos observar la corriente de salida es igual a la corriente de entrada multiplicada por un factor característico del transistor llamado “ganancia de corriente” y que aquí representamos como “k”.
El transistor real no tiene cuatro patas sino tres llamadas base (B), emisor (E) y colector (C) y tiene tres disposiciones de conexión llamadas: de emisor común; de colector común y de base común. El electrodo común es aquel que forma parte de la entrada y la salida y que puede ser el terminal de masa. La disposición amplificadora de tensión es la de emisor común y es la que mostramos en la figura.
A continuación veremos como es que un dispositivo amplificador de corriente por naturaleza se transforma en un amplificador de tensión similar a una válvula triodo. En la figura 3 se puede observar el circuito de polarización de un transistor del tipo NPN cuya representación gráfica se caracteriza por tener la flecha correspondiente al emisor (electrodo común) dirigida hacia fuera. La raya vertical corresponde a la base (electrodo de entrada) y la raya oblicua sin flecha (terminal de salida) al colector.
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Fig.3 Polarización de un amplificador NPN en disposición emisor común
El transistor tiene dos junturas diódicas. La de base emisor y la de base colector. Cuando el transistor está polarizado como para amplificar la barrera base emisor debe estar suavemente en directa y la de base colector en inversa. Observemos que en nuestro circuito con un transistor NPN se cumple esta premisa porque el divisor R4/R3 genera una tensión de 1,2 V positivos aproximadamente, estando el emisor conectado a masa a través de R1.
La polarización de un transistor es sensible a la temperatura porque las barreras varían por un principio de física a razón de -2,5 mV/ºC. En nuestro circuito, el divisor de base fija la tensión de base y por lo tanto es la tensión de emisor la que varía en función de la temperatura. Para que esa variación sea porcentualmente pequeña se debe generar una tensión de emisor del orden de una barrera tal como ocurre en nuestro circuito y la resistencia de base a masa no debe ser mayor a 100 veces la resistencia de emisor. Todo esto puede demostrarse matemáticamente pero nosotros nos conformaremos con tomarlo como una norma de diseño.
Analicemos la circulación de corrientes por el circuito. Toda la corriente que ingresa por el colector termina saliendo por el emisor con destino a masa. En el circuito vemos que se trata de una corriente de 5,51 mA. Por el resistor R4 circula una corriente que se divide en dos a llegar la unión de R3 con la base. Como el transistor tiene una relativamente elevada resistencia de base solo toma una corriente de 8,14 uA.
Esta corriente también llega al emisor y sale de el con destino a masa, sumando se a la corriente de colector. Es decir que en esta disposición se cumple que
Ie = Ib + Ic
en nuestro caso 5,52 mA
¿Cual es en este caso el factor de amplificación de corriente del transistor BC548C? Fácilmente se puede calcular como
Ic/Ib = 5,51 10-3 / 8,14 10-6 = 680
El transistor BC548 es por mucho el transistor NPN mas conocido de plaza y se lo fabrica en tres categorías diferenciables por su factor de amplificación de corriente o ß Los de mayor ß son los marcados con la letra C y los de menor ß con la letra A. En la figura 4 se pueden observar las tensiones de polarización reemplazando el transistor C por un A. Como se puede observar la tensión de colector solo se desplazó de 4,49V a 5,69V lo cual es perfectamente aceptable en un circuito con transistores. Si se desea una mayor estabilidad se debería dejar una tensión mayor sobre el emisor pero redunda en una perdida de tensión disponible de salida como veremos mas adelante. Lo mejor que se puede hacer si un transistor esta dividido por categorías de ß es comprar de la categoría intermedia B para toda la producción.
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Fig.4 Variación de la polarización al usar un transistor categoría A
Ya tenemos al transistor polarizado. Vamos a probarlo como amplificador y vamos a medir sus características como tal es decir su factor de amplificación y su respuesta en frecuencia (hasta que frecuencia máxima puede amplificar el transistor elegido).
