universidad tecnolÓgica nacional …...cada etapa con una ganancia aproximada de 2,7 veces,...

I

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

Departamento de Electrónica

Materia: Medidas Electrónicas 2

Proyecto: Etapa de Frecuencia Intermedia

Docente: Ing. Alejandro Henze.

Ayudante de TP:

Grupo N°:

Alumnos : Biondi Ezequiel, Binetti Leandro,Cudek Misael, Tagliabue Federico

Apellido y Nombre Legajo

1 Biondi Ezequiel 110.959-5

2 Binetti Leandro 119.714-9

3 Cudek Misael 120.978-4

4 Tagliabue Federico 120.876-7

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Entrega Informe Fecha Firma

Primer entrega 10 / 02 / 12

Aprobación / / 12

Entrega Devolución Re-entrega Firma Recepción

2° 20 / 02 / 12 03 / 03 / 12

3° / / 12 / / 12

4° / / 12 / / 12

UTN – FRBA – ME2 Marzo, 2015

II

ÍNDICE Resumen ....................................................................................................................................................... 3

Requerimientos de la cátedra de EAP3: ................................................................................................. 3

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 3

2. DESARROLLO DEL TRABAJO ......................................................................................................... 3

Inicio: ..................................................................................................................................................... 3

Punto de partida: .................................................................................................................................... 4

Criterios:.............................................................................................................................................. 5

Diseño PCB:........................................................................................................................................ 5

Pruebas:.............................................................................................................................................. 6

Mediciones: ......................................................................................................................................... 6

Nuevo Punto de Partida:......................................................................................................................... 6

Criterios:.............................................................................................................................................. 6

El circuito final: .................................................................................................................................... 7

Diseño PCB:........................................................................................................................................ 7

Pruebas:.............................................................................................................................................. 7

Mediciones realizadas ............................................................................................................................ 8

Respuesta en Frecuencia: ................................................................................................................... 8

Frecuencia de Corte: ........................................................................................................................... 9

Frecuencia Central:.......................................................................................................................... 9

F Corte Superior: ............................................................................................................................. 9

F Corte Inferior:.............................................................................................................................. 10

Medición de la Ganancia en la banda de paso:.................................................................................. 10

Graficando las mediciones obtenidas: ............................................................................................ 11

3. RESULTADOS.............................................................................................................................. 12

4. DISCUSIÓN.................................................................................................................................. 12

6. REFERENCIAS ............................................................................................................................ 13

7. ANEXOS....................................................................................................................................... 14

Ganancia Amplificador No Inversor:...................................................................................................... 14

INDICE de Figuras

Figura 1 Amplificador FI 10.7Mhz con OPA + Filtro Esquemático ................................................................... 4 Figura 2 Amplificador FI 10.7Mhz con OPA + Filtro PCB ................................................................................ 5 Figura 3 Amplificador FI 455 Khz únicamente etapas amplificadoras. Esquemático........................................ 6 Figura 4 Amplificador FI 455 Khz con filtro. Esquemático ............................................................................... 7 Figura 5 Transferencia del filtro...................................................................................................................... 8 Figura 6 Frecuencia Central........................................................................................................................... 9 Figura 7 Frecuencia de corte superior ............................................................................................................ 9 Figura 8 Frecuencia de corte inferior ............................................................................................................ 10 Figura 9 Grafico de la Potencia de Salida en función de la Potencia de entrada ........................................... 11 Figura 10 Grafico de la Potencia de Salida en función de la Potencia de entrada, junto con recta de ganancia lineal............................................................................................................................................................ 11 Figura 11 Amplificador no inversor ............................................................................................................... 14


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Etapa de Frecuencia Intermedia Biondi E., Binetti L. ,Cudek M., Tagliabue F.

Docente a cargo: Ing. Henze A. Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires

Medidas Electrónicas 2

Resumen: Se realizó un amplificador de frecuencia intermedia, satisfaciendo los trabajos prácticos de las materias Electrónica Aplicada3, y Medidas Electrónicas 2. Requerimientos de la cátedra de EAP3: Se propone la realización de una etapa de FI que podría ser utilizada en circuito de receptores superheterodinos de modulación de frecuencia. La frecuencia de trabajo, será entonces, de 10,7MHz o 455 KHz. El proyecto deberá cumplir con las características que se describen a continuación:

• Entrada y salida no balanceada de 50 ohms. • Alimentación= 12 V. • Separación entre canales para 455 KHz de 20 KHz y para 10.7 MHz de 200 KHz. • Rechazo canal adyacente < - 20 dB.

