Circuito Generador de Señales de Baja Distorsion

El siguiente circuito electrónico esta construido a partir del XR-2206  un integrado de EXAR de excelentes prestaciones utilizado para:

  • Generación de Señales Senoidales, Triangulares o Cuadradas
  • Generación de FSK
  • VCO para circuitos de lazo enganchado
  • Generación de AM o FM
  • Conversión de tensión a frecuencia

¿Que tiene de distinto este integrado a otros que hacen lo mismo?

Podemos arrancar diciendo que tiene una muy baja distorsión al generar señales senoidales, tipicamente un 0,5%, una excelente estabilidad frente a la temperatura de 20 ppm/°C, ademas un amplio espectro de frecuencia que va desde 0,01 Hz a 1 MHz y podemos seguir:

  • Amplio rango de barrido, 2000:1
  • Baja sensibilidad de alimentación, 0,01V
  • Modulación de amplitud lineal
  • Compatible con TTL
  • Amplio rango de alimentación de 10V a 26V, con posibilidad de usar una fuente partida
  • Ciclo de trabajo ajustable desde el 1% al 99%

Diagrama del Generador de Señales

circuito generador señales

La frecuencia de la señal de salida viene determinada por el capacitor C entre los pines 5 y 6, junto al resistor conectado a masa del pin 7 como indica la formula en la imagen. Si necesitamos una señal señoidal debemos cerrar la llave S1.

Con R3 podemos ajustar la amplitud de la señal (inversamente proporcional), miestras que R4 nos brinda un ajuste más fino, Rb permite ajustar la simetría de la onda de salida.

La estabilidad frente a los cambios de temperatura es óptima para valores de R comprendidos entre 4kΩ < R < 200kΩ

 

Transmisor de Voz por FM simple

El siguiente circuito electronico es un transmisor de Voz mediante modulacion de frecuencia FM muy simple. Emplea un sol transistor y un puñado de componentes adicionales.

Diagrama Esquemático

transmisor voz fm simple

A pesar de ser un circuito extremadamente sencillo, la  calidad de transmisión es muy buena.

[Concepto] Modulación de Señales

El concepto de en que consiste la modulacion de señales (am, fm, pm, etc) suele ser perdido de vista ante el estudio de las tecnicas, vamos a explicarlo de forma sencilla.

modulacion AM

La modulación de señales esta presente en todos los procesos iniciales que hacen a las telecomunicaciones, su concepto es muy simple sin embargo, suele perderse de vista al empezar a estudiar los distintos tipos de modulaciones analógicas y digitales.

El proceso de establecer una comunicación, mediante una onda acústica, implica que dicha onda necesita un medio para propagarse, lo hace a la velocidad del sonido según el medio y no puede propagarse en el vacio. Este tipo de ondas son fácilmente atenuables y no constituyen un proceso ideal para establecer vínculos a grandes distancias, además no tienen confidencialidad.

La solución a estos 2 inconvenientes radica en utilizar ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz, por cualquier medio y sin atenuación, lo que trae aparejado la necesidad de utilizar un transductor que transforme las ondas acústicas en electromagnéticas.

Ocurre que para que una antena funciones como tal hay 2 condiciones que deben cumplirse mínimamente, el largo debe mantener una proporcionalidad con la longitud de la onda a transmitir y que la onda sea cosenoidal y periódica.

La señal a transmitir denominada Banda Base, que podría provenir de la voz humana no es periódica, lo que implica que por la antena pasarían las componentes espectrales periódicas de dicha señal. Pero existe otro problema más grave, supongamos que transmitimos un tono promedio de voz del orden de 1kHz, la longitud de onda sera:

λ = (3 e8/ 1 e3) =  300 km

Se puede apreciar que la longitud de onda para esta frecuencia es bastante grande, lo que implicaría que la antena debería mantener proporcionalidad con ese valor. Aún tomando submultiples pequeños la longitud de la antena resultante es físicamente irrealizable. Con el agravante de que cada vez que cambia la frecuencia del tono estaría variando la longitud de la antena.

La solución pasa por mantener el concepto de la onda electromagnética con una antena reducida. Esto significa utilizar una onda periódica de alta frecuencia, lo cual daría una antena corta y en su seno colocar la banda base de baja frecuencia.

