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Amplificadores
Sintonizados
* Responsables:
- Oscar Gmez
- Juan Lobos
- Ricardo Mendez
*Profesor:
- Sr. Pedro Rey Clericus
Valdivia, Martes 21 de Septiembre del 2010
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Amplificadores sintonizados.
Los amplificadores sintonizados contienen circuitos resonantes en el circuito de
entrada, en el circuito de salida, o en ambos. Se usan para amplificar seales de banda
estrecha (es decir, seales cuyas componentes pertenecen a una estrecha banda de
frecuencias), mientras que rechazan las seales de las bandas de frecuencia adyacentes.Por ejemplo, los receptores de radio y televisin utilizan amplificadores
sintonizados para seleccionar una seal de entre las varias que llegan al receptor a travs dela antena.
En la imagen se muestra un amplificador sintonizado y el circuito equivalente en
pequea seal.
Suponemos que el condensador de acoplo de salida Cc es un cortocircuito para la
frecuencia de la seal. Obviamente, la funcin de Cc es evitar que la tensin continua de
polarizacin en el drenador de J1 llegue a la carga RL. La resistencia Rp mostrada en elcircuito equivalente representa las prdidas en la bobina. La bobina L, el condensadorCy
la asociacin en paralelo de RL, Rp y rd, forman un circuito resonante paralelo. Parasimplificar, comenzaremos nuestro anlisis despreciando las capacidades del dispositivo.
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La tensin de salida del amplificador es:
DondeZes la impedancia del circuito resonante paralelo. Sustituyendo Vgs=Vin,
tenemos que la ganancia de tensin es
Diseo de un amplificador sintonizado
Se debe disear un amplificador sintonizado con el JFET 2N5485. La frecuencia
central deber ser de 10 MHz, y el ancho de banda de 200 kHz. La tensin de la fuente de
alimentacin es 15DDV V=+ . Suponga que3
6.03 10m
g x S-= y 20,70dr = K .Desprecie
las capacidades parsitas del dispositivo en el diseo.
Calcule la ganancia para la frecuencia central del amplificador.
Desarrollo:
En primer lugar calculamos el factor de calidad total del circuito:
A continuacin, seleccionamos la bobina. Sabemos que los valores prcticos de
inductancia se encuentran entre 0,5 kH y 20 kH para una frecuencia de 10 MHz. Suponga
que seleccionamos una bobina de 1 kH, y que el factor de calidad de la bobina es
200bobina
Q = (ste es un valor tpico para una bobina de alta calidad).
Ahora despejamos la capacidad y sustituimos los valores:
La resistencia paralelo que representa las prdidas de la bobina es
De igual forma, la resistencia efectiva en paralelo del circuito sintonizado es
Se observa que la resistencia efectiva en paralelo es
DespejandoRL y sustituyendo valores, tenemos
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Para la frecuencia de resonancia, la impedancia del circuito es 3.142Z R K= = .
Calculamos la ganancia en resonancia y tenemos que:
El circuito completo se muestra en la Figura. Hemos seleccionado CcAC. Esto
garantiza que la impedancia del condensador de acoplo sea despreciable para la banda defrecuencias de inters.
Hemos simulado este circuito usando PSpice. Despus de ejecutar la simulacin,
hemos trazado la magnitud de la ganancia que se muestra a continuacin. El ancho de
banda y la ganancia para la frecuencia central cumplen las especificaciones del diseo. Sin
embargo, la frecuencia central es ligeramente ms baja.
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Esto se debe a las capacidades parsitas del dispositivo, que se han despreciado en
los clculos del diseo. Los resultados del anlisis del punto de trabajo dan como resultadolos siguientes valores para las capacidades parsitas del dispositivo:
Puesto que la tensin de entrada es pequea comparada con la de salida, el nodo dela puerta puede considerarse que est puesto a masa (aproximadamente). Por tanto, Cgd
est (aproximadamente) en paralelo con el condensador del circuito sintonizado. Debemos
reducirCpara compensar el efecto de la capacidad parsita del dispositivo. Si reducimos C
en 0,992 pF hasta un nuevo valor de 252,3 pF la simulacin de nuevo, comprobamos quela frecuencia de resonancia se acerca mucho ms al valor deseado. En la prctica,
posiblemente podramos usar una bobina o un condensador ajustable, de forma que el
circuito pudiera sintonizarse de forma precisa a la frecuencia de resonancia deseada.
