amplif rf sist 10

Material de Clase de la Experiencia Educativa

Sistemas de Comunicacin

M.C. Luis Hctor Porragas Beltrn 47 Ingeniera en Electrnica y Comunicaciones

AMPLIFICADOR DE POTENCIA

El propsito de un amplificador de potencia esproporcionar una tensin de salida mxima y sin

distorsin considerando normalmente una baja

resistencia de carga.

En la prctica, la etapa de potencia suele consistir envarias etapas amplificadoras en cascada sobre todo

cuando los niveles de amplificacin son muy

elevados (suele ser la ltima etapa de un

transmisor).

La carga de un amplificador de potencianormalmente es de baja impedancia, como la

entrada de un excitador, una solenoide o algn otro

dispositivo analgico (ej. antena).


El amplificador de potencia debe operar en formaeficiente y debe ser capaz de manejar (disipar)

grandes valores de potencia ya que trabajan con

tensiones e intensidades de gran amplitud. Los

factores del amplificador de potencia que

normalmente presentan mayor inters son:

1. Eficiencia en el manejo de la potencia del

sistema (rendimiento).

2. Capacidad de Disipacin, es decir, la mxima

cantidad de potencia que el circuito es capaz de

manejar.


3. Acoplamiento debido a sus caractersticas es

crtico contar con un ptimo acoplamiento de

impedancias sobre todo en relacin con el

dispositivo de salida (mxima transferencia de

potencia).

Respecto al rendimiento este debe ser el mayorposible para que el amplificador proporcione una

seal con la mxima potencia disponible en relacin

con la potencia que toma de la fuente de

alimentacin. El rendimiento esta dado por:

100.).(min

.).(arg%

DCFuentelaporistradaSuPotencia

ACaClaaEntregadaSealladePotencia

Ejemplo 1.- La potencia de salida de un amplificador es de8w, si la fuente de alimentacin es de 16v y el amplificadorconsume 1A. Determine el rendimiento del amplificador.

La potencia de corriente continua que penetra alamplificador es P = VI = 16v*1 = 16 w, empleando

la ecuacin determinar la eficiencia se tiene:

%50%100*16

8%

w

w

Este rendimiento indica que el 50% de la potencia de cc. de

entrada alcanza la salida en forma de potencia de a.c en la

carga.

AMPLIFICADOR GENRICO DE RF DE POTENCIA

El rendimiento indica cuanta potencia de la fuente llega

a la carga como seal de C.A., y tambin indica la

cantidad que NO llega a la carga y que por lo tanto debe

disiparse en el elemento amplificador. El rendimiento

depende directamente del punto de operacin o trabajo

establecido en el elemento activo.

Fuente de R.F.

Red Acopladora de Entrada

Carga

Red Acopladora de Salida

[S]

Polarizacin DC

ROEentKrent

ROEsalKrsal

Un aspecto importante en el que difiere el diseo de losAmplificadores de RF respecto a los amplificadores

convencionales, es el hecho de que las formas de onda

de V y I afectan al dispositivo activo creando la necesidad

de implementar mtodos de acoplamiento adecuados

para reducir el coeficiente de reflexin (Kr), y evitar

oscilaciones indeseables, las cuales puedan sacar de

estabilidad al amplificador.

En base a lo anterior, el anlisis de Estabilidad esusualmente el primer paso en el proceso de diseo y en

conjunto con la Ganancia y los crculo de figura de Ruido,

es un ingrediente bsico necesario para el desarrollo de

circuito amplificadores de H.F., los cuales operen de

manera eficiente dentro de los requerimientos de

Ganancia, Linealidad, Potencia, BW y Condiciones de

Polarizacin.

METODOLOGA DE DISEODEL AMPLIFICADOR DE RF DE POTENCIA

1. Seleccin del Transistor.

En Base a la Ganancia (es suficiente?).

Es lo Suficientemente Rpido.