Solo tenemos que agregar capacitores sobre la entrada y la salida que se encargue de transmitir la señal sin afectar la polarización tal como se observa en la figura 5.
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Fig.5 Prueba del amplificador a transistor NPN
Como se puede observar comenzamos probando el amplificador a una frecuencia típica de 1 KHz con 200 mV de pico de señal de entrada y se obtiene prácticamente una señal de salida de 2V con lo cual se puede decir que la ganancia de la etapa es igual a 10 veces.
¿Por qué elegimos una señal de entrada de 200 mV de pico? Porque el transistor no tiene una capacidad infinita para absorber señales de entrada. En efecto suponga que Ud. aplica 1 V de entrada; si la ganancia es de 10 veces la salida debería ser de 10 V de pico es decir de 20 V pico a pico. Pero si solo tenemos 10V de fuente no podemos sacar mas que ese valor de pico a pico y en realidad ni siquiera ese porque el emisor está a 1V y el colector solo podría tener una excursión de 9V. Por otro lado cuando se trata de sacar señales de colector que lleguen desde la tensión de emisor a la de fuente se corre el riesgo de distorsionar las señales. Por eso solo aplicamos una tensión de 400 mV pap o 200 mV de pico.
Nos imaginamos que el lector observó que la señal de entrada y la de salida están invertidas o desfasadas 180º. Esta es una característica del circuito con emisor común y se debe al modo que las corrientes se transforman en tensiones sobre los resistores de emisor y colector. La señal de entrada y la de emisor están evidentemente en fase porque la corriente de entrada circula por el diodo emisor base y genera directamente tensión sobre el emisor, salvo una caída de 600 mV debida a la barrera del diodo. Es decir
Ve = Vb – 0,6V
La corriente de colector aumenta cuando aumenta la corriente de base. Pero el resistor de colector esta colgado de la fuente y su caída de tensión se resta de la misma. Es decir
Vc = VCC – VR2
Esto significa que mayor corriente de colector se produce una menor tensión de colector. De allí proviene la inversión de fase.
Nosotros elegimos una señal de 1 KHz para hacer la prueba, pero hasta que frecuencia puede amplificar nuestro circuito. Probemos con 10KHz, 100 KHz, etc hasta que veamos que la señal de colector comienza a achicarse.
En la práctica observamos que recién a los 40 MHz se comienza a observar una caída en la tensión de salida. El BC548 es un transistor de propósitos generales que tiene un ancho de banda de unos 50 MHz.
En nuestro receptor solo necesitamos que amplifique menos de 2 MHz lo cual significa que es perfectamente apto para la función elegida. En realidad no se requiere hacer ninguna prueba por tanteo para encontrar la frecuencia de corte. En el laboratorio real se utiliza un instrumento llamado barredor, que permite determinar la respuesta a frecuencia en forma directa ya que es un generador de señal que varía rápidamente de una frecuencia mínima a una máxima. El WB tiene un instrumento similar llamado medidor de bode, que nosotros ya conocemos y cuya aplicación se observa en la figura 6.
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Fig.6 Medición con el generador de bode
¿De que depende la ganancia de nuestro amplificador?. Observe que si dividimos la resistencia de colector por la de emisor obtenemos justamente una relación de 10 veces. Esto no es casual; como la corriente de base es despreciable comparada con la de colector, podemos decir que la corriente de colector y la de emisor son iguales y por lo tanto la caída de tensión en la resistencia de emisor y en la de colector son proporcionales a sus valores resistivos. Ahora solo falta decir que la señal sobre el resistor de emisor es aproximadamente igual a la de base para asegurar que la ganancia es igual a la relación entre la resistencia de colector y la de emisor. O aproximadamente igual, porque en realidad existe una resistencia intrínseca de emisor que queda conectada en serie con la física y que reduce levemente la ganancia.
¿Esto significa que se puede colocar un capacitor en paralelo con el resistor de emisor para aumentar la ganancia al máximo sin variar la polarización?. Se puede y es lo que hicimos en la figura 14.3.6, observando que ahora para obtener la misma señal de salida podemos bajar la tensión de entrada hasta 10 mV de pico es decir que la ganancia máxima que podemos obtener con un resistor de 1Kohms en colector es de 1,3V/10 10-3 = 0,13 1000 = 130 veces que no es una cifra enormemente grande.