Impedancia de Entrada
Un hecho interesante y potencialmente problemtico que afecta a los amplificadores
con circuitos de salida sintonizados es que la impedancia de entrada puede contener unaresistencia negativa.
La impedancia de entrada Zin del
dispositivo activo (o de cualquier otrocircuito lineal) puede representarse
mediante una asociacin en paralelo de la
resistencia Rip y de la reactancia Xip,
como se muestra en la Figura.Para obtener una grfica de la
resistenciaRip en funcin de la frecuencia
para el circuito usamos1/IR(VIN), que es simplemente la tensin de entrada dividida entrela parte real de la corriente (el signo menos es necesario debido al sentido de referencia de
la corriente). La parte real de la corriente fluye a travs de Rip, y la parte imaginaria a
travs de Xip. De igual forma, la reactancia se obtiene dibujando 1/II(VIN). Las grficasresultantes pueden verse en la Figura de ms adelante.
Observe que Rip es negativa para frecuencias inferiores a la de resonancia. Esta
resistencia de entrada negativa es consecuencia de la capacidad de realimentacin Cgddel
dispositivo activo. Debido al desplazamiento de fase del circuito resonante, el efecto Millerconvierte la impedancia puramente reactiva de Cgd en una impedancia compleja que
presenta una resistencia negativa.
Uno de los problemas asociados con esta resistencia negativa es que puede dar lugara la oscilacin (muy poco deseable) de un circuito que debiera ser un amplificador.
Por ejemplo, si el circuito de entrada es tambin un circuito resonante, es posible
que la resistencia paralelo neta del circuito de entrada sea negativa (las resistenciasnegativas pueden asociarse en serie o paralelo de la forma usual, con otras resistencias).
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Si la entrada del circuito resulta tener una resistencia equivalente negativa, los
transitorios del circuito contendrn trminos senoidales con crecimiento exponencial para lafrecuencia de resonancia. Esto hara que los circuitos se convirtieran en osciladores y
dejaran de ser tiles como amplificadores.
Observe tambin que la reactancia Xip cambia rpidamente en la proximidad de la
frecuencia de resonancia. Esto puede afectar al circuito de entrada, haciendo que la curva
de respuesta se desplace. Adems, la sintonizacin del circuito de entrada depende de lasintonizacin del circuito de salida. Esta interaccin de los puntos de sintonizacin hace
que el circuito sea difcil de ajustar.
Neutralizacin
Un mtodo para evitar la
realimentacin a travs de Cgdes usar
un circuito de neutralizacin paracancelar la realimentacin. Un ejemplo
de dicho circuito puede verse en la
Figura. En este circuito, se acopla una
segunda bobina con la inductancia delcircuito resonante. Suponiendo un
acoplamiento igual a la unidad y una
relacin de vueltas tambin igual a launidad, la tensin en la segunda bobina
es la inversa de lacomponente alterna
de la tensin drenador-fuente. Por tanto, si se conecta un condensadorCneut = Cgdentre elsecundario y la puerta, una corriente igual en magnitud (peroopuesta en fase) a la corriente
que fluye a travs de Cgd, fluir a travs de Cneut hasta lapuerta. De este modo, se cancela
(o neutraliza) la realimentacin a travs de Cgd.
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A veces no es conveniente usar una relacin de vueltas unitaria. A pesar de ello para
otras relaciones de vueltas puede tambin encontrarse un valor para Cneut de forma que secancele la realimentacin a travs de Cgd. Por ejemplo, si la relacin de vueltas es de dos a
uno, de modo que la tensin en la bobina de neutralizacin es vds/2, debe cumplirse que
Cneut = 2Cgdpara conseguir la cancelacin.
Configuraciones alternativas de amplificadores sintonizados
Hemos visto que la capacitancia de realimentacin puede neutralizarse para evitar
oscilaciones en los amplificadores sintonizados. Sin embargo, los circuitos de
neutralizacin son engorrosos, y tienen que ser ajustados para acomodarse a las diferencias
entre dispositivos. Un mtodo alternativo es usar una configuracin de circuito que poseauna capacidad de realimentacin prcticamente nula. Algunos circuitos tiles son el
amplificador en puerta comn (o en base comn), el circuito cascodo y el amplificador
diferencial.
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