DR 22/12/2011 - Clase 27 - Final de clases

Este cuadrimestre de otoño he cursado la asignatura optativa de diseño de radiorreceptores. Para mi ha sido una asignatura que me ha mostrado que la carrera de telecomunicaciones no es algo metafísico, si no que con los conocimientos que tengo puedo entender multitud de fenómenos y realizar proyectos que se fundamenten en lo que se. El hecho de que fuese una asignatura de laboratorio ha sido lo mejor. Veíamos algo teórico y unas clases después estábamos montando y probando lo que habíamos estudiado. Esta componente práctica consigue acercarte a la realidad y aportarte un nuevo punto de vista a lo que se ha mostrado de manera teórica.

La asignatura me ha gustado mucho. No solamente he ampliado mi campo de conocimientos si no que he tenido la oportunidad de revisar y ampliar conceptos que ya sabia. (por ejemplo la parte de transistores me ha quedado muy clara). Valoro mucho la parte práctica que he adquirido, ya que hemos nos hemos enfrentado a problemas reales y no teóricos y la experiencia que se gana en la manera de hacer y ver las cosas es diferente. Me ha sorprendido la de problemas que hay que resolver cuando tenemos que pasar del papel a la realidad. Es realmente difícil conseguir que algo funcione correctamente a partir de un modelo teórico, así pues valoro mucho la práctica que he adquirido.

Por último, acabo esta entrada final agradeciendo al profesor de la asignatura su trabajo por llevar a cabo esta optativa.

DR 20/12/2011 - Clase 26 - Seguimos con el receptor

En la última clase vimos la estructura del receptor que queríamos realizar, es la siguiente:

Durante el curso hemos dado muchas ideas para diseñar filtros paso banda. Así, hoy vamos a centrarnos en cómo construir el circuito multiplicador.

En primer lugar, hay que decir que no realizaremos un circuito multiplicador puro, es decir, un circuito capaz de multiplicar dos tensiones arbitrarias, nos centraremos en un caso particular: una de las dos tensiones debe ser sinusoidal. Así pues, si una de la dos tensiones es sinusoidal nuestro bloque produce un desplazamiento espectral de la siguiente manera:

 

Para construir nuestro bloque multiplicador vamos a reducir el problema de la siguiente manera: Supongamos que tenemos un sistema como el que se muestra a continuación:

La salida de este bloque conmuta entre las dos ramas de manera periódica. Por tanto V0 va alternando entre Vin y -Vin. Así pues, podemos modelar la salida como Vin multiplicada por una tensión cuadrada que bascula entre 1 y -1. La tensión cuadrada admite un desarrollo en serie de Fourier, entonces podemos ver la salida como la multiplicación de Vin por un conjunto de sinusoides cuya frecuencia son los armónicos de una tensión cuadrada simétrica.

Si a continuación de este bloque conectamos un filtro paso-banda podremos obtener Vin multiplicado por el armónico que nos haga falta. Para implementar el circuito podemos usar un amplificador operacional de la siguiente manera:

El transistor alterna entre el estado de corte y saturación de tal manera que se convierte en un circuito abierto cuando la tensión que le inyectamos es de 0 volts y un corto circuito para -Vx. El A.O. responderá de manera diferente según el comportamiento de FET. Si este es un circuito cerrado se comporta como un amplificador inversor proporcionando -Vin a la salida, si por el contrario el FET es un circuito abierto a la salida del A.O. tenemos Vin. A continuación colocamos un filtro de selección.

Podemos darle otras aplicaciones a este circuito como por ejemplo diseñar un modulador de doble banda lateral (DBL). El diseño es el siguiente:

A continuación hemos visto un bloque comercial que sirve para construir multiplicadores: el NE602 (multiplicador de Gilbert). El bloque tiene la siguiente estructura:

El circuito realiza la siguiente operación:

El interesante señalar que en la entrada VOL hay un transistor configurado en modo seguido de tensión por si queremos construir directamente junto con el circuito impreso el oscilador. A continuación se muestra una aplicación de es bloque.

Podemos realizar un receptor con es bloque multiplicador de la siguiente manera:

Usamos una antena receptor igual a la que usamos para el receptor AM. Inyectamos en la primera entrada la tensión que estamos capturando con ella. En la entrada VOL configuramos un oscilador a 27Mhz + 10Khz de tal manera que a la salida tendremos una tensión a 10 Khz y otra a 2*27Mhz + 10Khz. Así pues, si filtramos la componente de alta frecuencia tenemos la señal desplazada a 10Khz, y podríamos escuchar o un tono a esta frecuencia o nada debido a que el emisor transmite en ASK.