Modular se denomina al proceso que consiste en trasladar la estructura original de información a otro punto del espectro de frecuencias. De echo que para poder escuchar esta información debe ser colocada de nuevo en la posición espectral original y a es te proceso inverso se lo denomina demodulación.  La siguiente figura muestra una representación en el eje de frecuencias.

modulacion y demodulacion

El ancho de la banda base cuando se modula la señal, al compararlo con la frecuencia de la portadora es despreciable, lo que implica que la antena sigue viendo la frecuencia de portadora con pequeñas variaciones.

A partir de este concepto es posible expresar que en un proceso de modulación interviene por un lado la banda base, es decir la información a transmitir y la portadora que es la señal cosenoidal periódica que trasladará en su seno la información

¿De que manera se ingresa la Banda Base en la Portadora?

La portadora es una onda periódica cuyos parámetros de definición son la amplitud, la frecuencia y la fase. De tal manera que según el parámetro que varíe la Banda Base surge la denominación de la técnica.

  • AM: Modulación de amplitud
  • FM: Modulación de frecuencia
  • PM: Modulación de fase

A su vez la modulación de amplitud y frecuencia pueden ser realizada mediante diversas técnicas:

Amplitud Modulada

  • AMDSB: doble banda lateral con portadora.
  • AMDSBSC: doble banda lateral con portadora suprimida.
  • SSB: banda lateral única (BLU).
  • VSSB: banda lateral vestigial.
  • ISSB: banda lateral independiente.

Frecuencia Modulada

  • Mono
  • Estereo

Si la banda base es digital se da origen a alas modulaciones digitales.

ASK (amplitude-shift keying)

  • NASK: ASK con combinación de niveles de amplitud.

FSK (frequency-shift keying)


PSK (phase-shift keying)

  • DPSK: PSK diferencial.
  • QPSK: PSK con fases en cuadratura.
  • DQPSK: QPSK diferencial.
  • NPSK: PSK con combinación de niveles en fases.

NQAM (modulación de amplitud en cuadratura con combinaciones de nivel)

.
Ref: Teoria de las Comunicaciones. MSc. Ing. Pedro E Danizio

Amplificador de Potencia – 3º Parte

Ultima entrega sobre el diseño del amplificador de potencia, ya tenemos diseñado las etapas necesarias para la amplificación que elegimos, entrando con 1mW y saliendo con 2W…. 3000 veces más grande. Seleccionamos los transistores a utilizar y diseñamos los circuitos para realizar la polarización de cada uno.

Este último paso es muy importante ya que si no lo tenemos en cuenta o lo hacemos mal nos tira toda la ganancia y hasta podríamos terminar haciendo un atenuador jaja :)… lo más común es que en lugar de tener un amplificador obtenemos un oscilador y tampoco queremos eso.

Cálculo de las Redes de Adaptación

Es muy importante adaptar las impedancias de cada etapa entre sí, con la carga y con el generador, para poder tener máxima transferencia de potencia y viéndolo desde el lado de medios de enlace evitar tener ondas reflejadas

Adaptar significa que la impedancia de salida de una etapa tiene que ser igual a la impedancia de entrada de la etapa siguiente.

Elijo adaptar todo el amplificador a 50 ohm. Según fuimos calculando las impedancias de entrada y salida de las etapas son:

Para realizar las adaptación use la versión DEMO de Smith V2.3 (nada de andar haciendo en papel con compas y regla 😉 )

Red de Adaptación Nº 3

Zo = 50Ω
Zin = Z’out Q2 = 60 + j 45
Se elige un Q= 5

Red de Adaptación Nº 2

Zo = Z’in Q2 = 24.5 + j 11  Ω
Zin = Z’out Q = 125 + j 190 Ω
Se elige un Q= 5.

Red de Adaptación Nº 1

Zo = Z’in Q1 = 60 + j52.5  Ω
Zin = 50 Ω
Se elige un Q= 5

Terminamos! 🙂

Esquema del Amplificador de Potencia


Notas Finales

El  pcb que se diseñe para este circuito tiene que ser de 2 capas, ya que es necesario si o si tener un plano de tierra, en mi caso, puse planos de tierra en los 2 lados de la plaqueta (de fibra de vidrio) y los conecte mutuamente en muchos puntos para tener el plano de tierra lo más homogéneo posible.

