UNIVERSIDAD DE LA HABANA - DSpace@UCLV

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

” Manual de Laboratorio Radioelectrónica I”

Autor: Yorgis García González

Tutor: Ing. Hiram Del Castillo Sabido

Santa Clara

2011

"Año del 53 Aniversario de la Revolución"

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

” Manual de Laboratorio Radioelectrónica I”

Autor: Yorgis García González

[email protected]

Tutor: Ing. Hiram Del Castillo Sabido

[email protected]

Santa Clara

2011

"Año del 53 Aniversario de la Revolución”

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en La Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad

de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea

utilizado por La Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial

como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización

de La Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un

trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Tutor Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

“El deber ha de cumplirse sencilla y naturalmente.”

José Martí

ii

DEDICATORIA

A mis padres, por ayudarme siempre en los momentos difíciles y permitir con sus

sacrificios el cumplimiento de este sueño.

A mi novia, Danay Alonso, por su amor, comprensión y ayuda.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres, porque ellos son todo en mi vida.

A toda mi familia que de una forma u otra han contribuido en este esfuerzo.

A mi amigo Yoenys por confiar siempre en mí y brindarme toda su ayuda

A mis compañeros de aula, pues junto a ellos encontré amigos para toda la vida.

A todas mis amistades que me apoyaron durante este importante período de mi

vida, a todos los que pusieron su fe en mí.

A mi tutor Hiram del Castillo Sabido, por su activa participación en este proyecto.

A los profesores, los cuales fueron el eslabón fundamental en mi formación

académica.

A todos mis compañeros de Copextel Jagüey Grande por brindarme todo su

apollo.

iv

TAREA TÉCNICA

Búsqueda bibliográfica sobre trabajos y formatos vinculados con el tema.

Propuesta de programa analítico de la asignatura atendiendo al sistema de

conocimientos y habilidades del plan D.

Propuesta de experimentos sobre la asignatura teniendo en cuenta las posibilidades

materiales de que se dispone en el laboratorio y asequibles a los estudiantes.

Trabajo con simuladores para vincular la actividad practica con el diseño teórico.

Confección del informe.

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

En el trabajo se aborda una propuesta de manual de laboratorios para la impartición de las

prácticas relacionadas con la asignatura de Radioelectrónica I. Se confeccionaron siete

prácticas que satisfacen el desarrollo de las habilidades que establece el programa analítico

del plan D. Para la elaboración del manual se tomo en consideración el equipamiento

disponible y elementos de circuitos que estuvieran al alcance de los estudiantes.

vi

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO .....................................................................................................................i

DEDICATORIA .....................................................................................................................ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv

RESUMEN ............................................................................................................................. v

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

Organización del informe.................................................................................................... 3

CAPÍTULO 1. Marco Teórico ............................................................................................. 5

CAPÍTULO 2. Manual de Practicas de Laboratorio de Radioelectronica I ...................... 10

2.1 Practica: Redes de Acoplamiento ......................................................................... 10

2.2 Practica: Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles ......................... 19

2.3 Practica: Amplificadores Sintonizados de Potencia de RF ................................... 27

2.4 Practica: Sintetizadores de Frecuencias ................................................................ 36

2.5 Practica: Modulación de Amplitud ....................................................................... 49

2.6 Practica: Modulación de FM ................................................................................. 59

2.7 Practica: Transmisor de FM .................................................................................. 69

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................................... 78

Conclusiones ..................................................................................................................... 78

vii

Recomendaciones.............................................................................................................. 79

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................. 80

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

El currículo de estudios en el proceso de formación de un ingeniero especializado en la

rama de las Telecomunicaciones y Electrónica le presta vital importancia al desarrollo de

las habilidades prácticas del graduado. En años inferiores al cuarto de la carrera, las

asignaturas, por su carácter básico no demandan de instrumentos y/o equipos

especializados con el objetivo de satisfacer las actividades de laboratorio que apoyan sus

contenidos teóricos, sin embargo ya en los años terminales, entiéndase cuarto y quinto

años, las características de los instrumentos es totalmente diferente, son mas caros y

costosos y apenas se pueden adquirir con un gran esfuerzo uno o dos de cada tipo. Con

grupos de estudiantes que sobrepasan el medio centenar, la impartición de experimentos de

laboratorio resulta una tarea extremadamente difícil.

A partir del próximo curso, el plan D de la carrera llega al cuarto año y las características

en cuanto al número de horas de las asignaturas sufren una reducción, dejando más tiempo

a la labor independiente del estudiante. Por otra parte se ofrecen asignaturas de carácter

electivas que son seleccionadas a voluntad por el estudiante. Uno de los aspectos más

vulnerables con los que nos enfrentamos son las actividades prácticas. Bajo esta

problemática se cuestiona la siguiente interrogante:

¿Qué actividades prácticas se ajustan de una forma más eficiente al cumplimiento de los

objetivos reflejados en el plan de estudios de la asignatura Radioelectrónica I y que al

mismo tiempo son factibles de ser instrumentados atendiendo a las condiciones en el

laboratorio del departamento?

INTRODUCCIÓN 2

Objetivo general:

Elaborar un plan de prácticas que reflejen los contenidos más importantes de

Radioelectrónica I atendiendo al contenido del plan de estudios.

Objetivos específicos:

1. Analizar la bibliografía en lo referente al marco teórico sobre las prácticas

experimentales en tiempo real que reflejen el contenido de la asignatura

Radioelectrónica I.

2. Seleccionar las variantes experimentales más idóneas para el apoyo del desarrollo

teórico práctico de los estudiantes en el campo de las altas frecuencias.

3. Diseñar un manual de prácticas que de forma sencilla y didáctica presente el

marco teórico-práctico de las actividades a desarrollar.

Para acometer la solución a esta problemática nos basamos en una experiencia práctica

puesta en ejecución durante el segundo semestre de este curso 2010-11, con un grupo de 63

estudiantes, que cursaron la asignatura Radioelectrónica I y que mantiene el 85% del

contenido de la que se impartirá en el primer semestre del próximo curso. La metodología

utilizada ya fue objeto de experimentación en las asignaturas de Electrónica Básica, pero

ahora de una forma más intensiva y siguió los siguientes pasos:

1. Imparticion de las conferencias teóricas que aborda cada tema de la asignatura.

2. Propuesta de un experimento de laboratorio a realizar por los estudiantes de manera

independiente, con un máximo de integrantes de tres por grupo. Esto de manera

voluntaria.

3. Incidencia en la evaluación de la asignatura a partir del resultado practico. Los

estudiantes debían montar el experimento, en la gran mayoría de las ocasiones por

medios propios y seguir un procedimiento en el laboratorio que le permitiera

comprobar experimentalmente los resultados.

4. Entrega de un informe final que refleje de manera concreta los resultados obtenidos

en los experimentos realizados, después de que el profesor realice la verificación

practica de los resultados, interactuando con cada uno de los integrantes del grupo.

INTRODUCCIÓN 3

5. Propuesta de un trabajo final que involucre todos los experimentos, en este caso se

sugirió el montaje de un transmisor de FM, con la prerrogativa de haber realizado

los experimentos orientados. En dependencia de los resultados se le otorgaría una

calificación final al estudiante teniendo en cuenta los resultados obtenidos en las

pruebas parciales.

Del grupo de 63 estudiantes 20 estudiantes obtuvieron su nota final antes de presentarse al

examen final de la asignatura y algunos de los trabajos realizados en el laboratorio pueden

ser calificados de excelentes por la manera ingeniosa en la que los estudiantes aplicaron los

conocimientos adquiridos en la asignatura y en las que le antecedieron, fundamentalmente

las Electrónicas Básicas. Hubo un gran estimulo por parte de los estudiantes en realizar los

experimentos orientados.

Como toda experiencia inicial hubo errores que se cometieron, el mas importante de todos

fue una insuficiencia de material didáctico que sirviera como guía a la realización de los

experimentos y dejara claro los objetivos que cada uno de ellos perseguía, los pasos de una

técnica operatoria lógica y el contenido que debía ser reflejado en los informes como parte

de los análisis de los resultados obtenidos.

El objetivo de este trabajo es precisamente presentar una guía de experimentos que apoyen

el desarrollo de habilidades prácticas de los contenidos de la asignatura Radioelectronica I

presentados en el plan D de la carrera.

Organización del informe

Tomando como referencia estos objetivos se estructuró el trabajo de la siguiente forma:

Introducción: Se abordan los antecedentes del trabajo y se presentan los principales

objetivos que se persiguen.

Capitulo I: A partir del sistema conocimientos y habilidades, equipamiento de laboratorio

y posibilidades materiales reales recogidas a partir de la primera experiencia los temas que

serán objeto de experimentos de laboratorios.

Capitulo II: Estructura del material de apoyo a las actividades practicas, donde se

identifiquen los objetivos de cada experimento, técnica operatoria, bibliografía a consultar

INTRODUCCIÓN 4

y preguntas de comprobación que garanticen una guía para consolidar los resultados

prácticos.

Conclusiones y Recomendaciones: Atendiendo a los resultados alcanzados se presentan

las conclusiones del trabajo y se brindan recomendaciones que permitan perfeccionarlo en

un futuro.

Bibliografía y Referencias: Se presenta una bibliografía que refleje no solo el contenido

teórico sino también sugerencias desde el punto de vista práctico que garanticen un apoyo

adecuado en la actividad de laboratorio.

CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 5

CAPÍTULO 1. Marco Teórico

El primer punto a tener en cuenta para desarrollar un material de tipo didáctico eficiente es

tomar en consideración el sistema de conocimientos y habilidades de la asignatura y

realizar una propuesta de programa analítico.

Sistemas de Conocimientos:

Radiocomunicación. Onda radioeléctrica. Emisión y radiación. Objetivos de un

radiotransmisor. Objetivos de un radiorreceptor. El espectro radioeléctrico como un recurso

natural.

Estabilidad de frecuencia. Osciladores controlados a cristal. Sintetizadores de frecuencia.

Síntesis indirecta. Síntesis digital directa.

Amplificadores de alta frecuencia de señales débiles. Parámetros admitancia. Ganancias de

potencia. Criterios de estabilidad de Linvill y Stern. Formas de estabilizar un amplificador.

Unilateralización y neutralización. Estabilización por carga. Elementos de diseño.

Amplificadores de RF de potencia. Clases de amplificación. Cadenas simples y compuestas

de amplificación de potencia. Amplificador clase C modo mixto. Amplificadores de alta

eficiencia. Parámetros de un transmisor de radio. Transmisores de AM. Modulación de

amplitud de alto nivel. Característica de modulación. Modulación AM con acoplamiento

por transformador. Modulación AM con acoplamiento serie. Transmisores de FM. Métodos

directo e indirecto de generación de FM. Moduladores de fase. Señal múltiplex estéreo.

Transmisores de BLU .

Sistema de Habilidades:

1. Calcular los diagramas en bloque de los sintetizadores de frecuencia indirectos.


2. Diseñar amplificadores de señales débiles a partir de los parámetros admitancia.

3. Diseñar amplificadores clase C modo mixto.

Programa Analítico

Tema No I Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles

Criterios en el diseño de amplificadores de RF. Método de parámetros físicos. Método de

parámetros Y. Criterio de Linvill. Criterio de Stern. Técnicas de unilateralización y

neutralización. Ejemplos de diseño. Criterios de diseño de redes de acople.

Tema II Amplificadores sintonizados de potencia de RF

Introducción. Tipos y características de Amplificadores Sintonizados de RF de potencia de

RF. Amplificador clase C modo mixto. Amplificadores de RF sintonizados de alta

eficiencia: Amplificador de RF clase ¨D, amplificador de RF clase Ë , amplificador de RF

clase F . Criterios de diseño. Estructuras compuestas de amplificadores de potencia.

Tema III Osciladores de RF

Osciladores a cristal: Pierce, Miller y Tri-tet: esquemas básicos. Criterios de diseño.

Síntesis directa de frecuencias. Síntesis indirecta de frecuencias: PLL como sintetizador de

frecuencias.