Cumple con las Especificaciones de Ruido.

2. Necesita Redes Externas de Acoplamiento de

Ent/Sal.

Especificacin del Coeficiente de Reflexin.

Toma en cuenta este la Estabilidad y eldesempeo del Ruido.

3. Diseo de las Redes Acopladoras de Impedancia.

CLASE A.- La seal de salida vara los 360 completosdel ciclo, requiere que el punto Q se polarice a cierto nivel,

de manera que al menos la mitad de la variacin de la

seal en su salida pueda variar arriba y abajo sin tener

que alcanzar un voltaje que sea limitado por el nivel de

voltaje de la fuente o demasiado bajo para aproximarse al

nivel inferior de la fuente.

Punto Q aproximadamente

a la mitad de la recta de Carga

CLASES DE AMPLIFICADORES




CLASE B.- Este circuitoproporciona una seal de salida

que varia sobre la mitad del ciclo

de la seal como se aprecia en la

Figura. El punto de polarizacin de

CD para un clase B se encuentra

por lo tanto en 0v, lo que implica

una variacin de la salida desde

este punto de polarizacin para un

medio ciclo.

Obviamente, la salida no es una reproduccin fiel de laentrada si solamente se tiene presente un medio ciclo.

Son necesarias dos operaciones de clase B, una para

proporcionar la salida del medio ciclo de salida positivo y

otra para proporcionar la operacin del medio ciclo

negativo.

La combinacin proporciona entonces una salida de360 completos de operacin. Este tipo de conexin sedenomina como funcionamiento en contrafase.

Clase AB.- Un amplificador puede polarizarse a unnivel CD sobre el nivel de corriente de base cero de

clase B y arriba de la mitad del nivel de voltaje de fuente

de la clase A; esta condicin de polarizacin es la clase

AB. La operacin en clase AB requiere todava de una

conexin contrafase para conseguir un ciclo completo

de salida, pero el nivel de polarizacin de CD est por lo

regular cercano al nivel de corriente de base cero para

una mejor eficiencia de potencia. Para la operacin en

clase AB la oscilacin la seal de salida ocurre entre los

180 y 360, y no est en la zona de operacin de unclase A ni en la de un clase B.

CLASE C.- La salida de un amplificador de clase C sepolariza para una operacin menos de 180 del ciclo yopera solamente con un circuito sintonizador (resonante),

el cual suministra un ciclo completo de operacin para la

frecuencia de sintona o resonante. Esta clase de

operacin se emplea, por consiguiente, en aplicaciones

especiales de circuitos de sintona tales como los de radio

y comunicaciones.

CLASE D.- Esta clase de operacin es una forma deoperacin de amplificador que utiliza seales de pulso

(digitales) las cuales se activan para un intervalo corto y

se desactivan para un intervalo mas largo. La mayor

ventaja de la operacin de clase D es que el amplificador

se encuentra activado o encendido (empleando energa

solo para intervalos cortos y la eficiencia total puede ser

prcticamente muy alta.

CLASES DE AMPLIFICADORES

Diseo de un Amplificador Clase A

Un transistor sin polarizar se comporta como dosdiodos en contraposicin, y NO existen corrientes

notables circulantes por l.

Diseando Amplificadores Clase A

Si se polariza, aparecen tres corrientes distintas, lacorriente de base IB, la corriente de emisor IE, y por

ltimo la corriente de colector IC. De estas tres

corrientes, la del emisor es la ms grande, puesto

que ste se comporta como una fuente de

electrones.

La corriente de base es muy pequea, NO suelellegar al 1% de la corriente de colector. Aplicando la

ley de Kirchhoff se tiene la siguiente relacin:

IE=IC+IB

Un transistor en rgimen esttico se encuentra,solamente, bajo la accin de las voltajes continuos

que se le aplican para polarizarle con la finalidad de

ubicarlo en una regin de operacin del mismo.