1. INTRODUCCIÓN Una aplicación típica de los amplificadores de Frecuencia Intermedia (FI), es en los receptores superheterodinos. Las señales de frecuencia intermedia manejan la información que se quiere recibir sin importar de qué canal venga. Para poder ubicar la señal de cualquier canal, en dicha frecuencia intermedia (de valor fijo), se utiliza un circuito mezclador. El hecho de utilizar una frecuencia fija para realizar el tratamiento de la señal, facilita la construcción de los equipos, y la operación por parte de los usuarios, ya que si no existiera obligaría a los mismos a realizar ajustes cada vez que cambie de estación. Además de televisores, radios, receptores satelitales, celulares, y gps, los amplificadores de FI, también se encuentran en algunos equipos de instrumentación como los analizadores de espectro.

2. DESARROLLO DEL TRABAJO Inicio: Se eligió hacer un amplificador de FI para 10.7 Mhz. La cátedra de EAP3, si bien no lo especifica como requerimiento, propone realizar un amplificador de FI, utilizando múltiples etapas sintonizadas en cascada con transistores discretos, con sus correspondientes inductancias, transformadores de RF, etc. Al inicio de la cursada de dicha materia, se dio a conocer que existen 2 formas de hacer un amplificador de frecuencia intermedia: 1) Con amplificadores sintonizados, 2) Con amplificadores de banda ancha y luego filtro (esta segunda opción no se estudia específicamente en EAP3).


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Punto de partida: Para realizar el mencionado amplificador, partimos de la base de usar un amplificador de banda ancha y luego un filtro cerámico. Beneficios de este método son:

• ganar independencia de los puntos de polarización de los transistores, ya que los mismos afectan la ganancia y la sintonía.

• los amplificadores operacionales, pueden trabajar en un amplio rango de frecuencias, ya que no utilizan inductores.

• Independizarse de la deriva de los parámetros de los transistores debido a las variaciones de temperatura, para el caso de los amplificadores operaciones, la ganancia depende de los componentes pasivos del circuito de realimentación.

• El uso de operacionales permite el diseño de amplificadores de banda ancha, y banda angosta.

No se pudo encontrar de proveedores locales un amplificador que satisficiera las necesidades del proyecto. Se decidió pedir unas muestras a Texas Instruments del integrado THS3202, que es un doble amplificador con realimentación por corriente, de baja distorsión, 12dB de ganancia máx. (Dependiendo de Rf),y ganancia unitaria en 2Ghz(plana hasta 200Mhz) (el cual supera ampliamente los requerimientos para el proyecto). Tomando como base el documento slou148 (Guía de usuario de la placa de prueba THS3202EVM)[Ref 1] y el slyt102 (Amplificadores de Rf e IF con amplificadores operaciones)[Ref 2], propusimos un circuito para el amplificador (ver a continuación).

Figura 1 Amplificador FI 10.7Mhz con OPA + Filtro Esquemático


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Criterios:

• R3/R2 se eligio tal que la ganancia ronde las 20 veces. • Se considero el valor de R3=200 ohms (mínimo recomendado por el fabricante). • R4/R5 cada una se logro con el paralelo de 2 resistores de 100 ohm, para proveer aislación entre las

etapas. • El capacitor C7 se emplea para compensar la pérdida de la ganancia en alta frecuencia.(se respeto el

componente a pesar de que para nuestra aplicación no se va a usar al límite de frecuencia). • R8 cumple la función de adaptar la impedancia de salida del amplificador para el filtro cerámico. • CF1 Filtro cerámico Murata 10.7MS2-A ,Bw=2,30khz. • C1,C2,C3,C4,C5,C6 son capacitores de desacoplo.

Diseño PCB:

El diseño del circuito impreso se realizó tratando de minimizar el largo de las pistas, ubicando las líneas de entrada y salida lo más cerca del circuito integrado. El footprint del integrado fue hecho según las medidas, y recomendaciones del fabricante. El circuito funciona en 10.7 Mhz, asi que por factibilidad para conseguir los componentes se utilizaron componentes truehole. Se eligio ponerle conectores BNC, ya que resultaron ser más económicos que los SMA, y además el instrumental que se dispone utiliza los mismos.(este diseño no fue probado en UTN-FRBA).