Tema IV Transmisores de AM

Generalidades de la modulación de AM. Modulación en bajo y alto nivel. Modulación en

colector, base y emisor. Parámetros básicos de un transmisor de radiodifusión de AM

comercial. Tema V Transmisores de FM

Generalidades de la modulación en FM. Esquemas básicos de transmisores de FM:

transmisor de Crosby, transmisor a PLL y transmisor de Armstrong. Parámetros

comerciales de los transmisores de FM. FM estereo: características de la señal en banda

base.

Tema VI Transmisores de BLU

Técnicas de modulación de BLU: métodos del filtro, desfasaje y tercer método. Estructuras

de transmisores de BLU. Transmisores de BLI.


El desarrollo de las habilidades prácticas en el campo de las altas frecuencias es algo

costoso, tanto por los instrumentos que involucran sus prácticas, como por los

componentes utilizados. Del contenido de la asignatura, la experiencia tomada a partir de

un estudio realizado sobre prácticas de laboratorio en universidades extranjeras y el

equipamiento del que disponemos, proponemos las siguientes actividades prácticas con el

orden y objetivos siguientes:

Practica No 1 Redes de acople

El objetivo en esta primera actividad práctica es vincular al estudiante con aspectos

relacionados con técnicas utilizadas en altas frecuencias tales como:

a) el diseño y construcción de bobinas, aplicando expresiones que se adecuen para el

intervalo de frecuencia de interés y la comprobación de sus valores con los

instrumentos, indicando cualquier limitación involucrada.

b) elección de capacitores, sobretodo sus características constructivas, atendiendo a la

aplicación.

c) adiestramiento con los generadores de alta frecuencia y osciloscopios digitales de

nueva generación.

d) comprobar las similitudes entre el diseño teórico y los resultados prácticos y las

razones de las diferencias.

Practica No 2 Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles

Esta segunda actividad vinculada al diseño de amplificadores de RF de señales débiles,

pretende entre otras cosas:

a) a partir de la frecuencia de operación la selección del elemento activo.

b) calcular las componentes para el punto de operación DC recomendado por el

fabricante.

c) calcular los elementos de la redes de acople de entrada y salida a partir del

conocimiento de los parámetros Y del dispositivo.

d) comprobar los resultados del diseño con el uso de los instrumentos de laboratorio.

Practica No 3 Amplificadores de potencia sintonizados de RF


La tercera actividad planificada y siguiendo el orden del programa propuesto relacionar al

estudiante con:

a) a partir de la frecuencia de operación y condiciones de trabajo la selección del

elemento activo.

b) investigación de las características brindadas por el fabricante para la aplicación del

método de diseño, incluyendo el circuito de polarización con las protecciones en

caso de que proceda.

c) comprobación del diseño utilizando el equipamiento disponible.

Practica No 4 Síntesis de frecuencias

Esta práctica fue seleccionada por la importancia y el número de elementos que involucra

en su diseño, libre totalmente para el estudiante y que va a demandar:

a) vinculación con las componentes involucradas en el diseño de un sintetizador de

frecuencias a PLL.

b) diseñar la estructura para el proceso de la división programable.

c) elección de la resolución del sintetizador.

d) diseñar un oscilador de referencia a cristal.

e) pruebas experimentales para comprobar los resultados del diseño.

Practica No 5 Modulación de AM

Relacionarse con circuitos capaces de instrumentar prácticamente las expresiones

matemáticas que identifican a un modulador de AM y que exigen:

a) selección de un esquema adecuado, puede ser sobre la base de dos variantes de alto

nivel o bajo nivel, recordar que ya tenemos una estructura de amplificador de

potencia probada.

b) comprobar la relación entre los elementos del circuito y las características de la

señal modulada.

c) en todos los casos se debe justificar el uso y valor de los elementos involucrados,

sobretodo cuando su lugar en el esquema requiera de un cálculo lógico.


d) pruebas experimentales que involucren el analizador de espectro, con el objetivo de

observar las características espectrales de una señal de AM.

Practica No 6 Modulación de FM

Al igual que en la actividad practica anterior se trata de relacionar al estudiante con

circuitos que sean capaces de instrumentar una descripción matemática de una señal de FM

y que van a exigir:

a) selección del esquema adecuado, con la observación de que ya tiene un adelanto en

el diseño del sintetizador de frecuencias de la Practica no 4.

b) diseño de los elementos involucrados en el circuito de modulación. c) comprobación como se cambian las características de la señal modulada con el

cambio en cada una de las componentes que interviene en el proceso de modulación.

d) pruebas experimentales usando el analizador de espectro y comprobar los cambios espectrales con el cambio en el índice de modulación.

Practica No 7 Transmisores de FM

Esta es una actividad resumen de las realizadas anteriormente y que pretende que el

estudiante que realizó las anteriores de manera exitosa pueda convalidar su nota final. Es

una actividad de carácter integrador, que involucra: modulación, amplificación de potencia

de RF, síntesis de frecuencia y osciladores a cristal, conjuntamente con un proceso de

división que puede ser o no programable.

Aunque no fue indicado en ninguno de los objetivos de cada práctica, será de carácter

obligatorio por su forma convencional con la que se trata a nivel mundial en realizar en

todos los casos una simulación de los circuitos que se instrumentan. Para ello pueden ser

utilizados los que se encuentran en la red FIE.

Los elementos utilizados para la conformación del paquete de prácticas se hicieron teniendo

en cuenta como se observa, de la secuencia lógica del programa analítico propuesto y la

relación vertical entre conocimientos impartidos.

Para la actividad final ya el estudiante habrá conocido los conceptos básicos de diseño de

antenas y podrá utilizarlos en el diseño del elemento de radiación.

.

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS 10

CAPÍTULO 2. Manual de Practicas de Laboratorio de Radioelectronica I

En este capitulo se presenta la estructura del manual de practicas de laboratorio de la

asignatura radioelectronica I, donde están incluidas las siete practicas que se diseñaron para

la realización de este manual.

2.1 Practica: Redes de Acoplamiento

I. Conocimientos previos

Manejo de programas de simulación y equipos de laboratorio: osciloscopio

digital y generador de señales sinusoidales para la medición de la respuesta de

frecuencia de un circuito.

II. .Objetivos

Aplicar criterios prácticos que permitan obtener resultados rápidos y

satisfactorios en el diseño de redes de acoplamiento.

Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de una red de acople

para circuitos de alta frecuencia.

Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio: osciloscopio

digital y generador de señales.

III. Marco Teórico

Las redes de acoplamiento cumplen dos importantes funciones en los circuitos de RF.

Primero transformar los niveles de impedancias exigidos por los dispositivos activos y

pasivos del sistema, por ejemplo, salidas o entradas de un transistor y antena. Segundo,

proveen discriminación de frecuencias, en virtud de su selectividad, determinada por la


Q del circuito resonante, así solo habrá a la salida la frecuencia deseada. El diseño de

una red de acople se basa en el conocimiento de los siguientes parámetros:

a) Impedancia deseada de la red de salida, especificada por la resistencia serie Rs y la

reactancia seria Xs, o la conductancia paralelo Gp y la susceptancia paralelo Bp.

b) Impedancia deseada de la red de entrada, especificada por Rs, Xs o Gp y Bp.

c) La Q del circuito cargado con las terminaciones de entrada y salida conectadas.

La solución más empleada es la de usar redes de acople del tipo L, T o Pi, estas dos

últimas fundamentalmente; algunos sistemas un poco más elaborados suelen usar líneas

exponenciales y transformadores balún.

En los circuitos de radio siempre se supone que el generador tiene una impedancia de

50Ω y es una consideración que siempre debemos tener en cuenta en el diseño de la red.

El mismo criterio se emplea con la carga del paso final, es decir, a la antena, también se

le supone una impedancia resistiva de 50Ω. En la siguiente figura se presentan algunas

estructuras típicas de redes de acoplamiento.

Notemos que en todos los casos se hace la suposición que se trabaja con la parte

resistiva de la impedancia a la cual se realiza el acople, en caso de tener parte reactiva,

entonces se integra al elemento reactivo de la red en cuestión.

Para el diseño debemos determinar la dependencia de los elementos de la red de los

niveles de impedancia a acoplar y el valor de la Q de circuito, por tanto se deben derivar

tres ecuaciones que se corresponden con los tres elementos que conforman las redes

presentadas. En el caso de una red del tipo L, donde solo hay dos elementos que la

conforman , pues el valor de la Q de la red esta determinado de hecho por los valores de

las impedancias que se deseen acoplar y el diseñador no tiene forma alguna de

modificarlo.

Las ecuaciones de diseño se pueden derivar de la red a partir de la definición del nodo

de Q dominante, es decir, el que en mayor gado determina el grado de selectividad de la

red. Tomemos como referencia la estructura de la red CCL representada por al figura

1c, donde se establece una condición R1 > R2, entonces en este caso la Q queda


determinada por el nodo que involucra la rama compuesta por L1 y R2. Ahora podemos

definir la Q:

21RQX LL (1)

Aplicando la condición de resonancia en el circuito, se transforman las ramas serie a

paralelo y se igualan las partes imaginarias y reales, quedando al final después de un

simple procesamiento:

1)1(

1

2

211 R

QRRX L

C (2)

1

2

2

1

2

1

1*

)1(

RQ

XQ

QRX

L

CL

LC (3)

Supongamos las siguientes condiciones para el diseño: R1=75Ω, R2=50Ω, Q=4 y

f=27MHz. Con estos valores determinamos a partir de las ecuaciones (1), (2) y (3) los

valores de los elementos de la red: C1=5.45 pf, C2=24.45 pf y L1= 1.1789 uH.

Los resultados de la simulación fueron los siguientes:

Fig. 2.1.1

Del grafico, fL=23.55MHz, fH=30.5MHZ, fo=27.29MHZ y por tanto Q=3.89


Como se observa los resultados de la simulación se acercan bastante a los valores iníciales

de diseño. El circuito montado fue:

Fig. 2.1.2

Otro método utilizado para el análisis y diseño de redes de acople se fundamenta en el uso

de la carta de Smith de impedancia-admitancia. Los valores de los componentes de

constantes concentradas pueden obtenerse directamente de la carta como valores

normalizados. La figura siguiente muestra el esquema básico de la carta.


Fig. 2.1.3

Los elementos paralelos de una red siguen los círculos de admitancia marcados en color

rojo y sus valores corresponden con los indicados sobre las intersecciones de los arcos

correspondientes. Los elementos serie siguen los círculos de impedancia y los valores de

las componentes se leen sobre las correspondientes intersecciones de los arcos. El

procedimiento para graficar los valores de las componentes en la carta de impedancia-

admitancia se presentan en la siguiente tabla.


Agregar Usar

Grafico

Seguir una curva Sentido Valor del

componente

L en serie Z R en serie constante Horario Xl=Xf-Xi

C en serie Z R en serie constante Antihorario Xc=Xf-Xi

R en serie Z X constante Hacia abierto Rs=Rf-Ri

Derivación

+L

Y R en paralelo constante Antihorario Bl=Bf-Bi

Derivación

+C

Y R en paralelo constante Horario Bc=Bf-Bi

Derivación

+R

Y B constante Hacia

cortocircuito

1/Rp=Gf-Gi

Tabla No 1

El uso de la tabla permite de alguna manera validar el diseño realizado, ilustremos esto con

un ejemplo. Consideremos la siguiente red, en la que se desea conocer el valor de la

impedancia de entrada.

Fig.2.1.4

Sobre la carta deben quedar colocadas los valores de los elementos normalizados, para el

caso de las impedancias se toma como referencia 50Ω y para las admitancias 500Ω. El


primer paso es colocar el valor de la resistencia de carga, que normalizada caería en el

circulo de radio unitario y sobre la abscisa por ser puramente resistivo. Después el

procedimiento es muy simple, solo se limita a seguir las reglas establecidas en la Tabla No

1. Al final, obtenemos el valor de la impedancia de entrada, para ello recordemos que se

debe multiplicar por 50. En la siguiente figura se presenta el procedimiento.