Diseando Amplificadores Clase A

Una forma de resumir este funcionamiento es utilizarlas curvas caractersticas del transistor, que

relacionan las tensiones y las corrientes. Las

tensiones y corrientes que se utilizan dependen de

la configuracin del transistor, pero

independientemente de sta, se distinguen dos tipos

de curvas: Caractersticas de Entrada y las de

Caractersticas de Salida.

Ejemplos de Diferentes

Redes de Polarizacin

Polarizacin Fija o Alimentado en serie

Polarizacin Universal o pordivisor de Tensin

Polarizacin de base

Polarizacin por Retroalimentacionde Emisor

Polarizacin por Retroalimentacionde Colector




Circuito de Polarizacin Fija o Alimentado en Serie

Es el circuito ms sencillo, pero tambin el msinestable respecto a las variaciones de la temperatura.

Del circuito es fcil obtener la relacinque existe entre la IC y el VCE del

transistor, aplicando la ley de Kirchoff

resultando:

CCCECC RIVV

Esta expresin se conoce comoEcuacin de la Recta de Carga. En

ella Vcc y RC son constantes, y VCE e

IC son las variables.

Circuito de Polarizacin Fija o Alimentado en Serie

La interseccin entre esta recta de carga con la curvacaracterstica de salida del transistor determina el punto de

reposo Q.

Para trazar la recta en elplano IC = f (VCE) es

suficiente con

establecer los puntos de

corte con los ejes de

coordenadas, es decir

cuando IC=0 (punto 1

VCE Max=VCC) ycuando VCE=0 (punto 2

IC Max=VCC/RC).

Circuito de Polarizacin Universal o Por Divisor de Tensin

El circuito con polarizacin universal capaz de compensarlos desequilibrios producidos por la ICB0 (corriente inversa desaturacin o corriente de fuga. Se duplica cada vez que la temperatura

del transistor sube 10C), y VBE.

El circuito est constituido por undivisor de tensin, formado por R1 y R2,

conectado a la base del transistor, y por

una resistencia de emisor RE empleada

para compensacin de temperatura.

Al utilizar el sistema de polarizacinuniversal, la ecuacin de la recta de

carga viene dada por:

ECCCECC RRIVV

El punto de corte con el eje de ordenadas IC, es decir cuandoVCE = 0, se define IC = Vcc /(RC+RE)

Circuito de Polarizacin Universal o Por Divisor de Tensin

En la figura se muestra la recta de carga, en color verdecuando se conecta una RE y en color azul considerando

un circuito equivalente donde la RE = 0.

La seleccin del punto de operacin para un transistor bipolar

depende de la aplicacin

Para aplicaciones de bajoruido y baja potencia se

recomienda el punto A ya que

el transistor trabaja a valores

bajos de la corriente de

colector.

Para aplicaciones de bajoruido y ganancias de

potencia altas se recomienda

el punto B.

Para gran potencia de salida, en operacin clase A, serecomienda el punto C.

Para potencia de salida alta y mejor eficiencia, eltransistor trabaja en clase AB o B usando el punto D.

Consideraciones Iniciales de Diseo

Los datos necesarios para el diseo que se debenproponer considerando que el diseo normalmente

est orientado a ciertas necesidades de una

aplicacin, es plantear los datos o indagar los

mnimos necesarios a partir de la aplicacin del

circuito; por lo que es importante para empezar con

un diseo establecer los siguientes parmetros

mnimos:


1. Ganancia (A).- Se refiere a la amplificacin que se

desea a la salida a partir de una seal de entrada

=Vsal/Vent. Son valores bajos y para el caso dediseo de una etapa de amplificacin se considera

como valor mximo una ganancia de 50 puesto que

cuando mayor es la ganancia la probabilidad de

inestabilidad es mayor (1 Etapa). La solucin para

niveles de amplificacin mayores, es repartir la

ganancia en etapas, es decir conectar varios

amplificadores en cascada.