Después de esto hemos pasado al laboratorio y hemos visto el receptor funcionando. A un lado de aula teníamos el emisor a 27Mhz y en otra parte teníamos el receptor ya montado. El receptor ha sido construido siguiendo la idea expuesta al inicio de esta entrada, usando el diseño heterodino y finalizando con un LED. Cuando hemos puesto en marcha emisor y receptor hemos visto que los LEDs del emisor y receptor se iluminaban de manera síncrona. Es decir, habíamos sido capaces de crear un radioenlace entre dos puntos sin usar cables. La verdad muy impresionante.

DR 15/12/2011 - Clase 25 - Receptor a 27Mhz

En las últimas clases veremos el planteamiento básico de como construir un receptor que capte la radiación que emitíamos con el emisor que construimos y que ilumine un LED de manera síncrona con el que teníamos en el receptor.

En primer lugar, empezamos viendo como afecta el ruido a nuestro receptor. Cuando tenemos que transmitir información a larga distancia la señal que emitimos es atenuada y contaminada por ruido. Debemos establecer un criterio sobre que relación señal a ruido mínima queremos a la entrada de un receptor. Este criterio influirá sobre la mínima señal que queremos captar, sobre la potencia con la que transmitimos, la distancia a la que podemos llegar a recibir una emisión y la calidad de la señal que recibimos. 

En general, para asegurar una buena calidad en la señal se toma como referencia tener una relación señal a ruido de unos 15dB, aunque es posible recibir una señal con una SNR menor. Hasta con una relación de 7dB es possible entender la voz humana. 

El ruido que afecta a nuestro receptor proviene del entorno y del que generan los componentes eléctricos. Estudiemos primero el ruido que proviene de una resistencia:

La potencia de ruido es:

• Pn = KTRB, donde K es la constante de Boltzman, B el ancho de banda con el que estemos trabajando y la temperatura expresada en Kelvins.
• Si igualamos la potencia con la expresión V²/R podemos encontrar la tensión del ruido.

De la misma manera podemos aplicar esto a un bloque electrónico definiendo suponiendo que TR es la temperatura equivalente de el receptor. En general, TR suele ser la temperatura ambiente, unos 300K.

Con las antenas surge el mismo efecto pero en este caso el ruido que captan viene producido por el entorno, el sol, la estación del año etc. Además no afecta por igual a todas la frecuencias. Para unos 27Mhz tenemos:

• Pn = KTAB  donde TA es la temperatura equivalente de la antenna
• Para 27 Mhz la temperatura de la antena es de TA = 300.000 Kelvins

Si tenemos un sistema compuesto por una antena y un sistema receptor Como el siguiente:

La temperatura del sistema receptor es baja, como hemos dicho antes de unos 300K, frente a la temperatura de la antena es despreciable. Así pues podemos expresar la relación señal a ruido en este sistema como:

• SNR = Ps/KTAB donde Ps es la potencia recibida.
• Si ahora expresamos este resultado en escala logarítmica tenemos el siguiente resultado:

Queremos diseñar un receptor que reciba nuestra señal modulada en ASK i ilumine un LED de manera síncrona con el que tenemos en el emisor. Para ello podríamos plantearnos el siguiente diseño:

Hagamos números:

• Con un receptor operando a 27 Mhz un ancho de banda de 1Khz y una resistencia de entrada de 1K5 si queremos una una SNR de 20dB la mínima señal que debemos detectar son Vin = 24.4 microvolts eficaces.

Así pues, con este resultado podemos determinar que la amplificación del filtro debe ser de 8694. Este resultado es alarmante. Es muy difícil, por no decir prácticamente imposible conseguir un filtro de estas características además de trabajar a 27Mhz y tener un ancho de banda de 1Khz. Debemos cambiar de estrategia la hora de construir nuestro receptor.