Fig.2.1.5

Notemos que desde la salida (punto negro) a la terminación de C2 nos movemos sobre la

curva de R serie constante en sentido antihorario, como Xi = 0 y el valor de la reactancia

capacitiva normalizada es de 2 ohm, entonces debemos movernos hasta la curva indicada

por 2 Ω (punto rojo), a la que corresponde en la carta de admitancia 0.4 mho. Desde ese

punto entonces tendríamos que considerar un inductor en paralelo de admitancia

normalizada 1 mho, nos movemos sobre la curva de R paralelo, es decir la curva G en la

carta de admitancia hasta el valor de 0.6 mho (punto verde), como ambos valores tienen

signos opuestos, su diferencia resulta en 1 mho que es el esperado. En ese punto nos

movemos ahora con otro capacitor serie C1 de la misma forma que hicimos con C2, sobre

la curva de R constante, en ese punto Xi = 1.5 Ω, como el valor normalizado de C1 es de


1.5 Ω pues tenemos que hacer el giro hasta un Xf = 0 y llegamos al extremo de entrada de

la red (punto azul). La carta indica 0.5 Ω normalizado y puramente resistiva, por tanto el

valor de la impedancia de entrada de la red es de 25 Ω.

Para el diseño se sigue el procedimiento descrito, ahora sobre la carta de Z-Y se coloca los

valores de impedancia de entrada y salida y se grafica la curva que identifica la Q que se

desea obtener, esto es porque la característica de Q es la que va a indicar los valores finales

de los elementos que conforman la red.

El montaje de una red de acople debe observar unas reglas, sobretodo que los elementos

que la conforman tengan características que le permitan el trabajo en el intervalo de

frecuencias de operación, en el caso de los resistores deben ser de carbón y nunca

laminados y en el de los capacitores de mica en forma de disco o cerámica en forma

tubular.

IV. Técnica Operatoria

La realización de la práctica contempla varios pasos que deben ser satisfechos por el

estudiante:

1. Selección de la variante atendiendo a las opciones que se presentan

en la fig. no x. En todos los casos se debe tener en cuenta que la

impedancia de los generadores utilizados es de 50Ω.

2. Utilizar un software que valide las características de la red

diseñada en cuanto a los valores de las impedancias de entrada y

salida, así como la Q de la red.

3. Montaje de la red en el laboratorio y su comprobación por parte del

profesor encargado de su atención. Para ello el estudiante dispone

de algunos elementos, otros debe ser traídos por el estudiante.

4. La red diseñada debe ser objeto de varias pruebas que validen su

resultado: comprobación de su respuesta de frecuencia, impedancia

de entrada, cambios en la red debido a cambios en valores de las

componentes que la conforman y otros que sean de interés por

parte del estudiante.


5. Elaboración de un informe en formato electrónico donde se

indiquen los resultados de la programación de la red, resultados

prácticos debidamente tabulados y un breve análisis crítico que

presente una comparación entre los obtenidos y los esperados en el

diseño.

6. Los grupos de práctica no pueden ser mayores de tres estudiantes.

7. La evaluación de la práctica influirá de manera importante en la

calificación de la asignatura en el transcurso del semestre y en la

nota final.

V. Preguntas de comprobación

1) ¿En una red de acople de dos elementos se garantiza el ajuste del ancho de banda de

la red? ¿Por qué?

2) ¿Qué consideraciones debe tener en cuenta cuando utiliza la red Pi como red de

acople con la antena con relación al acople con el amplificador de salida?

3) Una red del tipo CCL:

a) independiente de la posición en que se coloque no necesita capacitor

de desacople

b) su colocación es independiente de los valores de resistencias a acoplar

c) si se utiliza a la salida requiere un capacitor para evitar el acople del

voltaje de suministro al resistor de carga.

4) Una red de acople de impedancias de tres elementos:

a) obliga a fijar un valor de Q determinado por los valores de

resistencias a acoplar

b) permite manipular los valores de las resistencias a acoplar y la Q del

circuito

c) establece un ancho de banda fijo en función de las resistencia a acoplar


5) La colocación de un resistor en paralelo con el primario del transformador de

acople:

a) aumenta la Q del circuito

b) disminuye la Q del circuito

c) no afecta el ancho de banda del circuito

6) Explique de que modo en una red del tipo Pi puede realizar un diseño que tenga dos

puntos de atenuación de frecuencias máximos.

7) Intente realizar el diseño de una red tipo T si la supone conformada por dos del tipo

sección L. ¿Qué condiciones debe satisfacer el diseño?

8) Ídem la pregunta anterior pero ahora una red del tipo Pi. ¿Qué condiciones debe

satisfacer el diseño?

9) Compruebe con el uso de la carta de admitancia-impedancia el diseño por Ud.

realizado para la actividad práctica.

10) Explique que significa el nodo dominante en el diseño de redes de acoplamiento.

VI. Bibliografía

Ing. Hiram del Castillo Material en soporte magnético. Conferencia No 3 Redes de Acople,

2011

Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, 1.7 al 1.9, Ed 1999, Prentice

Hall

Proyecto de Amplificadores de RF, Manual de la RCA, pág. 44-71

Wiley- High Frequency Techniques – An introduction to RF and Microwave Engineering,

Cap

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, H. Krauss, Cap. 3, Ed. 1994

Modern Communications Circuits, Jack Smith, Cap. 4, Ed. 1998, Mc Graw Hill

2.2 Practica: Amplificadores sintonizados de RF de señales débiles



Uso de programas de simulación y conocimientos de las características de los

elementos utilizados en el diseño de amplificadores de RF de pequeña señal.

II. Objetivos

Aplicar los criterios de estabilidad utilizados en los amplificadores de RF

sintonizados de señales débiles.

Saber diseñar amplificadores de RF sintonizados de señales débiles atendiendo a

las condiciones de diseño.

Comprobar experimentalmente los resultados obtenidos en el programa de

simulación seleccionado.

III. Marco Teórico

Los amplificadores sintonizados de RF señales débiles son aquellos destinados a operar

con niveles de señal extremadamente bajos del orden de los microvolt y entre sus

funciones, las principales son:

1. Proveer una alta ganancia de potencia.

2. Garantizar un perfecto acople de impedancias, sobre todo si trabaja como

elemento inicial en una cadena de recepción RF.

3. Operar dentro del ancho de banda diseñado

Podrían ser citadas otras pero estas son las más significativas. Los elementos seleccionados

para trabajar en estos amplificadores deben guardar plena correspondencia con la

aplicación que el fabricante establece para cada uno de ellos. A veces la posición del

amplificador dentro del sistema está en correspondencia con el tipo de aplicación, por

ejemplo en el caso de los reforzadores, ampliamente conocidos por ser aquellos que tienen

como objetivo aumentar el nivel de señal captada por la antena para lograr mejores niveles

de señal en la recepción. Esta aplicación requiere que el amplificador este lo más cerca

posible de los terminales de la antena para evitar que el rudo inducido en el bajante influya

de manera negativa en la recepción. Recuerde que es el primer elemento de una cadena de

recepción el que determina fundamentalmente el ruido del sistema completo, por eso es que

una de las características que satisfacer el elemento activo utilizado es su baja cifra de ruido


dentro del intervalo de frecuencias de aplicación. En la Fig. 1 se presenta un esquema

típico.

Existen dos métodos que nos permiten realizar el diseño aproximado de un amplificador

sintonizado de RF de señales débiles.

a) método de parámetros físicos

b) método de parámetros Y

En el método de parámetros físicos el diseño se fundamenta principalmente en el

conocimiento de las características básicas del transistor brindadas por el fabricante,

tales como: punto de operación, frecuencia de trabajo recomendada para su operaron en

circuitos de alta frecuencia, ganancia de corriente. La aplicación de este método es

sencilla. Desde el punto de vista práctico las condiciones de diseño que se imponen en

un amplificador de este tipo son: ganancia de potencia, impedancias de entrada y salida,

frecuencia de trabajo y ancho de banda. Tomemos como referencia el esquema de la

Fig. 1. La operación en clase A y el acople a transformador indican que le eficiencia del

esquema es de un 50% como valor máximo. Una regla típica sugiere que la caída de

voltaje a través del resistor de emisor sea de un 10% del valor de la fuente de

suministro, como:

Fig. 2.2.1


CCCDC IVP 9.0 (1)

Para una eficiencia del 50%, tendremos:

oo

DC PP

P 2 (2)

De manera que:

CC

oC

V

PI

9.0

2 (3)

En la red de desacople, en los circuitos de pequeña potencia se recomienda para Rdn un

valor de 100 Ω y entonces el valor de Xcn ≤Rdn/10, es decir, Xcn≤ 10Ω. El cálculo de

los valores que conforman la red de polarización es sencillo después que haya sido

determinado el valor de Ic en la expresión (3). La secuencia de cálculo será:

Ic

VR CC

E

1.0 (4)

También:

111

1

7.0

I

Ve

I

VeV

I

VR BEB (5)

Donde:

BII 101 (6)

Siendo: CB

II (7)

El diseño del circuito de colector a señal se puede realizar suponiendo condiciones

ideales para el transformador de acoplamiento en el que el coeficiente de acoplamiento

K=1 y la η = 100%, entonces:

LfX oL 2 (8)

CfX

o

C2

1 (9)


BW

fQ o (10)

LCt QXR (11)

Notemos que Rct es la resistencia en el colector bajo condiciones AC considerando el

efecto de la carga del secundario del transformador. Entonces para lograr la máxima

transferencia de potencia a la carga la resistencia reflejada hacia el primario, Rlt debe ser el

doble de la indicada en la expresión (11). Así:

L

Lt

s

p

R

R

n

n (12)

El segundo método es el de los parámetros Y. Este método es ampliamente usado sobre

todo por los criterios de estabilidad que han sido desarrollados a partir del conocimiento de

los parámetros para una frecuencia y punto de operación dados. El procedimiento para la

aplicación de este método resumiéndolo de forma breve es el siguiente:

i. Aplique la expresión que establece el Criterio de Linvill a partir del

conocimiento de los parámetros Y para las condiciones establecidas.

rfeoi

rf

yyRgg

yyC

2 (13)

ii. Si el resultado es menor que la unidad entonces el dispositivo es

estable para las condiciones de diseño, independientemente de los

valores de impedancia de carga y fuente. Si el resultado es mayor

que la unidad debe proceder a aplicar el Criterio de Stern.

rferf

Losi

yyRyy

GgGgK

2 (14), el valor de Gs es brindado

por el fabricante, inverso de Rs que es el que aparece generalmente

en la hoja de datos. K se le supone un valor entre 4 y 10, siempre

mayor que la unidad y se determina el valor de Gl que debe ser

colocado en los terminales de salida.


iii. Aplicar el proceso iterativo a partir de considerar que la parte

imaginaria de la carga coincide con el negativo de la imaginaria del

dispositivo. Solo con dos o tres iteraciones se podría llegar al

resultado final.

iv. Finalmente solo tendríamos que diseñar las redes de entrada y salida,

considerando siempre que la impedancia de la fuente es de 50Ω, la

de salida puede ser ajustada a otro valor normalizado como 75Ω.

Un ejemplo que nos brinda una idea del procedimiento a seguir se presenta a

continuación. Supongamos que vamos a diseñar un preamplificador para reforzar la

señal que llega a los terminales de un dipolo simple. Lógicamente la impedancia de

la fuente en este caso es de 75Ω. El circuito estará situado lo mas cercano posible a

los terminales de la antena. El bajante utilizado puede ser de 75 o 300Ω, en este

caso vamos a suponer un valor de 75Ω. Se desea reforzar la señal proveniente del

los canales altos de VHF norma NTSC, desde canal 7 a partir de 174MHz hasta el

canal 13 que comienza en 210MHz, tomamos entonces la frecuencia central de

195MHz y ya conocemos entonces la Q que debe tener el preamplificar. Ahora solo

basta seleccionar el dispositivo que sea recomendado por el fabricante para trabajar

en este intervalo de frecuencias, escoger la estructura y realizar los pasos de diseño.