2. Voltaje de Salida (Vent).- Es el voltaje que se desea

obtener a la salida. Para amplificadores de seal se

manejan bajos voltajes (mV), es poco usual tener voltajes

en el orden de decenas e incluso centenas de voltios para

una sola etapa.

3. Impedancia de Entrada (Zent).- Es la impedancia del

amplificador que va a observar la etapa que le proveer

de la seal, es decir, el generador (por ejemplo un

micrfono). Esta impedancia debe ser mayor o igual a

ms o menos diez veces la resistencia interna del

generador para obtener todo el valor de la seal en las

terminales de entrada del circuito ya que se desea

amplificar toda la seal de entrada ms no obtener

mxima transferencia de potencia.





4. Carga (ZL).- Es el valor de impedancia de la etapa

siguiente la cual fungir como cara del amplificador, en

otras palabras, lo que se va a conectar al amplificador a

su salida. Esta normalmente debe manejar una

resistencia cuyo valor oscile en las decenas de ohmios o

unidades de K.

5. .- Valor caracterstico del transistor a ser utilizado

obtenido en manuales del fabricante. El valor de paraBJTs de seal es alto, por ejemplo un valor tpicoutilizado es 100 para el transistor 2N3904.

6. Frecuencia de Trabajo (f).- Valor de frecuencia a la cual

va a estar operando el circuito amplificador.


Las posibilidades del Transistor como Amplificador

Lineal a muy Altas Frecuencias estn indicadas en parte

por FT.

7. FT.- Es la frecuencia para la cual el mdulo de la ganancia

de corriente en la configuracin emisor comn para

seales dbiles alcanza por extrapolacin la unidad. En

funcin del modelo hbrido viene dada por:

CC

gF mT

2

1

El parmetro FT depende a su vez de la intensidad de colector

y de la tensin colector base en el punto de trabajo.

Caractersticas EstticasANLISIS EN CONTINUA O EN CD

Circuito Equivalente en CD Recta de Carga en CD

Curvas Caractersticas del

BC547B

El amplificador en emisorcomn es una de las

configuraciones ms

utilizadas, debido a

sus elevadas ganancias

tanto de tensin como de

corriente, y al hecho de

tener unas impedancias

de entrada y salida con

valores intermedios, lo

que le hace ideal para

etapas intermedias.

Anlisis en CD

C1 y C2 son capacitores de Acoplo, mientras que CE es un

capacitor de desacoplo.

Por qu se usan condensadores y NO se hace la

conexin directamente?

Anlisis en CD

Los CONDENSADORES DE ACOPLO se usan paraacoplar (o sea conectar) el amplificador con las

etapas anterior y posterior.

Porque, por una conexin directa circula cualquier tipo

de seal adems de la seal a amplificar; como por

ejemplo la corriente de polarizacin que circula por R1 y

R2 la cual fija el punto de trabajo del transistor. Esto es

algo que no se puede permitir, ya que el punto de

trabajo variar en funcin de la impedancia de entrada o

salida que se establezca.

Sin embargo los condensadores, al tener unaimpedancia variable de manera decreciente con la

frecuencia ( para CD, 0 para una frecuencia lo

suficientemente alta), permitirn que la tensin en la

base (o el colector) permanezca estable y dejarn

pasar la seal a amplificar (alterna) como si de un

conductor se tratase.

Anlisis en CD

El CONDENSADOR DE DESACOPLO se usa paradesacoplar (o sea desconectar) la resistencia de

emisor (RE).

Porqu se quiere desconectar la resistencia de

emisor?

Para responder a la pregunta es necesario recordar por

qu se incluy en el montaje

Los transistores bipolares tienen una ganancia decorriente o hfe muy inestable frente avariaciones de temperatura o del componente,

pudiendo llegar a duplicarse.

Anlisis en CD

Normalmente en las hojas de datos del fabricante lonico que se especifica sobre la ganancia es que

est en un intervalo determinado por ejemplo

200 450.