Vamos a introducir la estructura de receptor heterodino. Este diseño tiene el siguiente aspecto:

El funcionamiento es el siguiente: El primer bloque es un multiplicador. Este bloque multiplica la entrada por una sinusoide de frecuencia FOL de tal manera que desplaza espectralmente la señal recibida a FOL + FI y FOL - FI. Así pues, podemos trabajar con la señal desplazada a una frecuencia central más baja donde será más fácil construir filtros y amplificadores.  Además ahora al tener dos bloque la ganancia que habíamos calculado antes puede repartirse lo que disminuye de manera cuadrática la ganancia que tendrán los dos bloques. El filtro conectado a continuación estará situado a una frecuencia fija. Es en esta frecuencia donde intentaremos que caiga nuestra señal de entrada para poderla procesarla. Es más podemos construir un oscilador variable con el que podamos sintonizar la frecuencia que queramos.

En telecomunicaciones, heterodinar significa generar una frecuencia a partir de la mezcla de otras dos. Es decir, dos señales con frecuencias definidas se mezclan y generan una resultante que luego es procesada de manera adecuada. De ahí que se le llame receptor heterodino.

Por último, tenemos que tener en cuenta un pequeño inconveniente de este receptor: el problema de las frecuencias imagen. Debido a la simetría del espectro electromagnético es posible que dos frecuencias distintas produzcan la misma frecuencia imagen. Por ejemplo, si la señal deseada es 100.0 MHz, y la frecuencia intermedia es 10.7 MHz, el oscilador local puede sintonizarse a 110.7 MHz, generando la señal suma (210.7 MHz) y la resta (10.7 MHz). Sin embargo, una señal de entrada que esté a 121.4 MHz generará también una señal suma (232.1 MHz) y una señal diferencia (10.7 MHz). Para solventar esto puede usarse un filtro paso banda justo a la entrada del receptor, antes del bloque multiplicador. Aunque la mejor manera de solucionar este problema es no permitir la transmisión en bandas las bandas del espectro electromagnético que puedan afectar.

Como diseño final para nuestro perceptor podemos plantear la siguiente estructura para nuestro receptor:

DR 13/12/2011 - Clase 24 - Montando el emisor

En la última clase finalizamos el diseño de nuestro emisor. En esta clase hemos pasado directamente al laboratorio y hemos montado el emisor.

En primer lugar hemos montado el oscilador y hemos comprobado con el analizador de espectro. Efectivamente el oscilador provee una raya espectral a  27Mhz de potencia 13 dBm. Además nos proporciona rayas espectrales a los múltiplos naturales de esta frecuencia pero con menor potencia. La diferencia con el primer múltiplo supera los 27 dB por tanto podemos considerar despreciable la aportación de sus harmónicos a la respuesta del oscilador.

Después hemos completado el emisor añadiendo el circuito integrado 555 para interrumpir periódicamente la señal. De esta manera enviamos durante un segundo un 1 y durante otro un 0 usando la modulación digital ASK. A todo ello hemos conectado a la salida de nuestro emisor un monopolo de λ/4 para poder radiar la información que estamos generando.

Después del montaje ha venido la parte de fuerte de hoy. Hemos usado un receptor universal para recibir la señal que estábamos generando. Hemos configurado el receptor de tal manera que la señal que captase la multiplicase por 27Mhz + 1Khz de tal manera que pudiésemos escuchar un tono de 1K interrumpido periódicamente. 

Montar el emisor y comprobar que funcionaba ha sido una gran experiencia para mi. Al empezar el curso habíamos hablado de como conectar dos puntos sin cables usando ondas electromagnéticas. Hoy hemos conseguido crear un enlace usando un emisor creado por nosotros y un receptor universal. Prácticas como las de hoy te demuestran que esta carrera no es un cuento chino y que es posible poner en práctica lo que he aprendido en otras asignaturas

DR 01/12/2011 - Clase 23 - Acabando el oscilador

En la última clase vimos como dotar a nuestro oscilador de un cristal de cuarzo para conseguir un diseño robusto que no dependa del ajuste de un componente como un condensador variable y que produzca una oscilación a 27Mhz de manera muy exacta. Hoy vamos a ver nuevos diseños para construir osciladores y a finalizar el diseño de nuestra radio-baliza emisora.