Supongamos que tomamos como referencia el esquema de la Fig. 2.2.1 y el

transistor BFR91A (BFS17), con características sobradas para operar

satisfactoriamente bajo estas condiciones.

El diseño podría también haber sido hecho a partir del conocimiento de los

parámetros de admitancia, pero en la práctica no son todos los fabricantes que

brindan los valores de estos parámetros y actualmente carecemos en el laboratorio

de equipos para su medición.



estudiante:


1. Selección de la variante atendiendo a las especificaciones que Ud. establezca.

En todos los casos se debe tener en cuenta que la impedancia de los generadores

utilizados es de 50Ω

2. Utilizar un programa de simulación para validar el diseño realizado, donde se

presenten las características más importantes del circuito: ganancia de potencia,

ganancia de voltaje, acople de impedancias, respuesta de frecuencias y otras que

estime conveniente.

3. Montaje del circuito en el laboratorio y comprobación de los parámetros de

diseño.

4. Elaboración de un informe donde se reflejen los resultados de la actividad, el

procedimiento de diseño y la justificación de cada valor seleccionado y finalizar

con un análisis de las diferencias detectadas entre los resultados esperados y lo

que se obtuvieron experimentalmente.

VI. Preguntas de comprobación

1. Explique porque si el Criterio de Linvill es menor que a unidad Ud. puede

decir que el dispositivo es estable para las condiciones de operación dadas.

En caso de ser cero, que deduce Ud. del dispositivo activo.

2. ¿En el Criterio de Stern explique que factores debe tener en cuenta para la

selección de Gs?

3. ¿Qué objetivos persigue el uso de parámetros Y compuestos?

4. ¿Qué diferencias existe entre la neutralización y la unilateralización?

5. En el circuito de la Fig. 1, explique el procedimiento para determinar el

valor de la resistencia de carga de colector en caso de que la bobina no sea

considerada ideal.

6. ¿Que criterios se deben tener en cuenta en el circuito de la Fig. 1 para

calcular Cb?

7. Explique como afecta el ancho de banda del circuito si coloca un resistor en

paralelo con el primario del transformador de acople.


8. ¿Si un transistor es estable para una frecuencia y un punto de operación

dado, significa que manteniendo el mismo punto de operación será estable a

otra cualquier frecuencia de operación?

9. Ofrezca una solución para alimentar un voltaje DC a un amplificador de RF

de señales débiles conectado en los terminales de antena como reforzador de

señal.

10. Justifique el uso de amplificadores clase A en circuitos de amplificación de

RF cuando los niveles de señal son pequeños.

V. Bibliografía

Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No1,

2 y 3. Tema I Amplificadores Sintonizados de RF de señales débiles.

Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, Pag. 14-22. Ed 1999,

Prentice Hall

Wiley- High Frequency Techniques – An introduction to RF and Microwave

Engineering, Cap. 10.

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Cap. 4.H Krauss. Ed. 1994

Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 2. Ed. 1998, Mc Graw Hill

www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html?...

www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf

http://www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html

http://www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf


2.3 Practica: Amplificadores Sintonizados de Potencia de RF


Manejo de programas de simulación y criterios para el diseño de amplificadores

sintonizados de potencia de RF clase mixto.

II. Objetivos

Aplicar los principios básicos de los amplificadores de potencia de RF de alta

eficiencia.

Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un amplificador

sintonizado de potencia de RF.

III. Marco Teórico

En los circuitos de transmisión de señales de RF el uso del amplificador sintonizado de

potencia de RF ocupa el paso final y es el encargado de suministrar el nivel de potencia

adecuado a la frecuencia de transmisión para cubrir el área de servicio concebida. Los

amplificadores de potencia se pueden clasificar en grupos atendiendo a varios aspectos,

pero básicamente hay uno que los caracteriza de una forma muy general:

a) amplificadores lineales

b) amplificadores no lineales

En el primer grupo se encuentran los amplificadores clase A y B, la colocación del

punto de operación es tal, que permite sea reproducida la señal con niveles de distorsión

muy bajos. Sin embargo los niveles de eficiencia son muy bajos y esto no es

conveniente cuando se manejan valores de potencia altos. Por ejemplo, en una planta de

transmisión de 50 Kw. de potencia de RF de salida, una eficiencia de un 40%

demandaría altos niveles de consumo y es un aspecto económico y ambiental que

actualmente hay que prestarle atención.

Los no lineales agrupan los amplificadores clase C y los llamados de conmutación,

también los de tercer armónico, estos últimos muy usados en la década de los 60 del

pasado siglo en nuestro país. Actualmente en nuestro país todas las estaciones de AM


utilizan amplificadores de potencia de conmutación clase D, con valores de eficiencia

aproximada de un 90%. Dada la complejidad de estos esquemas y el hecho de

demandar de algunas componentes muy específicas no serán objeto de práctica.

En la Fig. 1 se presenta un esquema general de AP, que puede operar en clases A, AB,

B o C en dependencia del circuito de polarización. En la Fig. 2 se presenta otra variante

pero en configuración contrafase. Note que en ambos casos la diferencia con esquema

de bajas frecuencias guarda plena correspondencia y se utilizan en muchos casos las

mismas técnicas cuando se desea estabilizar el punto de operación.

Fig. 2.3.1

Fig. 2.3.2


En los criterios de diseño convencionales se utiliza el método gráfico, teniendo en

cuenta que la amplitud de la señal de excitación hace que los dispositivos de salida

operen en la región no lineal y no hay otra forma de averiguar las características de

potencia, linealidad y consumo de corriente que acudir a métodos gráficos.

En términos de operaron no lineal centraremos nuestra atención en el clase C. El

análisis de un amplificador de RF sintonizado clase C a válvulas no es el mismo que

cuando se utilizan transistores. En el caso de transistores el análisis resulta mucho más

complejo y se hace muy difícil encontrar un método analítico que le dé una respuesta

exacta a un determinado problema de diseño. La bibliografía actual dedica una amplio

espacio a los amplificadores transistorizados de potencia de RF clase C modo mixto,

que serán el objeto de nuestra actividad práctica.

El análisis matemático de un amplificador clase C m-m es extremadamente complicado

en términos matemáticos y los resultados no serían confiables por las variables que se

deben tener en consideración, muchas de las cuales no aparecen expuestas en las hojas

de datos de los fabricantes. Una descripción simplificada de la operaron clase C m-m es

ilustrada en las Figs. 3 y 4 que presentan el esquema y las formas de onda que

caracterizan el comportamiento del circuito.

Fig.2.3.3


El circuito de la Fig.2.3.3 utiliza una red del tipo T para hacer la adaptación de la

impedancia de carga con la salida del dispositivo con el objetivo de lograr máxima

transferencia potencia a la carga. La operaron de la red T es equivalente a un circuito

resonante serie, que permite la presencia de componentes armónicas en el voltaje de

colector y forzar a que la corriente a través de L1 sea del tipo sinusoidal. Cs representa

la capacidad de colector a emisor cuyo valor cambia con el voltaje aplicado más la

suma de las propias capacidades parasitas y desempeña un papel muy importante en el

funcionamiento del circuito.

Cuando el transistor está en la región activa el voltaje en colector es determinado por la

corriente iCs circulando a través de Cs, que es la diferencia entre Idc e Io+iC (iC está

determinada por la operación del transistor como fuente de corriente constante en la

región activa). Cuando el transistor está saturado el voltaje de colector es constante

Vcesat ≈ 0, iCs = 0 y la corriente de colector es la diferencia entre Idc e Io. Finalmente

cuando el transistor está en corte iC(θ) ≈ 0 y iCs(θ) = Idc-Io(θ) carga el capacitor Cs

dando así un voltaje de colector.

Esta sencilla descripción nos indica lo complejo del análisis matemático del esquema y

los posibles errores en que se puede incurrir si son considerados. Aun así es posible

definir condiciones numéricas para las ecuaciones diferenciales que caracterizan el

circuito, condiciones que deben cambiar de un esquema a otro.

La Fig. 2.3.2 también presenta el circuito de base, conformado por L2, C3 y C4 que

constituyen una red adaptadora del tipo T. Si consideramos que la excitación es del tipo

fuente de corriente sinusoidal, entonces una corriente de base positiva iB, determina que

Vbe ≈ 0.7 V (unión base-emisor polarizada directamente) y el transistor estará en zona

activa o saturación en dependencia del voltaje de colector. La corriente de base circula

completamente por l2 ya que por el choke de RF fluye solo componente DC. El

transistor permanece en la zona activa o saturación hasta que la corriente iB(θ) se hace

negativa y remueve todas las cargas almacenadas en la región de la base. El voltaje en

base queda polarizado en sentido inverso. Ahora el voltaje de base es determinado por

la corriente que fluye a través de C4 y la capacidad de base a emisor.


Fig. 2.3.4

Algunos valores típicos de vB(θ) y iB(θ) se presentan en la Fig. 4. Note que la corriente

de base tiene una componente DC IB que circula por lo que es necesario un paso, que

en este caso es a través de RFC2 y RB. En muchos esquemas RFC2 es conectado a

tierra, en este caso el voltaje de base a emisor es cero. La colocación de RB indica que

habrá un nivel DC negativo producto de la circulación de corriente en el circuito de

base cuando es excitado. Teóricamente esto pude resultar en un aumento de eficiencia

de colector, debido a que el ángulo de conducción disminuye, sin embargo el uso de

este resistor no está bien definido, debido a lo complejo que resulta el control del

ángulo de conducción con su valor. Otro detalle de interés, note que hay un capacitor en


la red de adaptación conectado a tierra, lo que facilita el paso de la componente AC

cuando el dispositivo está en corte.

El diseño de la etapa de potencia debe considerar varios aspectos:

Potencia y frecuencia de salida, estos dos parámetros determinan en gran

medida el dispositivo a utilizar.

Impedancias de fuente y salida. En el caso de la impedancia de la fuente para

todos los casos será de 50 Ω, la de salid se deja atendiendo a las características

de impedancia de la antena, aunque para algunas comprobaciones practicas se

puede sustituir por un resistor de carbón.

En caso de que sea brindado por el fabricante los valores de impedancia a

señales fuertes proceder directamente al diseño de las redes de acople. En caso

contrario, tratar de encontrar los valores de admitancias del dispositivo.

Diseñar la red de alimentación observando las recomendaciones dadas por el

fabricante.

No obstante lo recomendado en la actividad práctica se da la opción de usar clase A si

los niveles de potencia no son tan altos. En caso de utilizar esta variante debe

observarse con atención los circuitos de polarización que garantice que el punto de

operación se mantendrá estable durante la operaron del circuito. Un esquema que se

recomienda en bibliografías actualizadas es el presentado en la Fig. 5.


(b)

Fig. 2.3.5

La operación del circuito es muy simple. L es la inductancia en colector, generalmente un

choke de RF. Si la corriente de colector tiende a aumentar, entonces la caída en el resistor R

aumenta y el voltaje de base a emisor de Q1 decrece y lo hace también la corriente de base

de Q2 que tiende a compensar el aumento de la corriente de colector del dispositivo de

salida.



estudiante:

i. Selección del esquema a ser instrumentado y proceder al cálculo de

las componentes que lo conforman, justificando encada caso su

selección.

ii. Utilizar un software que valide las características del circuito

diseñado, potencia, corrientes e impedancias de salida, así como

otras de interés.

iii. Montaje del circuito en el laboratorio, utilice como elemento de

carga una antena y verifique con el analizador de especto la

presencia de la señal a la salida.


iv. Elaboración de un informe en formato electrónico donde se indiquen

los resultados de la programación del circuito y sus principales

características. Se debe hacer un análisis crítico de los resultados,

explicando las diferencias observadas entre los resultados

experimentales y el diseño.


1. Un amplificador de potencia es excitado con 1 Kw. de potencia de RF y da a la

salida 50 Kw.

a) De donde provienen los 50 Kw.

b) Cuál es el valor de la ganancia expresada en dB?

