“Amplificadores Sintonizados”

* Responsables:- Oscar Gómez- Juan Lobos- Ricardo Mendez

*Profesor:- Sr. Pedro Rey Clericus

Valdivia, Martes 21 de Septiembre del 2010

Amplificadores sintonizados.

Los amplificadores sintonizados contienen circuitos resonantes en el circuito de entrada, en el circuito de salida, o en ambos. Se usan para amplificar señales de banda estrecha (es decir, señales cuyas componentes pertenecen a una estrecha banda de frecuencias), mientras que rechazan las señales de las bandas de frecuencia adyacentes.

Por ejemplo, los receptores de radio y televisión utilizan amplificadores sintonizados para seleccionar una señal de entre las varias que llegan al receptor a través de la antena.

En la imagen se muestra un amplificador sintonizado y el circuito equivalente en pequeña señal.

Suponemos que el condensador de acoplo de salida Cc es un cortocircuito para la frecuencia de la señal. Obviamente, la función de Cc es evitar que la tensión continua de polarización en el drenador de J1 llegue a la carga RL. La resistencia Rp mostrada en el circuito equivalente representa las pérdidas en la bobina. La bobina L, el condensador C y la asociación en paralelo de RL, Rp y rd, forman un circuito resonante paralelo. Para simplificar, comenzaremos nuestro análisis despreciando las capacidades del dispositivo.

La tensión de salida del amplificador es:

Donde Z es la impedancia del circuito resonante paralelo. Sustituyendo Vgs=Vin, tenemos que la ganancia de tensión es

Diseño de un amplificador sintonizado

Se debe diseñar un amplificador sintonizado con el JFET 2N5485. La frecuencia central deberá ser de 10 MHz, y el ancho de banda de 200 kHz. La tensión de la fuente de alimentación es . Suponga que y .Desprecie las capacidades parásitas del dispositivo en el diseño.

Calcule la ganancia para la frecuencia central del amplificador.

Desarrollo:

En primer lugar calculamos el factor de calidad total del circuito:

A continuación, seleccionamos la bobina. Sabemos que los valores prácticos de inductancia se encuentran entre 0,5 kH y 20 kH para una frecuencia de 10 MHz. Suponga que seleccionamos una bobina de 1 kH, y que el factor de calidad de la bobina es

(éste es un valor típico para una bobina de alta calidad).Ahora despejamos la capacidad y sustituimos los valores:

La resistencia paralelo que representa las pérdidas de la bobina es

De igual forma, la resistencia efectiva en paralelo del circuito sintonizado es

Se observa que la resistencia efectiva en paralelo es

Despejando RL y sustituyendo valores, tenemos

Para la frecuencia de resonancia, la impedancia del circuito es . Calculamos la ganancia en resonancia y tenemos que:

El circuito completo se muestra en la Figura. Hemos seleccionado CcAC. Esto garantiza que la impedancia del condensador de acoplo sea despreciable para la banda de frecuencias de interés.

Hemos simulado este circuito usando PSpice. Después de ejecutar la simulación, hemos trazado la magnitud de la ganancia que se muestra a continuación. El ancho de banda y la ganancia para la frecuencia central cumplen las especificaciones del diseño. Sin embargo, la frecuencia central es ligeramente más baja.

Esto se debe a las capacidades parásitas del dispositivo, que se han despreciado en los cálculos del diseño. Los resultados del análisis del punto de trabajo dan como resultado los siguientes valores para las capacidades parásitas del dispositivo:

Puesto que la tensión de entrada es pequeña comparada con la de salida, el nodo de la puerta puede considerarse que está puesto a masa (aproximadamente). Por tanto, Cgd está (aproximadamente) en paralelo con el condensador del circuito sintonizado. Debemos reducir C para compensar el efecto de la capacidad parásita del dispositivo. Si reducimos C en 0,992 pF hasta un nuevo valor de 252,3 pF la simulación de nuevo, comprobamos que la frecuencia de resonancia se acerca mucho más al valor deseado. En la práctica, posiblemente podríamos usar una bobina o un condensador ajustable, de forma que el circuito pudiera sintonizarse de forma precisa a la frecuencia de resonancia deseada.