Empezamos viendo un nuevo circuito, es el siguiente:

Analizamos el circuito para comprobar que se puede comportar como un oscilador, es decir, miramos que se cumplan las condiciones de que exista una frecuencia a la que no hay desfase y la amplificación es la unidad. Si consideramos que R2 -> ∞ entonces los resultados son:

•  f = 1/(2*π)*sqrt(1/L*(C1*C2/C1+C2))
• gm*R1 > C2/C1

Una implementación del siguiente circuito puede ser la siguiente: Primero de todo cerramos el lazo y sustituimos la fuente de corriente controlada y R1 por su equivalente de Thevenin de la siguiente manera:

Ahora podemos construir el circuito de la siguiente manera:

En primer lugar como ya vimos en la clase anterior podemos usar el cristal de cuarzo en modo inductivo en vez de una bobina con un determinado valor de L fijado por el circuito. Para crea la fuente de tensión controlada podemos usar una puerta lógica NAND con una resistencia conectada entrada y la salida. Si conectamos las dos entradas de la puerta a una misma tensión tenemos un inversor. Si además, conectamos una resistencia grande entre la entrada y la salida estamos forzando que Vx ~ Vy y que entonces esta puerta trabaje en el punto medio de la curva de un inversor.

Para la inductancia usamos un cristal en modo inductivo y ajustamos los condensadores para que se pueda producir la oscilación acorde con la ganancia que tendrá nuestro inversor

Este diseño que acabamos de ver se puede encontrar en múltiples circuitos, es una estructura muy popular Nuestro diseño final también se basará en la estructura que hemos analizado primeramente para ver que podía oscilar, pero realizaremos el circuito de manera diferente al mostrado anteriormente. Partimos otra vez de la siguiente estructura:

Primero de todo empezaremos diseñando la fuente de corriente controlada usando un transistor bipolar. Esta vez usaremos una nueva estrategia de polarización: polarizaremos el transistor de manera independiente de su β. El diseño es el siguiente:

En primer lugar queremos que por las resistencia RB1 y RB2 circule una corriente "alta" de tal manera que podamos despreciar la corriente que circula por la base del transistor. Así pues, podemos calcular la tensión de base como un divisor tensión entre RB1 y RB2. Como el transistor cuando trabaja en zona activa presenta una pequeña tensión umbral, Vγ entre base-emisor la tensión de emisor será VE ~ VB - Vγ y por tanto la corriente de emisor es IE ~ VE/RE i como la corriente de colector es prácticamente la de emisro tenemos que Ic ~ VE/RE y podemos fijar el valor de RC que necesitemos para la tensión de colector que deseemos. Por tanto las condiciones de diseño quedan como:

• VB = (RB2/(RB1 + RB2))*VCC
• VE = VB - Vγ, Ic = VE/RE

A continuación de la fuente de corriente controlada tenemos R1 y C1 en paralelo. Para ello usaremos un circuito tanque. Un circuito tanque que trabaje a una frecuencia muy superior a la de su pico de resonancia se comporta como un condensaor y resistencia en paralelo. Con esto conseguimos el bloque de deseábamos y además que no se produzca respuesta por parte del circuito a frecuencias alejadas del pico ya que este bloque no se comportará como resistencia y condensador en paralelo. Para la inductancia usaremos un cristal en modo inductivo que trabajará al valor que necesite el circuito entorno a 27Mhz más unos pocos hercios. Para finalizar, la resistencia R2 en paralelo con C2 nos las proporcionará el transistor: R2 será la resistencia de entrada al transistor Rπ y el condensador C2 sera la capacidad que presenta el transistor entre base y emisor.

• La resistencia de entrada es: R2 ~ (RB1//RB2)//Rπ 
• C2 ~ CBE

El diseño final del circuito queda de la siguiente manera:

Para conocer la salida de nuestro oscilador haremos una toma intermedia en la bobina de circuito tanque que hemos conectado en el colector y hace la función de R1 en paralelo con C1. Es importante destacar otro hecho de este oscilador: si pasamos al modelo incremental el condensador del colector se comporta como un circuito abierto y la bobina como un cortocircuito por tanto la tensión del colector es VCC. Así pues, tenemos un rango dinámico entre 0 y 2VCC.


Ya tenemos construido nuestro oscilador capaz de oscilar a 27Mhz proporcionándonos una oscilación exacta y robusta ya que no dependemos de ajustar manualmente ningún componente del circuito. Ahora con este oscilador queremos queremos interrumpir la oscilación periódicamente de manera que estemos transmitiendo una señal modulada en ASK que transmite la información 101010.  Queremos montar el siguiente circuito:

Para crear el interruptor eléctrico usaremos un circuito 555 que genere una tensión cuadrada entre VCC y 0 de periodo 2 segundo, es decir, que durante 1 segundo enviaremos un 1 y durante otro segundo enviaremos un 0. Inyectaremos la tensión cambiante en el emisor de transistor de tal manera que lo haremos variar entre la zona de corte y la zona activa.