2. Explique la razón de los altos valores de eficiencia en los amplificadores de RF

clase D de potencia.

3. Explique las diferencias de exigencias de la fuente de alimentación en un

amplificador de potencia de RF clase A con respecto a uno operando en clase B.

4. Explique porque las formas de ondas en un amplificador clase C modo mixto se

presentan distorsionadas.

5. Compruebe que una fuente de alimentación de 24 V satisface las condiciones para

que un amplificador de potencia clase A de RF desarrolle una potencia de 5W a

través de una carga de 50Ω. Determine además el valor de la eficiencia.

6. Explique el principio de operación de un amplificador clase F o de tercer armónico.

7. Mencione una aplicación donde es necesario el uso de amplificadores de potencia

lineales.

8. ¿Por qué esa necesaria un circuito de filtro a la salida de un amplificador de

potencia de conmutación de RF?

9. Explique la importancia de los circuitos de polarización en los amplificadores de

potencia de RF clase A.


10. Demuestre que la máxima potencia de disipación en el dispositivo de salida de un

amplificador de potencia de RF puede ser expresada en función de la potencia de

salida y el ángulo de conducción a través de la siguiente expresión:

12sen2

cossen4odis PP

VI. Bibliografía

Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencias No 3 y

4 Amplificadores sintonizados de potencia de RF.

Electronic Communication Techniques, T. Young, Cap. 6, Pags. 170-192 y Cap. 7, Pag.

263-265. Ed 1999, Prentice Hall

RF Power Amplifiers, Mihai Albulet, Cap. 2

RF Power Amplifier Fundamentals, Philips Semiconductor

Técnicas de Proyecto de Amplificadores de Potencia de RF, Motorota

Modern Communications Circuits. Jack R. Smith, McGRAW-HILL, Cap. 11. Ed. 1998.

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 12, 13 y 14. Ed. 1994

Albert Paul Malvino (1999), Principios de Electrónica Cap. 11, Pág. 374-405


2.4 Practica: Sintetizadores de Frecuencias


Conocer los principios de la síntesis de frecuencias indirecta.

Dominio de las hojas de datos de los elementos que involucran el diseño de un

sintetizador de frecuencias a PLL y las características que deben satisfacer para

cumplir con los requerimientos que se establecen.

II. Objetivos

Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un sintetizador de

frecuencias a PLL usando elementos de baja integración.

Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio: osciloscopio

digital, fuentes de suministro, etc.

III. Marco Teórico

Un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencia variable que posee la

estabilidad de un oscilador de cuarzo. Una de sus principales aplicaciones se encuentra

en el diseño de circuitos de transmisión-recepción en las comunicaciones. Actualmente

en el país todos los transmisores de ondas medias y televisión están dotados de

sintetizadores de frecuencias, lo que garantiza un alto valor de estabilidad en las

frecuencias de transmisión-recepción y hace a la vez posible que la frecuencia pueda ser

ajustada dentro de ciertos límites.

Hay dos formas básicas de sintetizadores de frecuencias: directo e indirecto. El directo

es aquel donde la frecuencia que se genera se hace a partir de un oscilador a cristal o

combinaciones de los mismos. Mediante combinaciones de frecuencias generadas por

circuitos multiplicadores y seleccionados con filtros adecuados son capaces de generar

una amplia gama de frecuencias. En la Fig. 1 se presenta un ejemplo clásico.

La operación es muy sencilla, en la figura aparece un oscilador a cristal de alta

estabilidad de 64 kHz, seguido de un circuito combinacional capaz de generar


armónicos hasta el 12. Un filtro selector de armónicos selecciona la frecuencia deseada.

Al mismo tiempo la frecuencia de 64 kHz se divide /16 y /4 con el objetivo de aumentar

la resolución. Con el mismo procedimiento anterior se obtienen frecuencias armónicas,

ahora de menor valor. Una vez que el filtro selecciona en cada fila el valor adecuado se

procede a una sumatoria dando por resultado el valor de la frecuencia final después de

haber sido activado el filtro sintonizable. Por ejemplo, si deseamos obtener un valor de

133 kHz, entonces N1=2, N2=1 y el selector fino también seria N=1, así la frecuencia

final sería 128kHz + 4kHz+1kHz=133kHz.

Un sintetizador más complejo con el objetivo de cubrir la banda ciudadana CB se

presenta en la Fig. 2.

Fig. 2.4.1


Fig. 2.4.2

La combinación de interruptores permite la selección de 23 canales dentro de la CB. En

la tabla siguiente se presentan las opciones posibles para los 23 canales. Por ejemplo, el

canal 9 usa los cristales 3, 7 y 11. En transmisión los cristales 3 y 11 producen la

frecuencia de salida: 37.700-10.635=27.065 MHz. En recepción, la primera FI será de

37.700-27.065=10.635MHZ. Ahora como RO está situado en la posición donde genera

10.180 MHZ, la segunda FI será de 10.635-10.180=0.455 MHZ. Note que se cumple un

principio de carácter económico, en la primera FI se puede usar la de FM convencional,

mientras que en la segunda FI se puede utilizar la de AM.


Tabla No 2

Los métodos directos de síntesis de frecuencia no han sido nunca populares debido

fundamentalmente a lo complicado de los circuitos involucrados en su diseño.

Actualmente ha sido reemplazado por sintetizadores indirectos de frecuencia a PLL. El

sistema más simple se presenta en la siguiente figura, consiste de un divisor

programable por un factor de N, un comparador de fase, el filtro paso bajo de lazo y el

oscilador controlado por voltaje.

Fig. 2.4.3

El VCO suministra la señal de salida con un valor de frecuencia estable, referenciada a

la frecuencia del cristal y el contador programable divide la frecuencia de salida por N,


el valor de N es seleccionado por el diseñador para garantizar a la salida el valor

requerido de frecuencia. A la entrada del comparador de fase ambas frecuencias, la de

referencia y la de la salida del comparador son iguales cuando ya el PLL está amarrado.

Bajo estas condiciones el valor de la frecuencia de salida es:

REFo Nff (1)

El divisor programable puede ser tan simple como un contador up-down 74192 o una

estructura más compleja como los contadores de doble módulo. En la Fig. 4 se presenta un

ejemplo.

Fig.2.4.4

En este caso el elemento preescalar tiene dos modos de operación. Un modo de operación

proporciona un pulso de salida para cada pulso de entrada (P), y el otro modo de salida para

cada pulso de entrada (P+1). Cada vez que el registro m contiene un número que no es cero.

El elemento preescalar cuenta en el modo P+1. Una vez que los registros m y n hayan sido

cargados, el elemento preescalar contara hacia abajo (P+1)m veces hasta que el contador m

vaya a cero, en ese punto el elemento preescalar pasa al modo P (n-m) veces hasta que el

registro n llegue a cero. En este punto los contadores restablecen sus valores iníciales que


han sido guardados en los registros y se repite la operación. El factor de división del

contador será:

mnPFD

mPnPmmPPmnPmFD )()1( (2)

La frecuencia de salida del contador será entonces:

io PfP

mnf (3)

Un circuito comercial utilizado por la estación de Rebelde, ubicada en la carretera a

Camajuaní Km. 4 se presenta a continuación.

Fig. 2.4.5

En la referencia comercial el integrado CD4046 califica como un sintetizador de

frecuencias a PLL, sin embargo note que en realidad solo contiene el VCO y el comparador

de fase, con la posibilidad de colocar externamente un circuito RC paso bajo. Es común en

el ámbito comercial que los sintetizadores de frecuencia a los que se refieren en los

manuales siempre se le deba agregar alguno que otro bloque de los que aparecen en los

textos docentes y la figura anterior es un ejemplo de ello. Veamos ahora otro ejemplo muy


utilizado en la banda ciudadana CB. Es el integrado de referencia ECG1255, cuyo esquema

se ilustra en la Fig. 6. Note que el integrado tiene dos terminales osc in y osc out en los que

de alguna manera se debe insertar un cristal para proporcionar la frecuencia de referencia.

Le sigue un divisor o preescalador cuyo factor de división está determinado por la

colocación de un nivel alto o bajo en ese Terminal, observe que si divide por 1024 y se

obtienen 10 kHz, entonces la frecuencia del oscilador de referencia es de 10.24 MHz. Si se

divide por 2048 sería de 5 kHz, es decir, en este circuito integrado se brindan dos

resoluciones al sintetizador que se diseñe 5 kHz o 10 kHz. La presencia del comparador de

fase se explica por si solo y tiene dos salidas, una va al VCO y otra indica si el PLL está o

no amarrado. En el Terminal 2 se introduce la frecuencia de salida del VCO o si se hace

después de un procesamiento y con la selección adecuada del factor de división en el

contador programable se obtiene la frecuencia deseada. Es conveniente aclarar que todos

estos circuitos integrados operan dentro de un intervalo de frecuencia en cuestión y para

lograr frecuencias de salida superiores entonces se requiere hacer procedimientos de

mezclas y conversión de frecuencias.

Fig. 2.4.6


Una de las aplicaciones donde la aplicación de los sintetizadores de frecuencia a PLL

tuvieron una extensa aplicación fue en los transceivers de la banda ciudadana CB. En la

siguiente figura se presenta una aplicación del sintetizador a PLL ECG1233.

Fig. 2.4.7

Para el diseño del PLL se deben establecer una serie de condiciones:

a) Intervalo de frecuencia de trabajo, este intervalo debe contener un conjunto de

frecuencias que responda a la banda de frecuencias en que se trabaja, por ejemplo,

en el caso de FM, en lo posible debe cubrir un espacio entre 88MHz y 108MHz.

b) Resolución del sintetizador, este valor tiene que estar relacionado con el ancho de

banda del espectro que se desea cubrir. Por ejemplo, en el caso de la CB la

resolución no puede ser mayor de 10 kHz que es el ancho de banda destinada a cada

canal. En muchos casos el valor de la resolución es mucho menor lo que permite un

ajuste más fino de la frecuencia de salida, notemos que en la página de datos del

CD4046 la resolución propuesta para el diseño es de 1 kHz.

c) Divisor programable, este es un aspecto muy importante, el circuito del divisor debe

operar a la frecuencia de salida del VCO, generalmente los divisores de frecuencia a

TTL no están diseñados con esta finalidad, sobretodo si se trabaja el VCO en el


orden de las decenas de MHz. Para lograr la frecuencia de salida entonces se debe

hacer uso de etapas de conversión de frecuencias.


El desarrollo de la actividad práctica consiste de varios pasos.

i. Seleccione el esquema de PLL a montar en función del intervalo de

frecuencias de trabajo.

ii. Verifique con ayuda de un programa de simulación el

comportamiento del circuito que Ud. ha seleccionado con las

componentes de que dispone.

iii. Realice el montaje práctico y realice las pruebas experimentales para

comprobar el funcionamiento del PLL dentro del intervalo de

frecuencias seleccionado.

iv. Elaboración de un informe en formato magnético donde se indiquen

los resultados de la programación de la variante seleccionada,

tabulación de los resultados experimentales y un análisis crítico de

las diferencias observadas si es que las hubo.

v. Al igual que en los restantes experimentos los grupos de laboratorio

no pueden ser mayor de 3 estudiantes y los resultados serán tomados

en consideración para la calificación final de la asignatura.

Una sugerencia que puede ser tomada como referencia para el desarrollo de la actividad

practica presenta al PLL CD4046, conjuntamente con el CD4060, que es un integrado

oscilador contador y un 74193 que puede ser usado como divisor programable a la salida

del VCO interno en el PLL. Para ello se utilizó un cristal de 3.579 MHz, muy usual por su

uso como referencia de ráfaga de color en el sistema de TV. Se diseñó para una frecuencia

de salida de 111.12 kHz, que aunque no es comercial se ajusta a las condiciones del

sintetizador. La programación en el PROTEUS brindo los resultados indicados en las

figuras presentadas a continuación. En las figuras 8 y 9, la simulación y los resultados y en

las 10, 11 y 12 los resultados experimentales para diferentes factores de división en el


divisor programable. En amarillo la señal de referencia y en azul la señal de salida del

VCO.