¿Se sigue cumpliendo lo que antes dijimos con respecto a que la ganancia es igual a la resistencia de colector dividido la resistencia de emisor? Si pero debemos considerar que la resistencia de emisor no es solamente la que nosotros ponemos exteriormente sino que se le debe sumar la resistencia intrínseca de emisor (interna al mismo). Cuando colocamos un capacitor sobre la resistencia de emisor solo queda activa la resistencia intrínseca para el calculo de la ganancia. Una formula mas completa para calcular la ganancia sería
A = Rc / Re + Rie
cuando Re tiene un capacitor grande en paralelo Re se anula y
A = Rc / Rie
En nuestro caso en que el laboratorio virtual nos indica que la ganancia es de 130 veces podemos calcular la resistencia intrínseca de emisor como:
Rie = Rc/A
en nuestro caso
1K / 130 = 8 Ohms
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Fig.7 Etapa con emisor a masa para la alterna
Esta solución tiene un grave problema: la respuesta en frecuencia. En efecto utilizando el analizador de Bode observamos que ahora la frecuencia máxima es de alrededor de 20 MHz y que también existe un perdida de bajos que solo se puede compensar aumentando aun mas el valor de C3.
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Fig.8 Respuesta en frecuencia con emisor a masa

Radio con un transistor

El amplificador visto hasta ahora ¿se puede usar en nuestra radio a galena?: Se puede, pero también se puede hacer una amplificador sintonizado que puede tener una ganancia muy superior a las 130 veces.
¿Y que es un amplificador sintonizado? El amplificador a transistor NPN con disposición a emisor común amplifica una banda de CC hasta la máxima frecuencia que pueda amplificar el transistor elegido. Mas allá las capacidades interelectrodicas parásitas que se generan al fabricarlo, hacen imposible la amplificación o por lo menos la reducen.
Al mismo tiempo en la electrónica existe un flagelo común a todos los circuitos que es el ruido térmico. Sintonice una radio entre dos emisoras y escuchará un soplido o mejor aun un ruido a granalla o a fritura muy intenso. Es el ruido radioeléctrico captado por la antena y amplificado por la radio. El ruido no se puede evitar; se debe a que la corriente eléctrica recorre los circuitos por caminos que siempre difieren levemente uno del otro porque deben ir saltando de átomo en átomo y esto implica que la resistencia de un dispositivo es en realidad un valor central con una variación aleatoria debida al ruido térmico. Pero el ruido térmico contiene a todas las frecuencias del espectro. Si un amplificador tiene un ancho de banda mayor que el que realmente necesita está generando mas ruido que el debido y requiere un acotamiento de la banda de frecuencias amplificadas.
Nuestro problema es recibir una emisora de radio modulada en AM que tiene un ancho de banda de 10 KHz otorgado por la secretaría de comunicaciones. Como al modular se producen dos bandas laterales, una a cada lado de la portadora separadas por la frecuencia de modulación, esto significa que una emisora de la banda de onda media (OM) solo puede transmitir hasta 5 KHz de modulación.
La idea es fabricar un amplificador que tenga un ancho de banda de 10 KHz; que solo amplifique la emisora deseada y rechace las otras y que puede cambiar su frecuencia central de modo de cubrir toda la banda de OM mediante el ajuste por un capacitor variable en tamden. En la figura 9 se puede observar el circuito correspondiente.