A todo ello añadimos un LED en paralelo para monitorizar si estamos enviando un 0 o un 1. El circuito final es el siguiente:

En la siguiente clase pasaremos al laboratorio para montar este emisor a 27 Mhz.

DR 29/11/2011 - Clase 22 - Cristales de cuarzo

En esta clase vamos a introducir los cristales de cuarzo y a incorporarlos a nuestro oscilador. De esta manera conseguiremos que nuestro circuito trabaje exactamente a 27Mhz si necesidad de ajustar el condensador variable y simplificaremos el diseño. Conseguiremos un modelo mucho más robusto.

El cuarzo es un mineral del tipo oxido muy utilizado en electrónica por sus propiedades piezoeléctricas. Un material piezoeléctrico cumple la siguiente propiedad: cuando se comprime se produce una separación de cargas eléctricas que genera a su vez una diferencia de tensión y, de manera recíproca, reacciona mecánicamente cuando se somete a un cierto voltaje. Cuando aplicamos una diferencia de tensión sobre un cristal de cuarzo este se deforma y aparece una diferencia de tensión entre sus extremos, cuando dejamos de aplicar esta tensión  vibra y las cargas cambian de polaridad según se deforman. Es decir, los cristales de cuarzo responden con una oscilación amortiguada con caída muy lenta después de aplicar una tensión en sus extremos. La frecuencia de esta oscilación depende de la manera en que este tallado.

El modelo circuital de este elemento y su respuesta en frecuencia se puede modelar de la siguiente manera:

La representación de curva de respuesta en frecuencia es la siguiente:

Tenemos dos frecuencia relevantes que denominamos fs y fp. En general son frecuencia muy cercanas, separadas por unos poco hercios. Para valores menores que fs el circuito se comporta como un condensador, para valores entre fs y fp el circuito se comporta como un inductor. En fs la respuesta es un cortocircuito y en fp es un circuito abierto.

En otros la respuesta del cristal es ligeramente diferente y responde al siguiente modelo:

Las curvas se repiten en múltiplos de fs.

Los cristales que tienen un respuesta como la primera gráfica se denominan cristales que trabajan en modo fundamental, los segundos son cristales que trabajan en sobretono.

Visto esto, surge la primera idea de diseño para incorporar a nuestro emisor el cristal de cuarzo. Podemos para fs el cristal de cuarzo se comporta como un cortocircuito, por tanto podemos cerrar el lazo usando el un cristal de cuarzo que resuene a 27 Mhz y por tanto la oscilación se producirá solamente a 27Mhz o no se producirá.

Hemos pasado al laboratorio y hemos montado el siguiente diseño.

 Hemos comprobado con ayuda el analizador de espectro que cuando ajustábamos el condensador variable solo se producía oscilación a 27 Mhz. Es decir, a diferencia de otras clases en que si ajustábamos el condensador variable cambiaba la frecuencia de la raya espectral que visualizábamos, aquí si variamos el condensador vemos una raya espectral en 27 Mhz en para una determinada posición y solamente visualizamos ruido en cualquier otra posición.

Seguidamente hemos comentado otra idea de diseño que surge de las propiedades del cristal: usar el cristal en el oscilador de manera que este trabaje en modo inductivo. Sabemos que el cristal nos provee todos los valores de posibles de una inductancia para frecuencias entre la fs i la fp, como estos dos valores son muy cercanos, podemos rediseñar el circuito de la siguiente manera:

El cristal sustituye al inductor y tomará el valor de L que el circuito necesite para oscilar. Así pues, es possible prescindir de los dos condensadores ya que podremos conseguir exactamente la L que necesitamos sin ellos con el cristal. El cristal resonará y conseguirá que la oscilación se sitúe en 27Mhz más unos pocos hercios, prácticamente 27Mhz. De esta manera será posible conseguir una oscilación más exacta y menos crítica. Ya no es necesario ajustar un condensador. El oscilador es mucho más robusto. Es importante remarcar que para conseguir este funcionamiento hay que usar cristales de cuarzo que no trabajen en modo de sobre tono ya que entonces la oscilación podría producirse a otra frecuencia.