La resistencia de emisor (RE) proporciona estabilidaden el punto de trabajo frente a estas variaciones,

pero limita mucho la ganancia.




La estabilidad del punto de funcionamiento encontinua Q es mayor cuanto ms grande sea la

resistencia RE, pero un valor muy elevado de esta

reducira considerablemente la corriente de

colector IC y en consecuencia la amplitud de una

posible seal de salida del amplificador; por

esta razn es necesario encontrar un valor de

compromiso para la RE. La RE suele ser menor que la

RC, siendo algunas de las reglas prcticas vlidas

las siguientes:

1. RE 0.25 RC.

2. 10 RE > RB 5 RE (RB/RE < 10)

3. VE 10% VCC.

4. 2 > VE 4 A partir de VE y IEse puede calcular

RE.

Al incluir el condensador de desacoplo, semantiene la estabilidad del punto de trabajo (ya que la

corriente continua seguir pasando por RE) pero se

aumenta la ganancia en alterna al comportarse el

condensador como un cortocircuito para esta seal de

haciendo desaparecer los efectos de la RE.

Lo primero que se debe hacer para analizar elcomportamiento de un amplificador, es el Anlisis en

CD.; es decir, calcular el punto de trabajo del transistor.

Se trabaja con el cto. equivalente en CD, el cual seobtiene de manera bastante simple: basta con fijarse

en que lo nico que cambia son los condensadores e

inductores que en continua se comportarn como

circuitos abiertos y cortos circuitos respectivamente

desapareciendo del circuito.

Anlisis en CD Una vez determinada la recta de carga, se debe situarsobre sta el punto de trabajo en el que estar el

transistor.

Puesto que normalmente se trabaja con un transistorde elevada ganancia, se pueden hacer ciertas

suposiciones que faciliten el anlisis de continua.

Esta elevada ganancia nos lleva a que IB seadespreciable con respecto al resto de

corrientes del circuito, por lo que se puede suponer:

1. El voltaje en la base VBB ser el fijado por el divisor de

tensin formado por R1 y R2, ya que se puede suponer

que por la base casi no circula corriente.

2. Puesto que IB es mucho menor que IC, se puede

suponer IC IE.

Anlisis en CD

De la Malla de Entrada se determina IE; mientras quela Malla de Salida establece el VCE.

El circuito, en ausencia de seal, permanecer estable ensu punto de trabajo, manteniendo en el colector una tensin

constante VCE, que no pasar el condensador de salida al

ser continua lo que har que Vo = 0V.

La corriente de colector IC (calculada en el anlisis de

CD) es independiente de la ganancia de corriente en

continua del transistor, y por lo tanto la sustitucin deun transistor por otro de la misma serie, con un valor

de distinto no perturba el punto de reposo Q.

Anlisis en CA

Al introducir una seal de CD en la entrada, el punto detrabajo variar a lo largo de la recta de carga de la

siguiente forma:

Si se alimenta una seal sinusoidal vara la tensin enla base, de tal forma que a ms tensin en la base,

ms IB y por tanto ms IC, mientras que a menos

tensin en la base, menos IB y por tanto menos IC.

Esto se traduce en que el punto de trabajo se desplazaa la izquierda (IC , VCE ) cuando la seal deentrada es mayor que cero y a la derecha (IC ,VCE ) cuando es menor que cero.

Anlisis en CA

Al decir que el punto de trabajo se desplaza a lo largo de larecta de carga, no nos referimos a la recta de carga hallada

para CD. En CA la recta de carga vara su pendiente debido

a que en la malla de salida la resistencia ahora NO es

RC + RE, ya que RE desaparece por efecto del condensador

de desacoplo quedando solo RC.

