Amplificador de Potencia 2W – 100 MHz

En este artículo (divido en varias partes) voy a tratar el diseño de un amplificador de potencia de 2W trabajando en una frecuencia de 100 MHz en la banda de VHF, los cálculos paso a paso, determinación de los parámetros S, calculo de las redes de adaptación, etc.

El desarrollo de este amplificador llevo bastante tiempo de diseño y sobre todo muchas pruebas en el laboratorio para ir corrigiendo errores y lo esencial que consiste en sintonizar correctamente las redes de adaptación para disminuir las atenuaciones entre las distintas etapas.

Diseño de un Amplificador Potencia

Este amplificador fue diseñado para el transmisor de FM, por lo cual no es necesario una amplificación lineal, pudiéndose emplearse un amplificador clase C obteniendo una mayor eficiencia y sencillez.

Cálculo de Ganancia y Diagrama en Bloques

La ganancia es la relación entre la potencia de salida y la de entrada:

1mW es la potencia de salida ideal del transmisor de FM, como se puede ver la ganancia es muy grande como para alcanzarla en una sola etapa eficazmente, por lo cual es necesario amplificar en varias etapas, tampoco se pueden colocar muchas ya que aumenta el número de redes de adaptación, con el consiguiente problema de que cada una de estas debe cubrir un ancho de banda entre 88 – 108 MHz, es por esto que se elige dividir en 3 etapas.

3º Etapa

La tercera etapa viene a ser la última, como la potencia que queremos alcanzar es de 2W, elegimos el transistor 2N3553 que según la datasheet puede suministrar un máximo de 7 W. Los características eléctricas son:

  • Pout = 2,5W @175MHz @Vcc 28V
  • Vcc < 28v
  • f max = 500MHz
  • Gain =  >10dB Typ @175MHz
  • Efficiency > 50%

La curva de potencia salida vs entrada es:

Considerando una potencia de salida de 3W, y teniendo en cuenta una frecuencia mayor a 100 MHz se puede ver que la curva que cumple los requerimientos es la (4), la cual se da para una potencia de entrada de 100 mW. Se adopta una tensión de alimentación igual a 25V.

Donde ZL es la impedancia que “ve” el colector para la potencia de 3W.

2º Etapa

La 2da etapa es la encargada de suministrar los 100 mW a la 3ra etapa calculada previamente. Las etapas de adaptación de impedancias generan perdidas (perdida de inserción), por lo cual se considera 0,5 dB (1,12) de potencia extra.

Potencia requerida para entregar al 2N3553: PN + 0,5 dB = 100 mW x 1,12 = 112 mW.

Se elige el transistor de RF BFR96TS para ésta etapa, en su datasheet podemos encontrar una tabla de parámetros S

Con los parámetros S11 (coef de reflexión de entrada) y S22 (coef de reflexión de salida), mediante la fórmula del coeficiente de reflexion o mediante el abaco o carta de Smith (más rápido) podemos encontrar las impedancias de entrada y salida para señales debiles.

Como ya tenemos la potencia y la resistencia de salida, podemos calcular la tensión de salida, y a partir de ella la corriente de salida (Icq).

(no olvidarse que los parámetros están relacionados con 50 mA, fijamos una Vce=5 V). Teniendo la corriente del colector y habiendo determinado la tensión colector-emisor, podemos calcular la potencia del colector. Por medio de fórmula y con los parámetros S elegidos (para una frec de 100 MHz) encontramos la ganancia del transistor, tenemos ganancia y potencia de salida (Pc) podemos fácilmente calcular la potencia de entrada que debera suministrar la primera etapa.

Ya tenemos potencia de entrada y también la resistencia de entrada, por lo que podemos calcular la tensión de entrada.

Análisis del factor de estabilidad de Rollett

Este análisis nos permite conocer si el amplificador (en este caso la 2da etapa) va a comportarse de forma estable. Para poder considerarlo estable el factor K debe ser mayor a la unidad.

Al no cumplir debemos colocar una red de neutralización lo cual produce una disminución en la ganancia.

1º Etapa

Para esta etapa como la ganancia va a ser menor que la de la segunda, elegimos un transistor de RF “más chico”, específicamente el BFR90.

Potencia requerida para entregar al BFR96TS: PN + 0,5 dB = 0,39 mW * 1,12 = 0,436 mW

Los parametros S son:

Calculamos las impedancias Zin y Zo (Zout)

A partir de Zo obtenemos Vo e Icq

Fijamos una Vce de 5V

calculamos Vin

Factor de Rollet

En esta etapa también necesitamos una red de neutralización.

En el próximo artículo voy a tratar el calculo de los valores de corriente y tensión necesarios para la polarización de los transistores.

Amplificador de Potencia 2W

 

Etiquetas
amplificador, diseño, FM, RF, Smith, VHF
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