DR 24/11/2011 - Clase 21 - Osciladores controlados por tensión

En la última clase finalizamos el primer diseño de un oscilador capaz de dar una respuesta sinusoidal a 27Mhz. Lo montamos en el laboratorio y mediante el osciloscopio comprobamos que en la salida teníamos una tensión de frecuencia 27Mhz. En esta clase experimentaremos en base a este oscilador que hemos construido y diseñaremos un oscilador el cual su frecuencia se podrá ajustar por tensión.

Retomamos la clase donde la dejamos la última vez. Hemos construido el oscilador lo hemos probado y hemos visualizado su respuesta en el osciloscopio. Ahora queremos saber cuan pura es la senoide que tenemos a la salida de nuestro circuito. Es decir, cual es la potencia de los harmónicos de la señal que estamos generando. Es de especial importancia saber que nivel presentan las otras componentes frecuenciales para saber lo bueno que es nuestro oscilador y en que medida estamos afectando otras zonas del espectro electromagnético.

Para realizar esta tarea el osciloscopio no nos servirá, ya que necesitamos ver el espectro de la salida. Para ello introduciremos un nuevo instrumento que nos permitirá medir con precisión la componentes frecuenciales de una señal: el analizador de espectro.

El analizador de espectro (AE) es un instrumento que nos permite hacer medidas sobre las componentes frecuenciales de la señal que tenga a su entrada. El funcionamiento de este dispositivo se basa en lo siguiente: aplica un filtrado paso-banda dentro de un rango de frecuencias y nos representa la amplitud que se ha obtenido después de cada filtrado. Con esto podemos ver como es el espectro de la entrada.

El analizador realiza este procedimiento de la siguiente manera: a la entrada el AE se dispone de un oscilador controlado por tensión que se mueve periódicamente dentro de un rango fijo de frecuencias. A continuación se dispone de un filtro paso-banda fijo a una frecuencia determinada llamada frecuencia intermedia. Cuando entra una señal esta se multiplica por la senoide del oscilador y se desplaza su espectro en relación con la frecuencia de este bloque. Entonces actúa el filtrado paso banda y nos proporciona la amplitud a esa frecuencia. Como el primer oscilador esta controlado por tensión y se mueve periodicamente dentro de un rango fijo podemos ver el espectro de la entrada al AE.

En el laboratorio no disponemos de este aparto, pero si disponemos de un instrumento que nos proporciona una señal que periódica que nos indica la amplitud de las componentes frecuenciales de la señal y otra que que nos indica en que "posición" del espectro estaríamos. Es decir, si nos movemos dentro de un rango determinado 0 volts corresponde al punto de de mínima frecuencia y N volts corresponde a la máxima frecuencia. Si llevamos estas dos señales al osciloscopio en modo XY podemos ver el espectro de una señal determinada.

A continuación hemos visualizado el espectro de la senoide que nos proporcionaba nuestro oscilador. Hemos comprobado que aunque nosotros visualizábamos una sinusoide en el osciloscopio, la contaminación producida por los armónicos es importante. De hecho, llegamos a contaminar el espectro de FM con el cuarto armónico. No podemos permitirnos este hecho, debemos conseguir que la sinusoide generada sea más pura.

Antes de seguir avanzando en el diseño de un oscilador que produzca una respuesta más pura veremos como realizar un oscilador controlado por tensión. Es interesante ver como el AE hace uso de uno para moverse dentro de un rango fijo. Así pues, como ya sabemos diseñar osciladores estamos en condiciones de preguntarnos como es posible construir un oscilador controlado por tensión.

La idea para conseguir variar la frecuencia con una fuente de tensión es simple y brillante, para ello recurriremos a un simple componente como es un diodo. Si polarizamos un diodo en inversa tenemos un condensador el cual su capacidad se puede ajustar en función de la tensión que aplicamos en los terminales del diodo.

Añadimos a nuestro oscilador una nueva rama de la siguiente manera:

Entonces tenemos un oscilador controlado por tensión. Hemos probado este diseño en el laboratorio y hemos comprobado su correcto funcionamiento. En la siguiente clase seguiremos con nuestro oscilador y veremos como lo podemos ajustar de manera que la oscilación que produzca se más pura que la que tenemos ahora.