Fig.2.4.8

Fig.2.4.9


Fig.2.4.10

Fig.2.4.11


Fig.2.4.12


1) Explique en que consiste la síntesis directa de frecuencias.

2) Explique en que consiste la síntesis indirecta de frecuencias.

3) Realice una comparación entre los métodos de síntesis de frecuencias

directo e indirecto

4) ¿De que depende la resolución de un sintetizador de frecuencias a PLL?

5) ¿Cuáles deben ser las características del filtro paso bajo de un sintetizador

de frecuencias a PLL?

6) Explique que técnicas Ud. podría usar cuando el divisor programable del

que dispone no cumple con los requisitos de operación de la frecuencia de

trabajo del VCO.

7) ¿Qué cambios debe realizar en el circuito estándar un sintetizador de

frecuencias a PLL para transformarlo en un circuito modulador de

frecuencias?

8) ¿A partir de la información técnica del ECG1253 realice una propuesta de

transceiver para la banda ciudadana?

9) Establezca la diferencia entre el intervalo de bloqueo y el de captura en un

PLL.


10) Describa la operación de un contador programable de doble modulo.

VI. Bibliografía

Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No 7

Sintetizadores de Frecuencias.

Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 2, Pág. 91-98

Manual ECG Semiconductor, Vol. 2, Pág. 537-539, 582-601, 632-640

Electronic Communication Techniques, Cap.10, Pág. 417-4. Ed 1999, Prentice Hall

Estado Solido en Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 6. Ed. 1994



2.5 Practica: Modulación de Amplitud


Manejo de programas de simulación y de equipos de laboratorio: osciloscopio

digital, generador de señales de RF y analizador de espectro.

II. Objetivos

Comprobar experimentalmente las características principales de las técnicas de

modulación de AM DSBFC y FM: formas de onda, ancho de banda, espectro de

frecuencias y patrones de medición.

III. Marco Teórico

Las técnicas de modulación analógicas de AM y FM son las más utilizadas en el campo de

la radiodifusión. En el caso de la AM, la sencillez del circuito demodulador aún lo hacen

atractivo en los sistemas de punto a zona. El costo de los receptores es muy barato y

continúa en la preferencia de los usuarios, a pesar de las desventajas que posee. En la

modulación de AM el parámetro de la portadora que es afectado por la señal moduladora es

su amplitud y la expresión matemática que la define es:

tftfEmEctVam cm 2sen2sen)( (1)

Donde el primer término representa la amplitud de la portadora modulada, en el que Em es

la amplitud máxima de la señal moduladora y fm su frecuencia, expresadas en volt y Hz

respectivamente.

Un sencillo desarrollo de la expresión nos permite determinar la conformación del espectro.

En la siguiente figura se ilustra su representación en el campo de la frecuencia, así como los

principales parámetros que la caracterizan.


Fig. No 2.5.1

Donde m es el índice de modulación, parámetro que nos indica la relación de amplitudes

entre las señales moduladora y portadora a través de la siguiente relación:

Ec

Emm (2)

En términos de potencia en una señal modulada en AM, las relaciones entre los niveles de

portadora y bandas laterales se expresan mediante la siguiente expresión:

Pcm

Pcm

Pcm

PcPAM442

1222

(3)

El primer término representa la potencia de la portadora mientras que los dos que le siguen

representan la potencia en cada banda lateral. Un sencillo análisis de la expresión

suponiendo un 100% de modulación, es decir, m=1, nos indica que en la potencia de salida

de una señal de AM, las 2/3 partes corresponden a la potencia de la portadora, mientras que

solo 1/3 es de información, que si consideramos que se repite, entonces sería de 1/6 de la

potencia total. Este es un punto que nos indica la pobre eficiencia, en términos de potencia

de una señal de AM, resuelta más tarde por la BLU.

En la práctica la modulación de AM puede ser realizada fundamentalmente en dos puntos

de un transmisor: en bajo nivel o en alto nivel. En la Fig. No 1 se presenta la posibilidad de

actuar en estos dos puntos.


Fig.2.5.2

La modulación en bajo nivel se realiza como su nombre lo indica en la parte del

transmisor donde los niveles de potencia son muy bajos y tiene la ventaja de que la

potencia requerida por el circuito modulador es muy pequeña, esto facilita la linealidad

de la operación y demanda que los elementos que conforman el modulador no

demanden requerimientos de potencia altos. La desventaja de esta técnica radica en que

después que se realiza la modulación se necesitan pasos de amplificación lineales para

evitar la distorsión armónica y por tanto atenta contra la eficiencia del transmisor

En alto nivel la modulación se realiza en el paso final. En este punto los niveles de

potencia exigidos son muy altos, recuerde que la potencia de modulación es una parte

considerable de la potencia de salida y por tanto en este caso las exigencias de la etapa

moduladora son mayores. La ventaja fundamental es que se pueden usar etapas no

lineales con altos valores de eficiencia. En el caso de una estación transmisora normal,

con salida que puede oscilar entre 10kW y 50kW, esta última técnica es la más

recomendada, quedando la primera para dar soluciones a problemáticas de aplicación

muy específica.

Un ejemplo de circuito modulador de bajo nivel se ilustra en la Fig. 2.5.3


Fig.2.5.3

En el modulador de bajo nivel la señal moduladora incide sobre la ganancia del

amplificador. Como se nota en la figura la inyección de la señal moduladora por el

emisor cambia la polarización y por tanto varía la corriente, haciendo esto que cambie

la resistencia dinámica de emisor y por tanto la ganancia que presenta el amplificador a

la señal de RF aplicada a la base.

Del circuito:

(4)

Para:

Para una condición de 0sen twm , entonces, mínIeIe . Por tanto cambia la resistencia

dinámica de emisor y la ganancia se hace ahora mínima. El transformado utilizado

Re

7.0

Rth

tVmsenwVthIe m


como modulador puede ser cualquiera que se utilice como excitador del paso de salida

en un receptor de AM transistorizado convencional. Los requerimientos del transistor

deben satisfacer fundamentalmente la frecuencia de operación de portadora y la

ganancia de corriente, esta última alrededor de 100 sería un valor típico. El circuito

autopolarizado debe satisfacer las condiciones especificadas por el fabricante y la red

paso alto RC a la salida limitarse a dejar pasar las variaciones de amplitud de la

portadora.

Un ejemplo de circuito modulador de alto nivel se presenta en la Fig.2.5.4

Fig.2.5.4

En este caso el voltaje de suministro cambia según la inyección de la moduladora y por

tanto la amplitud de la señal a la salida, ahora:


De esta forma tendremos a la salida una señal de alta frecuencia cuya amplitud está

cambiando al ritmo de la señal moduladora.

Este principio de la modulación de alto nivel es el utilizado actualmente en todas las

estaciones de radiodifusión del país. En qué puntos radica la diferencia con respecto a

los esquemas convencionales que generalmente se presentan en los libros de texto:

1. La frecuencia de la portadora se genera a partir de un oscilador a cristal o un

sintetizador de frecuencias con la particularidad de que la frecuencia inicial es

mucho mayor que la de la portadora. Para lograr la frecuencia de la portadora se

debe realizar un procedimiento de división.

2. La frecuencia del oscilador es utilizada para conformar un circuito de modulación

PWM de la moduladora y aplicar un proceso de amplificación clase D, buscando de

esta forma obtener altos grados de eficiencia y compacticidad en el tamaño de la

sección moduladora que realiza el proceso de modulación del transmisor en la etapa

final.

3. El paso final opera en clase D o conmutada con el objetivo de alcanzar altos valor

de eficiencia y la modulación se realiza en la etapa de salida. Generalmente se

utilizan varios módulos para distribuir la potencia final del transmisor, esto hace que

los trabajos de mantenimiento se limiten solo al chequeo de módulos

independientes.

4. Después de realizada la combinación de potencia aportada por cada módulo se

realiza un procedimiento de filtrado para eliminar las componentes armónicas de

alta frecuencia y quedarnos solo con la de la portadora.


La realización de la práctica consiste de varios pasos:

i. Selección de la variante por parte del estudiante. La selección del

esquema circuital queda a libre selección, siempre teniendo en cuenta

que satisfaga los requisitos y las componentes que pueden ser

adquiridas.


ii. Comprobación de la operación de la variante seleccionada con ayuda

de un programa de simulación. Para este caso se deben hacer

variaciones en los parámetros del programa que permitan validar

dentro de que limites opera correctamente el modulador

seleccionado.

iii. Montaje del circuito en el laboratorio, comprobación de su

funcionamiento y evaluación por parte del profesor encargado.

iv. Utilice al analizador de espectro para comprobar el cambio en la

posición de la portadora y bandas laterales cuando la señal

moduladora es un simple tono.

v. Elaboración de un informe donde se presenten los resultados de la

programación y el montaje realizado. Debe reflejar una discusión

crítica de los resultados obtenidos experimentalmente con los

esperados y análisis de errores cometidos.

La selección del programa de simulación es criterio del estudiante. A continuación

presentamos un ejemplo que puede servir como referencia para la realización de la práctica

de laboratorio El circuito es básicamente un esquema de oscilador Colpitts, donde la

modulación actúa sobre la ganancia del oscilador, mediante el control de la corriente de

base. Se utilizan las expresiones ya conocidas de frecuencia y ganancia de la red de

realimentación para satisfacer el criterio de Barkhausen. Es un modulador de bajo nivel y a

excepción del presentado en el marco teórico que requiere de un oscilador externo aquí se

realiza sobre el propio oscilador. Los resultados de un programa de simulación se presentan

en la Figs.2.5.5y 2.5.6

Es importante señalar que en el diseño del oscilador la selección del transistor debe

satisfacer los requisitos de frecuencia de operación y las recomendaciones del fabricante en

cuanto a su aplicación específica. Esto no quiere decir que no pueda ser utilizado un

transistor de propósitos generales, el ECG 123AP es un ejemplo que satisfacen varios

transistores. Los capacitores utilizados se recomiendan de mica o cerámica, nunca debe

usar de papel ni poliéster. Los resistores se recomiendan que sean de carbón, por sus


características no inductivas, aunque si la frecuencia no es muy alta del orden cientos de

kHz se pueden emplear del tipo metalizadas.

Fig.2.5.5

Fig.2.5.6

V. Preguntas de Comprobación

1) Describa el funcionamiento básico de un modulador de AM


2) Para una modulación de 100%, ¿Cuál es la relación entre amplitudes de voltaje de

las frecuencias laterales y de la portadora.

3) ¿Cuál es la relación entre la frecuencia de la señal moduladora y el ancho de banda

en un sistema convencional de AM?

4) En un transmisor de AM de radiodifusión, explique las diferencias que se imponen

en la selección de las etapas de potencia cuando se realiza la modulación en bajo

nivel y cuando se hace en alto nivel.

5) Describa físicamente como se realiza la modulación de AMJ en alto nivel por

colector.

6) Explique como debe realizar las conexiones a un osciloscopio para medir el índice

de modulación de una portadora modulada en AM por un tono, usando un patrón

trapezoidal.

7) En una señal de AM DSBSC determine el % de potencia de salida que constituye

información útil.

8) En una señal de AM DSBFC determine el % de potencia de salida que constituye

información útil y compárela con la pregunta 7.

9) Una señal de AM tiene 100V pico, 40 kHz de portadora, modulado por un tono de

10 kHz con un índice de modulación del 50%

Dibuje la señal de manera precisa sobre un periodo de 0.2 mseg

Dibuje el espectro de frecuencias, incluyendo la frecuencia y voltaje de cada

una de las componentes

Escriba la expresión matemática que define esta señal, donde se presenten

las componentes de portadora y bandas laterales

¿Qué ancho de banda es necesario para transmitir esta señal de AM?

Calcule la potencia desarrollada a través de una carga de 50Ω a la frecuencia

de la portadora, una de las bandas laterales y la potencia total.