A pesar que en el calculo de los circuitos de las redes de adaptación se encuentran valores fijos para los capacitores, además de ser valores muy difíciles (algunos imposibles) de conseguir el diseño de la plaqueta que realicemos no va a ser perfecto ya que no tuvimos en cuenta las capacitancias parásitas (que en alta frecuencia adquieren importancia) de, por ejemplo los resistores, además de las capacitancias debido a un ruteo de pistas no correcto. Por todo eso no se ponen valores de capacitores fijos en las redes de adaptación sino que se colocan capacitores variables.

Con un osciloscopio tenemos que ir etapa por etapa corroborando los valores de la señales entrantes y salientes y ajustar cada capacitor variable hasta alcanzar los maximos.

Les conviene usar tanto en la entrada y salida del amplificador conectores BNC (los que traen los osciloscopios), les va a ser más fácil medir el verdadero valor de potencia si disponen de una carga (antena) fantasma. Desde la salida del modulador de FM hasta el amplificador usen conectores BNC y cable coaxial, lo mismo para la salida.

Por ultimo dejar en claro que al transistor 2n3553 debemos colocarle un disipador.

PD: Les debo la foto del prototipo por que lo done je, voy a ver si lo consigo así le saco unas fotos y pueden apreciar el diseño particular de mi pcb, los planos de tierra, la forma en que están bobinadas las inductancias de choque en los VK200

Amplificador de Potencia 2W

Amplificador de Potencia – 2º Parte

Continuamos con el diseño del amplificador de VHF. En este artículo hacemos el calculo de los circuitos de polarización de las 3 etapas diseñadas previamente.

Continuamos con el diseño electrónico del amplificador de potencia de 2w trabajando en rango de frecuencia VHF. En la primera parte, del diseño del amplificador se demostró como se calculan las etapas teniendo la potencia necesaria en la salida y la potencia de entrada (que es la pot de salida del transmisor).

Se calculo un total de 3 etapas, teniendo en consideraron una atenuación de -0,5 dB en las etapas de adaptación de impedancias.

Teniendo definido las etapas, podemos dedicarnos a calcular la polarización de cada una.

Polarización de los Transistores


Polarización del 2N3553

Esta etapa se caracteriza por ser de clase “C”, en ella encontraremos un transistor de potencia capaz de disipar en el colector una potencia de hasta 3,5W con una potencia de entrada de aproximadamente 100mW.

Hay que tener cuidado con la temperatura que puede llegar a tomar el encapsulado ya que este no podrá en ningún caso superar los 125 ºC por lo que se debe colocar un disipador.

Clase C
Po = 3W
Pin = 0.1W
VCEQ= 25V
Gain (min) = 10dB
Eficiencia = 50%

Diagrama Esquemático

En el articulo anterior para realizar los cálculos del 2N3553 no se basaron en los parámetros S ya que no se cuentan con los mismos en la hoja de datos del transistor. Por lo que éste circuito es una modificación del recomendado por el fabricante en la hoja de datos que ya está adaptado a 50Ω.

Reactancia del choke de RF:

Polarización del BRF96TS

Clase “A”
Vcc = 12V
VCEQ = 5V
ICQ = 60mA
hfe = 50
Rendimiento = 50%

Diagrama Esquemático

Re2 en el diagrama es R7

Según la hoja de datos el hfe está entre 25 y 150,  asumo hfe = 50. Ahora podemos calcular Rb y con ella podemos encontrar la tensión de base Vbb y calcular las resistencias.

Polarización del BFR90

Clase “A”
Vcc = 12V
VCEQ = 5V
ICQ = 10mA
hfe = 30
Rendimiento = 50%

Diagrama Esquemático

Análisis en alterna

Vrc = 0,7 V

La red de salida será

Análisis en continua

Según la hoja de datos el hfe = 50

En el próximo y último articulo vamos a ver como se calculan las redes de adaptación para tener máxima transferencia de potencia y con eso terminamos 🙂

Amplificador de Potencia 2W