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Fig.9 Circuito básico de un amplificador de RF a transistor NPN
Observe que para empezar la polarización de base la estamos realizando con el mismo generador de funciones ya que el mismo permite generar una señal alterna superpuesta a una continua. Por eso ajustamos la continua a 1,2V para que aparezcan 0,6V aproximadamente en el emisor. Como la bobina tiene baja resistencia, prácticamente no se produce caída de tensión sobre ella y en el colector se pueden medir los 10V de fuente. Curiosamente la tensión de colector puede superar la tensión de fuente debido a los efectos reactivos de la bobina y el capacitor y la disponibilidad de tensión de salida, puede llegar a ser el doble de la tensión de fuente. Es decir que teóricamente es posible que la salida sea de 20V pap con 10 V de fuente. Por supuesto estos valores solo se podrían obtener en las cercanía de una planta transmisora.
Por el momento no vamos a analizar el circuito de base que es donde ubicaríamos el cable de antena. Vamos a comenzar analizando el circuito de colector con todo detenimiento. Es obvio que se trata de un circuito sintonizado paralelo o “circuito tapón” ya que a la frecuencia de resonancia no deja pasar señales. Si no fuera por las perdidas de la bobina y la resistencia de salida del colector que lo excita, sería una resistencia infinita a la frecuencia de resonancia porque la componente inductiva se anula con la componente capacitiva.
Ya sabemos que la ganancia de un amplificador es el cociente entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor (si la tuviera). En nuestro caso la resistencia de emisor esta cortocicuitada por C2 así que solo vale la resistencia intrínseca de emisor. Como ya sabemos que la resistencia intrínseca de emisor es de 8 Ohms la ganancia sería
A = α / 8 = α 
es decir infinito. En la práctica todo depende del Q de la bobina y de la resistencia de salida del transistor. En la figura 10 se pueden observar los instrumentos que nos permitirán realizar las mediciones el circuito.
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Fig.10 Amplificador de RF con el instrumental conectado
Observe que conectamos un medidor de Bode para obtener la respuesta en frecuencia del amplificador. Al correr la simulación, de inmediato aparece un pico de ganancia. Moviendo el cursor rojo observamos que ese pico estaba en unos 600 KHz, cuando el tanden estaba ajustado a mitad de recorrido. Como la bobina es ajustable la modificamos para obtener un pico de resonancia en 1 MHz que se puede considerar como el centro de la banda de OM.
El graficador de bode puede presentar directamente la ganancia del circuito, en tanto predispongamos las escalas horizontal y vertical en “Lin.” ya que por defecto aparecen en “Log.”, Debajo del grafico podemos leer que a la frecuencia de 1,002 MHz la ganancia es de 1.141 veces.

Apéndice
Función de la radio

Hhoy en día debería explicarlo porque puedo tener lectores (los mas jóvenes) que nunca en su vida escucharon radio. En efecto en el momento actual si una persona quiere escuchar música portátil en alta fidelidad recurre a un reproductor de MP3.
Para los oyentes de MP3 le avisamos que las radios difunden música mezclada con propagandas y noticias que lo mantiene enterado de lo que pasa en el mundo. Pero esa no es la única utilidad. Una radio sirve para orientarse en el mar o en un bosque porque la antena de OM es direccional y como en la actualidad vienen equipadas con un display que marca la frecuencia de la emisora sintonizada, si uno conoce su posición la puede utilizar como un radio faro orientándola a mínima señal. Luego de acuerdo al nivel de señal captada puede tener una idea aproximada de la distancia a la emisora.

¿Y las ondas cortas para que sirven?

Para lo mismo que las ondas medias; allí se pueden recibir emisoras lejanas que rebotan en la ionosfera que rodea la tierra y llegan a cualquier lugar de la misma incluyendo aquellos lugares en donde no llegan las emisoras de OM. En realidad no es probable que existen tales lugares; con una radio que tenga una antena de ferrite de 30 cm se puede escuchar OM en cualquier lugar pero las radios actuales pueden medir 10 cm y el alcance en OM es bastante deficiente.
Las emisoras de FM sirven para recibir música estereofónica en alta fidelidad y para apreciar la cercanía a una emisora ya que solo poseen alcance visual es decir unos 100 Kms. Las emisoras tienen obligación de identificarse por lo menos una ves por hora indicando el nombre la frecuencia y la ciudad desde donde emiten o repiten la señal.[/size]