¿Qué cantidad de potencia puede ser ahorrada si se transmite solo una banda

lateral sin portadora?

10) ¿Cómo determina Ud. el índice de modulación en caso de que la moduladora tenga

carácter complejo?

VI. Bibliografía


Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 3, Págs. 102-143

Electronic Communication Techniques, Paul H. Young, Cap. 5, Págs. 133-144. Ed 1999,

Prentice Hall

Estado Sólido de Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 8. Ed. 1994

Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 12, Ep.12.3. Ed. 1998, Mc Graw Hill


2.6 Practica: Modulación de FM


Manejo de programas de simulación y equipos de laboratorio: osciloscopio digital,

generador de señales sinusoidales, analizador de espectro y fuentes de suministro para

la comprobación de los resultados experimentales.

II. Objetivos

Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un circuito

modulador de frecuencias.

Desarrollar destreza en el manejo de los equipos de laboratorio que permitan la

comprobación experimental de la teoría estudiada.

III. Marco Teórico

La modulación de FM es una técnica de modulación analógica donde la información

afecta la frecuencia de la portadora, aunque con circuitos de detección más complejos y

una demanda mayor de ancho de banda son actualmente de gran preferencia en el

campo de la radiodifusión por el nivel de calidad de la señal que se transmite, el alto

valor de inmunidad a los ruidos hechos por el hombre y la facilidad de poder satisfacer

los requerimientos para la conformación de la señal estéreo. Comercialmente la

desviación de frecuencia comercial establecida es de ∆f = ±75kHz. La expresión para

una señal modulada en frecuencia es de:

twmtwEcV mcFM coscos (1)

Desarrollando la expresión con ayuda de las funciones de Bessel, nos queda:

EcVFM [2

cos)(cos)( 10 twwmJtwmJ mcc2

cos)(1 twwmJ mc

twwmJ mc 2cos)(2 ......2cos)(2 twwmJ mc ] (2)


La expresión (2) nos muestra que una señal modulada en frecuencia por un tono simple

produce un número infinito de frecuencias de bandas laterales. Los conjuntos sucesivos se

denominan bandas laterales de primer orden, segundo orden y así sucesivamente. En una

tabla de Bessel de primera clase para un valor dado de m (índice de modulación, definido

por la razón entre la desviación de frecuencia y la frecuencia máxima moduladora, m

=Δf/fm) se pueden determinar los valores de las amplitudes de los coeficientes de Bessel y

así la estructura del espectro. Cuando los coeficientes son muy pequeños pues entonces se

desprecian. Un ejemplo de espectro para m =2, nos daría:

Jo = 0.22

J1 = 0.58

J2 = 0.35

J3 = 0.13

J4 = 0.03

Estos valores pueden ser derivados de los gráficos que identifican a las funciones de Bessel

y que se presentan en la Fig. 1.

Fig.2.6.1

Gráficamente el espectro quedaría:


Fig.2.6.2

Como se nota el ancho de banda que ocupa una señal modulada en FM supera al de una

señal de AM y solo cuando el índice de modulación es muy pequeño, alrededor de 0.5 o

menos, entonces en la tabla de las funciones de Bessel solo aparecen como significativas el

primer par de bandas laterales. En este caso, a la modulación de FM se le denomina de

banda estrecha. Otro aspecto de interés a tener en cuenta, es que en FM la potencia de

salida no depende del índice de modulación como en el caso de la FM, sino que es

constante. Como se puede deducir de las funciones de Bessel si el índice de modulación

cambia, entonces los valores de amplitud de las componentes espectrales también lo harán,

de forma que el nivel de potencia total de la señal modulada permanece constante. Un

detalle de interés que puede ser comprobado en la práctica es el hecho de que para un valor

determinado de índice de modulación el nivel de portadora se reduce a cero, es decir, en ese

punto no hay señal de frecuencia de portadora en el aire. Desde este punto de vista los

requerimientos de la fuente de suministros son menos exigentes en FM que en AM. En la

Fig. 3 se presentan varios espectros para diferentes índices de modulación, note que

alrededor de 2, el valor de amplitud de la portadora se ve muy reducido.


Fig.2.6.3

En muchas ocasiones y con el objetivo de determinar un ancho de banda práctico donde se

estime que se encuentra alrededor del 90% de la energía de la señal modulada se utiliza la

regla de Carson, que establece:

maxfmfBW 2 (3) donde:

f Máxima desviación de frecuencia

maxfm Frecuencia máxima de la señal moduladora

Existen muchas variantes circuitales que son utilizadas para diseñar un modulador de

FM, una de las más conocidas es el modulador de reactancia cuyo esquema se presenta

en la Fig.2.6.4


Fig.2.6.4

Un análisis sencillo nos permite derivar la expresión de capacidad que se encuentra a la

derecha de la línea de puntos y que en paralelo con C1 cambia el valor de la frecuencia

de salida en función del nivel de la señal moduladora. Suponiendo una corriente de base

despreciable, el voltaje a la entrada del dispositivo es:

11Riv Rb (4)

En donde:

2

1

C

RjXR

Vi (5)

por tanto, 1

2

xRjXR

Vv

C

b (6)

y la corriente en el transistor es:

1

2

xRjXR

Vgvgi

C

mbmC (7)

Entonces la impedancia desde el colector a tierra se expresa por:


C

di

VZ (8)

Suponiendo que R1<<<Xc2, nos queda resolviendo (7)

212 CRgf

jZ

mm

d (9)

Como se puede deducir de la expresión (9) el valor de la impedancia vista entre los

terminales de la línea punteada a la derecha es de carácter capacitivo y su valor estará

en dependencia del nivel de señal de la moduladora, por tanto la capacidad del circuito

tanque cambiara al ritmo de la moduladora y tendremos a la salida una señal modulada

en frecuencia.

Existen otros circuitos que actualmente son utilizados y que se diseñan a base de

circuitos osciladores de estructuras conocidas, por ejemplo el Colpitts, donde uno de

los capacitares que determina la frecuencia se sustituye por un diodo varactor o varicap.

En la Fig. 2 se puede observar que las componentes espectrales de alta frecuencias,

situadas en los extremos de la banda tienen una amplitud demasiado pequeña. La

transmisión de este espectro en un soporte radioeléctrico, extremadamente agresivo

hace que estas componentes tengan un alto grado de afectación por el ruido, a tal punto

que generalmente se desvanecen. Para resolver este problema, antes de realizar la

modulación se hace pasar la señal moduladora por un filtro paso alto con el objetivo de

acentuar las componentes de alta frecuencia, este procedimiento se denomina pre-

énfasis y en el receptor para que se recupere la información sin distorsión se debe

realizar el procedimiento inverso, de-énfasis, con un filtro paso bajo. En la práctica

comercial un valor estimado de constante de tiempo es de 75 μseg. En la Fig. 5

presenta la respuesta de frecuencia para ambos casos, note que la frecuencia de corte

esta alrededor de los 2.2 kHz y la gráfica trabaja hasta 15 kHz que es la frecuencia

máxima utilizada en los sistemas de radiodifusión.

En la Fig. 6 se presentan los esquemas circuitales que realizan estas características.

Lógicamente en la recepción se debe utilizar siempre la misma constante de tiempo.

Muchos técnicos de forma errónea eliminan en los receptores el capacitor del circuito


de de-énfasis con el objetivo de acentuar mas las frecuentas agudas, lo que constituye

un error.

Fig.2.6.5

Fig.2.6.6

Un esquema del tipo Clapp que ejemplifica la forma en que se puede realizar la

modulación de FM se muestra a continuación con los resultados del programa de

simulación.


Fig.2.6.7

Fig.2.6.8




estudiante:

Selección de la variante por parte del estudiante, no tiene que ser las que se

presentan en el marco teórico y determinar los valores de las componentes que

la conforman.

Utilizar un software que valide el diseño realizado.

Realizar el montaje del circuito en el laboratorio y realizar las pruebas

experimentales necesarias para verificar el diseño: deben incluir, medición de la

frecuencia de la portadora, análisis espectral, alteración del espectro con

cambios en los niveles de señal y otros que contribuyan a validar su diseño.

Elaboración de un informe en formato electrónico donde se presente una

discusión de los resultados obtenidos y los esperados en la simulación,

explicando las diferencias observadas.


1) Describa la relación de fase instantanea de la portadora y la señal moduladora para

FM

2) Describa el funcionamiento básico de un generador de FM con un diodo varactor

3) ¿Que relación existe entre la potencia en la portadora no modulada y en la onda

modulada, para FM ?

4) Explique cuáles son las exigencias en cuanto a regulación que un transmisor de FM

demanda de su fuente de suministro DC.

5) Explique la variación que experimenta en su espectro la señal modulada en FM

cuando el índice de modulación cambia.

6) Defina los términos que caracterizan la denominada FM banda estrecha.

7) Explique como opera un modulador de reactancia y establezca una diferencia con

respecto al utilizado en el transmsior de FM que sirve de ejemplo de simulacion en

el marco terroico del experimento 7.


8) ¿Que diferencias existen entre la modulacion de AM y FM en cuanto a la seleccion

de los amplificadores de potencia despues que se realiza el proceso de modulacion ?

9) ¿Que funcion realiza el procedimiento de preenfasis antes de la modulación y

poraque resultra necesario hacerlo ?

10) Explique como se escucharia una señal de audio si en el receptor se elimina el

circuito de deenfasis.

VI. Bibliografía




Albert Paul Malvino (1999), Principios de Electrónica Cap. 23 Pág. 942-962

M.S.GHASUI (2006), Circuitos Electrónicos Cap.10 Pág. 491-496


2.7 Practica: Transmisor de FM


Manejo de programas de simulación y equipos de laboratorio, conocer los

principales fundamentos de los bloques que conforman un transmisor de FM y

variantes.

II. Objetivos

Conocer a nivel de esquemas en bloques las principales partes que conforman

un transmisor

Saber comprobar en la práctica los resultados del diseño de un transmisor de FM

en la banda comercial.

III. Marco Teórico

En los sistemas de radiodifusión comerciales de audio, la transmisión de la señal en FM

es la más extendida. Existen una serie de ventajas que la hacen superior a las demás

técnicas:

a) inmunidad al ruido

b) calidad de la señal

c) posibilidad de transmitir señales estereofónicas con una alta calidad

Aunque se pueden mencionar otras estas son las más importantes. Por otro lado la

tecnología ha posibilitado que el proceso de demodulación en el receptor, algo

complicado con relación a la AM en años atrás haya sido completamente resuelto. Hay

dos esquemas básicos de transmisores de FM comerciales tratados en la bibliografía:

transmisor basado en el principio de Crosby y el que utiliza el PLL como sintetizador

de frecuencia y etapa moduladora. Analicemos brevemente los dos y en base a los

elementos de que disponga seleccione la variante mas adecuada. En la Fig 1 se presenta

un esquema básico en bloques de un Transmisor de Crosby.