DR 22/11/2011 - Clase 20 - Osciladores de alta frecuencia

En la última clase vimos como construir un oscilador sinusoidal hecho con un amplificador operacional y un filtro paso banda. El A.O. tiene un gran limitación: su ancho de banda es muy limitado (aprox 30 Hz) y no nos sirve para conseguir una oscilación entorno a los 27 Mhz. Tenemos que encontrar un diseño que nos permita conseguir osciladores a más alta frecuencia. Hoy veremos un nuevo diseño sin limitaciones.

Empezaremos rediseñando la estructura de nuestro amplificador: en vez de usar un amplificador operacional usaremos un transistor: este dispositivo nos permite conseguir oscilaciones de hasta 1Ghz. Esta será la nueva estructura de nuestro oscilador:

Queremos que el transistor presente una resistencia de salida baja, para que el nodo se pueda considerar como una fuente de tensión ideal, y una resistencia de entrada alta para no perturbar la otra etapa del circuito. Además, queremos que la amplificación de esta etapa sea la unidad (queremos que sea un seguidor de tensión) y que sea el filtro paso-banda el que presente una amplificación mayor que la unidad en su pico (para que el circuito pueda arrancar solo).

Pasamos a estudiar el circuito para comprobar que la oscilación es posible, es decir, que se cumplen las condiciones de Barkhousen. Para ello deshacemos el lazo conectamos un generador de test y analizamos el circuito. Obtenemos los siguientes resultados:

Como conclusión obtenemos lo siguiente:

Como R0 es muy baja la condición de oscilación queda reducida a que 1+ C2/C1 sea mayor que la unidad.

Una vez tenemos caracterizado vamos a ver como podemos configurar un transistor en modo seguidor de tensión. Para ello consideramos la siguiente estructura:

Si analizamos el circuito obtenemos los siguientes parámetros:

• Resistencia de entrada: RB//(RE(β+1) + Rπ) ~ RB//(RE(β+1)
• Resistencia de salida: Rπ/(β+1) ~ 1/gm
• Amplificación: ((β+1)RE)/((β+1)RE + Rπ)

El modelo equivalente es el siguiente:

Polarizaremos el transistor de tal manera que la tensión de emisor sea Vcc/ 2 para aprovechar todo el rango dinámico y  la corriente de colector sean unos poco miliamperios. Así pues para determinar el valor de las resistencias tenemos las siguientes condiciones:

Si volvemos al circuito inicialmente propuesto, sustituimos el seguidor por nuestro nuevo modelo y añadimos una resistencia RL que modele la salida, tenemos el siguiente circuito:

Si volvemos a encontrar la condición de oscilación tenemos la siguiente inecuación:

Como RL no es grande conviene que gm sea elevado y C2/C1 no muy grande.

Para finalizar el diseño añadiremos en paralelo un condensador variable y adaptaremos la resistencia RL con un auto-transformador, por tanto el diseño final de nuestro oscilador será:

Ahora vamos a dar valores a los componentes del circuito:

1. Polarizaremos el transistor con Vcc = 15 volts y IC =  5mA. Usaremos un transistor BC238C con β ~ 400. Así pues la resistencia de base y emisor son:
• RE = 1.5K
• RB = 340K
2. La resistencia de entrada de amplificador será de 179K y la de salida 5.2Ω.
3. El condensador variable variará entre 10pF y 70 pF. Elegimos para C1 = 15pF i C2 = 55 pF. El valor medio de Cx ~ 42 pF y es donde queremos que el circuito produzca la oscilación
4. Para este valor de Cx necesitaremos una L = 847 nH. La podemos realizar  con N = 16, hilo de cobre de 0.8mm,  núcleo de aire de 1cm de diámetro i longitud de 3cm. (Q ~ 30 i Rs = 5Ω)
5. Podemos usar el inductor diseñado en el apartado anterior como bobina y auto-transformador. Para saber donde hemos de colocar la toma imponemos como condición que n²·50 = 1000 encontramos la relación de n y tenemos que debemos hacer la toma en 3 espiras.

Así pues el diseño final es el siguiente:

Visto esto hemos pasado al laboratorio, hemos montado el circuito y hemos visto en el osciloscopio que la salida de nuestro circuito es una sinusoide. Hemos ajustado el condensador variable para conseguir que su frecuencia sea de 27Mhz. Además hemos medido la potencia en la resistencia RL, hemos obtenido un valor de 3 mW.