Figura 2 Amplificador FI 10.7Mhz con OPA + Filtro PCB


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Pruebas:

Se alimentó al amplificador con una fuente partida de (+5v,-5v), se le inyecto señal utilizando 2 generadores (en distintas oportunidades)[Meguro Denpa Sokki MSG-2301, y National VP-878A], y se midió utilizando (en distintas oportunidades [osc Protek 6502A y DSO5072P]). No se pudo obtener ninguna señal de salida, para ninguna potencia de entrada. La única observación fue que el integrado aumento mucho su temperatura. Se revisó el esquemático y el PCB, sin encontrar errores. Se encontró en internet, una persona que diseño un amplificador utilizando el mismo integrado y tuvo problemas. Resulto en su caso que al querer tener una ganancia grande es posible que existan oscilaciones y hay que distribuir la ganancia entre más etapas, incrementar los valores de Rf, y Rg e incluir choques de ferrites en las líneas de alimentación tanto al dispositivo activo, como resistores de adaptación etc. Según explica, para su caso, como consecuencia de los valores de ganancia que eligió, el amplificador aumento de temperatura y causo que oscilara.[Ref 3] Referencia: En vista de esta información, y de no contar con un analizador de espectro para realizar la medición, decidimos, hacer un amplificador de FI de 455Khz.

Mediciones:

No se pudieron realizar mediciones debido a no contar con el instrumental apropiado.

Nuevo Punto de Partida: Proyecto: Amplificador de FI en 455Khz. Según se explica en la nota de aplicación de Texas Instruments, para los casos de frecuencias bajas (menores a 1 Mhz), y donde se requiera de mucha amplificación (40db), es conveniente utilizar amplificadores realimentados por tensión.

Figura 3 Amplificador FI 455 Khz únicamente etapas amplificadoras. Esquemático

Criterios:

Se decidió utilizar el integrado LF353, (doble amplificador de bajo ruido, y ganancia unitaria en 4 Mhz). Luego de simulaciones, se determinó que había que distribuir la ganancia entre 4 amplificadores. Cada etapa con una ganancia aproximada de 2,7 veces, totalizando las 4 etapas 28dB de ganancia para una carga de 50 ohm colocada a la salida. Todos los componentes se eligieron truehole, dada la fácil disponibilidad de los mismos, y la frecuencia de trabajo.


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El circuito se montó en un protoboard, se midió con el instrumental detallado anteriormente, y las mediciones dieron de acuerdo a lo esperado. Dichas mediciones no se detallan ya que el laboratorio abierto se encuentra disponible al momento de verificar este circuito y es preferible poner en él informe las mediciones realizadas con el Analizador de Espectro(ver más adelante).

El circuito final:

Figura 4 Amplificador FI 455 Khz con filtro. Esquemático

Nota: Dada la imposibilidad de conseguir un filtro de 455 khz, se utilizó un Murata SFU468B, de 468khz de frecuencia central.

Diseño PCB:

Pruebas:

El circuito se armó, y se midió con el instrumental detallado anteriormente, y se observó que la ganancia dio menor a lo esperado. Analizando el problema, la conclusión fue que se olvidó en el cálculo de la ganancia total, incluir las pérdidas de inserción del filtro cerámico. Por lo tanto se decidió cambiar las resistencias de 2,7K, por 3,3K llevando la ganancia cerca de los 30 dB.


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Mediciones realizadas Las siguientes mediciones fueron realizadas en el Laboratorio Abierto de la UTN-FRBA, utilizando un analizador de espectro N9302A.

Respuesta en Frecuencia:

La respuesta en frecuencia esperada, es similar a la especificada por el fabricante.

Figura 5 Transferencia del filtro


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Frecuencia de Corte:

Para determinar la frecuencia de corte, superior e inferior respectivamente. Primero se determinó la frecuencia central utilizando la función para la búsqueda automática de picos. Luego se utilizó un marker delta, situando un marcador, en la frecuencia central, y desplazando el otro hasta que la amplitud haya caído 3db.La potencia de entrada que se utilizo fue de -45,62 dBm

Frecuencia Central:

Figura 6 Frecuencia Central

F Corte Superior:

Figura 7 Frecuencia de corte superior


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F Corte Inferior:

Figura 8 Frecuencia de corte inferior

Fcs: Fcentral + 1,21 [Khz] = 466,913 + 1,21 [Khz] = 468,123 [Khz] Fci:Fcentral – 1,24 [Khz] = 466,913 - 1,24 [Khz] = 465,673 [Khz] Bw= Fcs-Fci = 468,123 - 465,673= 2,45 [Khz] Dicho ancho de banda verifica con las especificaciones del fabricante.