El transmisor de Crosby es un método de generación directa de modulación de

frecuencia que utiliza un circuito de AFC (control automático de frecuencia para

mantener la frecuencia de salida estable dentro de los límites impuestos por las

regulaciones comerciales). Un modulador de reactancia y circuitos multiplicadores para

alcanzar la frecuencia de salida. La señal moduladora es aplicada a la entrada de un

circuito pre-énfasis después de ser previamente amplificada, procedimiento ya descrito

en la práctica de modulación de FM. La salida del circuito pre-énfasis se aplica al

modulador de reactancia que garantiza una frecuencia en el oscilador primario de 5MHz

sin modular. Para alcanzar la banda comercial de FM se utilizan dos triplicadores y un

doblador, en total el factor de multiplicación de 18, dando a la salida una frecuencia de

90MHz. En el circuito de AFC se utiliza un oscilador a cristal de frecuencia 14.67

MHz, cuya salida es multiplicada por 6, dando un valor de 88MHz. La señal de salida

de frecuencia 90MHz y la de 88 MHz se aplican a un mezclador y a la salida de este se

coloca un filtro pasa banda de frecuencia central 2 MHz. La salida del filtro se aplica a

un discriminador de frecuencias, cuya característica puede ser similar a la que se

muestra en la Fig.2.7.2

Fig.2.7.1


Fig.2.7.2

Como se puede observar un cambio de frecuencia alrededor de 2MHz dará a la salida

un voltaje positivo o negativo que hará que el oscilador primario estabilice su

frecuencia de portadora. Por ejemplo si la diferencia es mayor de 2MHz, entonces el

voltaje a la salida del discriminador será positivo y aplicado al circuito oscilador hará

que la frecuencia de salida recupere su valor original disminuyendo. Si por el contrario

es menor de 2MHz, entonces el voltaje será negativo y el oscilador aumentara su

frecuencia hasta el valor original. La colocación de un filtro paso bajo a la salida del

discriminador evita que se apliquen correcciones al oscilador debido a los cambios de

frecuencia de la portadora debido a la modelación. Los corrimientos experimentados

por los osciladores tienen una frecuencia extremadamente baja, Es importante notar en

el proceso de modulación como se afecta la desviación de frecuencia con el proceso

multiplicativo, por tanto debe tener en cuenta para la realización de pruebas que con

una frecuencia de portadora de 15 kHz, la desviación en los terminales de salida no

sobrepase los 75KHz, para un índice de modulación de 5.

La otra variante utiliza un PLL y la referencia para mantener la estabilidad de la

frecuencia de salida. La ventaja de esta variante es que dentro de ciertos límites se


puede cambiar la frecuencia de salida. Un esquema que ilustra este principio se presenta

a continuación.

Fig.2.7.3

La figura presenta todos los bloques disponibles en un sintetizador de frecuencias a

PLL donde e VCO queda modulado en frecuencia por la señal moduladora. Este

esquema utiliza una frecuencia de salida de 125 MHz con un ancho de banda de

±10kHz. En el caso de la FM comercial las condiciones son diferentes. La banda se

extiende desde 88MHz a 108MHz, con un ancho de banda asignado a casa canal de 200

kHz para una desviación máxima de ±75 kHz. En la Fig 4 se ilustra como quedan

canales adyacentes.

Fig.2.7.4


Entonces el esquema presentado tiene que ser objeto de modificaciones para satisfacer

los requisitos de los sistemas de radiodifusión. Haciendo las modificaciones necesarias

podría ser utilizado para la transmisión de la señal estereofónica que puede ser

conformada siguiendo los pasos de la estructura que se muestra en la siguiente figura.

La señal SCA (Autorización de Comunicaciones Subsidiarias), utilizada para

suscriptores privados, como tiendas, departamentos, etc. puede ser obviada.

Fig.2.7.5

El esquema para lograr la señal en banda base estereofónica se muestra en la Fig.2.7.6

Para el desarrollo de la actividad práctica el estudiante deberá seleccionar entre estas

dos variantes y la condición básica que se impone es que el transmisor diseñado opere

en la banda de FM comercial. Un aspecto interesante lo constituye el hecho de que no

siempre es posible la adquisición de elementos como los PLL que operen a frecuencias

tan elevadas y lo mismo se puede decir con relación al contador programable, entonces

se debe buscar una solución de compromiso que permita alcanzar la frecuencia de

salida introduciendo algunos elementos como multiplicadores y mezcladores según sea

el caso. En caso de ser usado un modulador a PLL, la resolución debe satisfacer los

requisitos de canales adyacente en la radiodifusión comercial un valor aconsejable

puede ser de 10 kHz, aunque en los circuitos profesionales se llega al orden de 1 kHz.


Hay otros esquemas que pueden ser instrumentados, pero que desde luego no tienen el

mismo nivel de consideración que los que fueron expuestos anteriormente. En la

Fig.2.7.7 se presenta un caso simple y los resultados de la simulación en la Fig.2.7.8

Fig.2.7.6

Fig.2.7.7


Fig.2.7.8



estudiante:

i. Selección de la variante atendiendo a las existencias que se plantean.

ii. Utilizar un software que valide las características del circuito

diseñado: frecuencia de salida, desviación de frecuencia, potencia de

salida, etc.

iii. Montaje del circuito y pruebas experimentales, el circuito puede ser

montado por bloques en la medida que transcurra el desarrollo de la

asignatura.

iv. La prueba final debe ser realizada con una señal moduladora musical

y comprobando el alcance del esquema diseñado, se debe además

hacer observaciones en cuanto a la antena utilizada si es necesario.

v. Elaboración de un informe en formato electrónico donde se indiquen

los resultados de la programación de la red, resultados prácticos


debidamente tabulados y un breve análisis crítico que presente una

comparación entre los obtenidos y los esperados en el diseño.

vi. Los grupos de práctica no pueden ser mayores de tres estudiantes.

vii. La nota de esta práctica tendrá un peso definitivo en la evaluación

final de la asignatura, por su carácter integrador..


1) Suponga que existe un corrimiento de frecuencias positivo en el VCO del transmisor de

Crosby de la fig. 1, cual seria el cambio que experimenta el punto de trabajo situado en

condiciones normales en la fig. 2

2) ¿Cuáles deben ser las características en cuanto a la frecuencia de corte del filtro

utilizado en un transmisor de FM a PLL?

3) Haga una propuesta de un transmisor de FM a PLL en caso de que el VCO no llegue a

poder generar de manera directa la frecuencia de trabajo en la banda de FM comercial.

4) ¿Por qué en un transmisor de Armstrong es imprescindible el uso de factores de

multiplicación tan elevados?

5) Explique en los transmisores de FM comercial como puede Ud. lograr un índice de

modulación de 5 de la señal a la salida del transmisor.

6) En caso de que en el transmisor de Crosby exista un problema como se indica en la

pregunta uno, explique que situación tiene que presentarse para que no haya

corrimiento de frecuencia en los terminales de salida.

7) Un analizador de espectro muestra una señal modulada en FM (fc=100MHz) con

componentes de frecuencias separadas 10kHz y la amplitud de la `portadora es igual al

las del primer grupo de bandas laterales:

Determine el índice de modulación

Si ko=30kHz/volt determine el voltaje y frecuencia de la señal moduladora

Si la potencia de la portadora sin modular es de 10 Kw, determine la potencia

transmitida a 100.01 MHz cuando ha sido modulada


Que cantidad de voltaje de entrada de señal aplicada al VCO es necesaria para que la

potencia para hacer la potencia de la portadora cero.

8) Un VCO lineal produce una señal de 2V pico no modulado a 100 MHz, la sensibilidad

de modulación es de ko=10kHz/volt. Si el VCO es modulado con una señal

cosinusoidal de 707.1 Vrms, determine:

Desviación pico de la frecuencia de la portadora

Índice de modulación

9) Determine la potencia de la portadora transmitida sobre una antena de 75 Ω si el índice

de modulación es 2 y el voltaje no modulado es de 2 volt pico. Halle la potencia del

cuarto grupo de bandas laterales J4.

10) Explique los cambios que Ud. cree deben hacerse para que un transmisor de FM

monofónico pueda transmitir una señal estereofónica.

VI. Bibliografía


Transmisores de FM


Estado Sólido de Ingeniería en Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 15. Ed. 1994

Electronic Techniques Communication, Paul Young, Cap. 9. Ed 1999, Prentice Hall


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 78

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Haciendo un análisis crítico de los resultados obtenidos podemos enumerar los siguientes:

Se dispone de un trabajo estructurado de manera didáctica con el fin de profundizar los

conocimientos de los estudiantes, que le brinda una total independencia a los la

selección de las variantes objetos de estudio, cualidad que cultiva seguridad y confianza

en los futuros graduados.

Se adquiere el desarrollo de habilidades en el manejo de equipos para la realización de

las prácticas que requieren de un nivel de estudio más profundo por el alto número de

valores añadidos que presenta, como en el caso de los osciloscopios digitales y

analizadores de espectro.

Mediante las simulaciones obtenidas se demostró el funcionamiento de cada práctica en

soporte real, que al mismo tiempo ofrece al estudiante un conocimiento adecuado de la

capacidad de estos simuladores para su aplicación en cada uno de los casos.

Se dispone de un manual actualizado para la realización de las prácticas de

laboratorio de la asignatura radioelectrónica I, donde se realiza un nivel de integración

tanto vertical como horizontal de los conocimientos que debe tener un estudiante según

el currículo de estudios.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 79

Recomendaciones

Ningún trabajo está exento de recomendaciones y atendiendo a los resultados obtenidos en

el tiempo destinado para esta actividad podemos citar algunas recomendaciones con el

objetivo de perfeccionarlo. Estas son las siguientes:

Utilizar en el proceso de simulación diferentes tipos de simuladores con el

fin de validar los resultados obtenidos, se debe tener en cuenta que no todos

en el campo de alta frecuencia tienen los mismos resultados.

Aplicar este criterio de evaluación practica en la asignatura de

Radioelectrónica II por reunir condiciones propicias para ello.

Dotar al manual de un anexo donde aparezcan algunas recomendaciones

técnicas de elementos que se pueden utilizar para el desarrollo efectivo de las

actividades prácticas y que de alguna manera se encuentran disponibles en

nuestro entorno.

BIBLIOGRAFÍA 80

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Ing. Hiram del Castillo Material en soporte magnético. Conferencia No 3 Redes de Acople,

(2011)

Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, 1.7 al 1.9, Ed 1999, Prentice

Hall

Proyecto de Amplificadores de RF, Manual de la RCA, pág. 44-71


Cap

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, H. Krauss, Cap. 3, Ed. 1994

Modern Communications Circuits, Jack Smith, Cap. 4, Ed. 1998, Mc Graw Hill

Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencia No1, 2 y 3.

Tema I Amplificadores Sintonizados de RF de señales débiles.

Electronic Communication, Techniques T. Young, Cap. 1, Pág. 14-22. Ed 1999, Prentice

Hall


Cap. 10.

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Cap. 4. Ed. 1994


www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html?...

www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf

http://www.eecs.umich.edu/eecs/academics/courses/course.html

http://www.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_7.pdf

BIBLIOGRAFÍA 81

Ing. Hiram del Castillo Sabido (2011) Material en soporte magnético. Conferencias No 3 y

4 Amplificadores sintonizados de potencia de RF.

Electronic Communication Techniques, T. Young, Cap. 6, Pags. 170-192 y Cap. 7, Pag.

263-265. Ed 1999, Prentice Hall

RF Power Amplifiers, Mihai Albulet, Cap. 2

RF Power Amplifier Fundamentals, Philips Semiconductor

Técnicas de Proyecto de Amplificadores de Potencia de RF, Motorota

Modern Communications Circuits. Jack R. Smith, McGRAW-HILL, Cap. 11. Ed. 1998.

Estado Sólido en Ingeniería de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 12, 13 y 14. Ed. 1994

Albert Paul Malvino (1999), Principios de Electrónica Cap. 11, Pág. 374-405


Sintetizadores de Frecuencias.


Manual ECG Semiconductor, Vol. 2, Pág. 537-539, 582-601, 632-640


Estado Sólido en Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 6. Ed. 1994



Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, W. Tomasi, Cap. 3, Págs. 102-143

Electronic Communication Techniques, Paul H. Young, Cap. 5, Págs. 133-144. Ed 1999,

Prentice Hall

Estado Sólido de Ingenieria de Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 8. Ed. 1994

Modern Communication Circuits, Jack Smith, Cap. 12, Ep.12.3. Ed. 1998, Mc Graw Hill



BIBLIOGRAFÍA 82


Albert Paul Malvino (1999), Principios de Electrónica Cap. 23 Pág. 942-962

M.S.GHASUI (2006), Circuitos Electrónicos Cap.10 Pág. 491-496


Transmisores de FM


Estado Sólido de Ingeniería en Radiocomunicaciones, Krauss, Cap. 15. Ed. 1994

Electronic Techniques Communication, Paul Young, Cap. 9. Ed 1999, Prentice Hall


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