Por otra parte, en CD la salida estaba abierta debido alcondensador de acoplo de salida, pero en CA, dicho

condensador se comportar como un conductor, de tal

forma que la CA pasar por la RC y tambin por la RL,

motivando que se tenga que dividir entre las dos

resistencias, por lo que en CA la pendiente de la recta de

carga ser:

LC RR ||

1

Anlisis en CA

En caso de NO existir el capacitor de desacoplo lapendiente quedara:

LCE RRR ||

1

Caractersticas DinmicasANLISIS EN ALTERNA O EN CA

Circuito Equivalente en CA Recta de Carga en CA

Anlisis en CA Se puede observar que la pendiente es mayor, debido aque la resistencia es menor. Esto va a ocasionar que la

recta de carga NO corte al eje horizontal en VCC, si no en un

punto inferior. Este punto es fcil de hallar

geomtricamente:

)||()()()( LCQCEQCEcorteCE RRIVV

Una consecuencia relevante de esto es que ahora latensin mxima en el transistor NO ser VCC si no inferior.

Esto significa que la variacin mxima del punto de trabajo

hacia la derecha va a estar limitada a:

)()((max) QCEcorteCESal VVV




N O T A S

La variacin mxima a la que puede someterse elpunto de trabajo se denomina Margen Dinmico y

representa el valor de pico mximo de la onda a la

salida.

Ntese que el hecho de incluir condensador dedesacoplo y resistencia de carga nos limita

notablemente el margen dinmico.

El margen dinmico ser un factor a tener en cuenta ala hora de calcular el valor mximo que pueden tener

las seales a la entrada para que NO SATURE el

amplificador.

Circuito Equivalente en CA

Para estudiar las variaciones del punto de trabajo frente apequeas variaciones de IB se emplea el circuito

equivalente en CA.

Este circuito usa un modelo lineal para aproximar elcomportamiento del transistor en esta situacin.

El modelo que regularmente se emplea es el Modelo T o deEbers-Moll, que consiste en cambiar el transistor por una

fuente de corriente con una resistencia como se muestra en

la figura.


Para halla el circuito equivalente en CA se procede de lasiguiente forma:

1. Se eliminan los condensadores, ya

que si se han calculado bien, se

comportarn como un cortocircuito

permitiendo que entre la seal a

amplificar y salga la seal

amplificada. Si adems de los

condensadores de acoplo se usa un

condensador de desacoplo en

emisor, RE quedar cortocircuitada

para la CA, por lo que no aparecer

en el circuito equivalente.


2. Puesto que se va a hacer el anlisis solo para CA,

se elimina la fuente de continua cortocircuitndola

(recordar el teorema de superposicin). Esto hace

que las terminales de RC y R1 que estaban

conectadas a VCC queden ahora conectadas a

masa.


3. Al quedar R1 y R2 en

paralelo, se pueden

sustituir por su resistencia

equivalente RBB = R1 // R2.

4. Se sustituye el

transistor por su

modelo equivalente

para pequea seal.

A partir del circuito de CA se puede hallar los valores ms

relevantes del amplificador: Ganancia de Tensin, Impedancia de

Entrada e Impedancia de Salida.

Determinando la Ganancia de Tensin V

Donde: sal

ent

i

O

V

V

V

VV

Eeent IrV CCsal IRV

e

C

sal

ent

Ce

CC

Ee

CC

sal

ent

r

R

V

V

Ir

IR

Ir

IR

V

V

La ganancia es negativa porque el amplificador en configuracin

de emisor comn desfasa la seal de salida 180. Recordar que

VCE disminuye al aumentar Vent y aumenta en caso contrario.

Determinando la Ganancia de Tensin V

Ee

LC

sal

ent

Rr

RR

V

V

||

En caso de que el circuito cuente con resistencia decarga (RL) y/o de Emisor (RE) la expresin de la

ganancia en tensin se modifica, siendo el caso ms

general:

Como se puede constatar , al ser mucho mayor RE que re,

el efecto sobre la ganancia va a ser drstico, de ah la

importancia de usar el capacitor de desacoplo CE.