Impedancia de Entrada

Un hecho interesante y potencialmente problemático que afecta a los amplificadores con circuitos de salida sintonizados es que la impedancia de entrada puede contener una resistencia negativa.

La impedancia de entrada Zin del dispositivo activo (o de cualquier otro circuito lineal) puede representarse mediante una asociación en paralelo de la resistencia Rip y de la reactancia Xip, como se muestra en la Figura.

Para obtener una gráfica de la resistencia Rip en función de la frecuencia para el circuito usamos1/IR(VIN), que es simplemente la tensión de entrada dividida entre la parte real de la corriente (el signo menos es necesario debido al sentido de referencia de la corriente). La parte real de la corriente fluye a través de Rip, y la parte imaginaria a través de Xip. De igual forma, la reactancia se obtiene dibujando 1/II(VIN). Las gráficas resultantes pueden verse en la Figura de más adelante.

Observe que Rip es negativa para frecuencias inferiores a la de resonancia. Esta resistencia de entrada negativa es consecuencia de la capacidad de realimentación Cgd del dispositivo activo. Debido al desplazamiento de fase del circuito resonante, el efecto Miller convierte la impedancia puramente reactiva de Cgd en una impedancia compleja que presenta una resistencia negativa.

Uno de los problemas asociados con esta resistencia negativa es que puede dar lugar a la oscilación (muy poco deseable) de un circuito que debiera ser un amplificador.

Por ejemplo, si el circuito de entrada es también un circuito resonante, es posible que la resistencia paralelo neta del circuito de entrada sea negativa (las resistencias negativas pueden asociarse en serie o paralelo de la forma usual, con otras resistencias).

Si la entrada del circuito resulta tener una resistencia equivalente negativa, los transitorios del circuito contendrán términos senoidales con crecimiento exponencial para la frecuencia de resonancia. Esto haría que los circuitos se convirtieran en osciladores y dejaran de ser útiles como amplificadores.

Observe también que la reactancia Xip cambia rápidamente en la proximidad de la frecuencia de resonancia. Esto puede afectar al circuito de entrada, haciendo que la curva de respuesta se desplace. Además, la sintonización del circuito de entrada depende de la sintonización del circuito de salida. Esta interacción de los puntos de sintonización hace que el circuito sea difícil de ajustar.

Neutralización

Un método para evitar la realimentación a través de Cgd es usar un circuito de neutralización para cancelar la realimentación. Un ejemplo de dicho circuito puede verse en la Figura. En este circuito, se acopla una segunda bobina con la inductancia del circuito resonante. Suponiendo un acoplamiento igual a la unidad y una relación de vueltas también igual a la unidad, la tensión en la segunda bobina es la inversa de la componente alterna de la tensión drenador-fuente. Por tanto, si se conecta un condensador Cneut = Cgd entre el secundario y la puerta, una corriente igual en magnitud (pero opuesta en fase) a la corriente

que fluye a través de Cgd, fluirá a través de Cneut hasta la puerta. De este modo, se cancela (o neutraliza) la realimentación a través de Cgd.

A veces no es conveniente usar una relación de vueltas unitaria. A pesar de ello para otras relaciones de vueltas puede también encontrarse un valor para Cneut de forma que se cancele la realimentación a través de Cgd. Por ejemplo, si la relación de vueltas es de dos a uno, de modo que la tensión en la bobina de neutralización es vds/2, debe cumplirse que Cneut = 2Cgd para conseguir la cancelación.

Configuraciones alternativas de amplificadores sintonizados

Hemos visto que la capacitancia de realimentación puede neutralizarse para evitar oscilaciones en los amplificadores sintonizados. Sin embargo, los circuitos de neutralización son engorrosos, y tienen que ser ajustados para acomodarse a las diferencias entre dispositivos. Un método alternativo es usar una configuración de circuito que posea una capacidad de realimentación prácticamente nula. Algunos circuitos útiles son el amplificador en puerta común (o en base común), el circuito cascodo y el amplificador diferencial.