Medición de la Ganancia en la banda de paso:

Para medir la ganancia de cualquier amplificador, es importante conocer, cual es el nivel de señal de entrada que está en el rango de funcionamiento del amplificador. Por no tenerlo en cuenta, en las primeras mediciones realizadas, al ingresar con señales mayores a los -30dBm se observaba como la ganancia disminuía conforme se iba incrementando la misma. La razón de utilizar dicho nivel de señal, fue que es la mínima señal que el generador de tracking del analizador de espectro N9302A, puede generar. Motivo por el cual tuvimos que agregar un atenuador de 30db (Mini circuits 15542 VAT -30+ 3 1016), y otro de 10db (15542 VAT -10+ 3 1015), en distintas oportunidades para poder realizar las mediciones. La ganancia del amplificador es de 27 dB.


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Graficando las mediciones obtenidas:

Figura 9 Grafico de la Potencia de Salida en función de la Potencia de entrada

Se observa como conforme la potencia de entrada se acerca a los -30dBm, el amplificador empieza a comprimir, y la curva se achata. Se grafica nuevamente, la zona entre -37,31 y -22,16 [dBm], junto con una gráfica que supone la ganancia lineal.

Figura 10 Grafico de la Potencia de Salida en función de la Potencia de entrada, junto con recta de ganancia lineal En el grafico se observa lo que se muestra en la planilla de cálculo adjunta, el punto de compresión de 1 dB, ocurre para una Pin de -27,58 dBm, y Pout -0,35dBm.


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3. RESULTADOS De las mediciones realizadas anteriormente se pudieron verificar, las frecuencias de corte, frecuencia central, ganancia en la frecuencia central, y punto de compresión de 1dB. 4. DISCUSIÓN Se logró realizar un amplificador de Frecuencia intermedia, los problemas que se resolvieron fueron, errores de diseño, como falta de desacoples, mala elección de componentes para los requerimientos y frecuencia de trabajo. Fue limitante la falta de instrumental, la cual impidió continuar con el proyecto original por encontrarse la facultad cerrada. Luego durante las mediciones en el laboratorio abierto, se pasó por alto la potencia de entrada máxima que se puede ingresar al amplificador, haciéndolo trabajar fuera de su zona de operación lineal, y se perdió tiempo realizando mediciones que luego se tuvieron que descartar. Como mejora, se podría pensar en utilizar una operacional con un Producto Ganancia por Ancho de Banda mayor, para utilizar menos etapas. En cuanto al primer diseño, se lo podría medir con un AE, para buscar determinar las causas exactas de oscilación para el diseño realizado. Sería interesante que cada grupo de trabajo práctico, además del informe, deje como se ha hecho en la entrega, hojas de datos, footprints hechos a medida de conectores, y/o componentes, para aliviar el trabajo de los que vienen detrás y poder realizar proyectos mas avanzados. 5. CONCLUSIONES Es muy práctico utilizar amplificadores operacionales para realizar circuitos amplificadores de RF. Hay que ser muy precavido, y tomar un margen de seguridad aun mayor del que indica el fabricante, en cuanto a criterios de estabilidad. Para frecuencias menores a 1 Mhz, es conveniente, amplificadores realimentados por tensión; para frecuencias más altas son mejores los realimentados por corriente. Tener en cuenta los requerimientos de ganancia, y como distribuirla en las diferentes etapas es indispensable. Los filtros cerámicos, tienen una respuesta muy buena, y fiel a las especificaciones del fabricante. Son muy importantes los circuitos de desacople, tanto capacitores, como choques; y su cálculo no debe despreciarse y debe ser echo a conciencia no como receta. A la hora de medir circuitos de rf, donde las señales son muy pequeñas, es necesario contar con un analizador de espectro, ya que el rango dinámico de un osciloscopio (aun cuando la frecuencia lo permite), no deja visualizar las señales pequeñas. Para medir amplificadores es muy importante saber los niveles de potencia que se manejan a su entrada (para evitar que comprima y/o dañarlo), y los de la salida (para saber la potencia que va a recibir el instrumento de medición).


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6. REFERENCIAS [1] Texas Instruments, “High Performance Linear Products”. [2] Bruce Carter, “RF and IF amplifiers with op amps”. [3] Mathieu Stephan, “Amplifying nanosecond pulses for quantum physics experiments ”, http://www.limpkin.fr/index.php?post/2013/03/01/Amplifying-nanosecond-pulses-for-quantum-physics-experiments ,15/12/2014.


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7. ANEXOS Ganancia Amplificador No Inversor:

Figura 11 Amplificador no inversor

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Las hojas de datos se adjuntan en forma digital.

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