Los valores de ganancia reales sern algo menores debido a la respuesta en frecuencia del circuito.

Todo lo que est en colector para seal dividido por todo lo que est

en emisor para seal

Impedancia de Entrada Zent

La caracterstica de entrada en un transistorrelaciona dos magnitudes de entrada con una de

salida.

En el caso de la configuracin en emisor comnse tiene la corriente de base en funcin de la

tensin base-emisor, para distintos valores de

tensin colector-emisor.

La corriente de base y la tensin base-emisor sonvariables de entrada, mientras que la tensin

colector-emisor es una magnitud de salida.





Si se tiene una configuracin en base comn, sucaracterstica de entrada relacionar la corriente del

emisor con la tensin emisor-base, utilizando la

tensin colector-base como parmetro. La corriente

de emisor y la tensin emisor-base con las

magnitudes de entrada.

La figura muestra las diferentescaractersticas de entrada de dos

transistores NPN de germanio y

silicio respectivamente en funcin

del voltaje base-emisor para dos

valores del voltaje colector-

emisor.


A nivel circuito, la impedancia de Entrada estformada por 3 impedancia en paralelo

e

b

eb

b

ebb

b

eE

ent

entTent r

i

ri

i

rii

i

rI

i

VZ )1(

)1()(

Luego:

eent rRRZ )1(|||| 21


Es comn emplear para el valor intermedio delrango proporcionado por el fabricante.

Ntese que el bajo valor de re hace que laimpedancia de entrada no pueda ser todo lo elevada

que se deseara en un amplificador de tensin, Ya

que aunque aumentemos el valor de las resistencias

de la red de polarizacin, al estar re en paralelo nos

sigue bajando este valor.

En base a lo anterior, la nica manera de tener unaZent(T) elevada es sacrificando la ganancia de tensin

NO usando el capacitor CE.

)()1(|||| 21)( EeTent RrRRZ


Para el diseo de un circuito en configuracin emisorcomn es necesario tener muy en cuenta que se

cumpla la condicin de la Impedancia de Entrada por

lo tanto:

Analizando la expresin de la Impedancia deEntrada se puede deducir que la peor condicin

para que se cumpla esta es que Rent(T) sea al

menos Rent; remplazando esta condicin en la

ecuacin de Rent(T) se obtiene:

entTent RR )(

entEe RRr ))(1(


Empleando la ecuacin de la ganancia de tensin.

ent

eqR

V

R

)1(

Ee

eq

LCeq

Ee

LC

Rr

RVRRRsea

Rr

RRV

||

||

Despejando re + RE

V

RRr

eq

Ee

enteq RV

R)1(

Por lo que

Con esta ecuacin se puede obtener el valor de RC con el cual se

empieza el diseo.

Impedancia de Salida Zsal(T)

La caracterstica de salida tiene dos de las tresmagnitudes pertenecientes al circuito de salida.

Las curvas que relacionan la corriente de colector, lade base y la tensin emisor-colector son

caractersticas de salida en configuracin emisor

comn.

Las que relacionan lacorriente de emisor, la de

colector y la tensin colector-

base son las curvas

correspondientes a una

configuracin en base

comn.

Impedancia de Salida Zsal(T)

La impedancia de Salida es:

C

c

cC

sal

salTsal R

i

iR

i

VZ )(

A partir de estos datos se puede tratar al circuitodesde el exterior como un amplificador de tensin, lo

que facilitar notablemente el anlisis.

Zsal(T)

-V * Vent

Zent(T)

A

c

o

p

l

a

d

o

r

A

c

o

p

l

a

d

o

r

Redes Acopladoras

Se necesita disear los acoplamientos de entrada ysalida del dispositivo. Los acoplamientos son redesque transforman la entrada y salida del dispositivo aun valor determinado (requerido) siendo un valorcomn 50 .

Red Tipo L




N O T A S

V

VV

sal

ent

(max)

(max)

Un factor importante a tener en cuenta es el valormximo de la seal a la entrada que se puede

aplicar sin que se produzca distorsin.

Este se puede hallar fcilmente con solo tener encuenta que:

Dentro del diseo tambin existen otrascondiciones para evitar recortes en la seal de

salida las cuales se pueden especificar con la

ayuda de las curvas caractersticas del transistor.

N O T A S

)(

)(

)( pkSal

eq

CRC

eq

pkSal

C

RCpkSalC V

R

RVquelopor

R

V

R

VII

Se obtiene la inecuacin que nos evite distorsionesen la seal de salida.

En la inecuacin el subndice pk indica el valor pico de la

onda.

La eleccin correcta del valor de RC nos permiteobtener valores bajos de VCC pero corrientes altas y

viceversa, por lo que de la expresin de VRC se

puede deducir de la siguiente ,manera:

Si RC > RL VRC 10 Vsal(pk) (aproximadamente 10RL)

Graficando la tabla anterior

Y como se puede observar el VSal(pk) se refiere al delciclo positivo. El eje vertical de voltajes nos va a

ayudar a la explicacin de otras condiciones para que

no exista distorsin. Por ej. para asumir el VE, se

puede observar en el eje que debe ser mayor a

Vent(pk), pero adems se debe sumar 1 V por motivos

de estabilidad trmica en el circuito. Por lo que la

expresin final queda:

La grfica nos permiteobservar lo expresado en

la inecuacin

)(1 pkentE VV

Para el caso del VCE en la grfica se puede observarque debe ser mayor a la suma de Vent(pk) y Vsal(pk),

pero adems se debe aumentar 2 V (Vact) para

garantizar que el transistor trabaje en la regin activa

como se observa en la curva caracterstica del BJT.

)()( pkentactpksalCE VVVV

Ejemplo 2Considerando los siguientes datos: V = 50. Vsal(pk) = 10 V. Rent 3 K.. RL= 2 K . f = 1 KHz y = 90.

Disee un Amplificador en Configuracin de EmisorComn.

Se puede partir el diseo determinando Req a travsde la cual se obtenga RC.

KRR

VR eqenteq 64.13000

91

50

)1(

Ejemplo 2

Considerando un valor comercial cercano el valor dequeda de RC= 10 K. Con este valor la Req=1.714 K.

KRKRRR CLCeq 1.964.1||

Es importante observar el voltaje de salida que se generara

para NO necesitar un VCC muy alto incrementando tambin el

valor de la corriente repercutiendo en una fuente de

polarizacin ms costosa.

Como las resistencias poseen una tolerancia, los valores delas mismas van a oscilar; esto puede ocasionar que se

produzca recortes en la seal de salida por lo que se

multiplican los valores de VRC y VE por un factor de

seguridad que va a depender de la tolerancia, en la

siguiente tabla se muestran algunos factores de seguridad

junto con la tolerancia:

Considerando una tolerancia del 10% (es la mscomnmente utilizada) se continua con la determinacin de

la corriente:

Tolerancia Factor de

Seguridad

1% 1.1

5% 1.15

10% 1.2

20% 1.3

VK

KVRC 011.70)10(

714.1

12

Multiplicando este valor por el factor de seguridad se tieneun VRC 84V por lo que la corriente de colector ser:

mAK

VIC 7

12

84

Se procede a determinar la Resistencia Dinmica enEmisor re.

57.325

E

eI

mVr

El valor de re vara con la temperatura por lo que esnecesaria una resistencia de Emisor (RE) para estabilizar al

circuito trmicamente. A partir de la frmula de ganancia se

despeja el termino (re+ RE).

28.3450

714.1 KRr Ee

Comparando el valor obtenido con el de re se puede concluir que es

estable trmicamente ya que es mucho mayor (aprox 10 veces).

Determinando el valor de RE= 30.71 si la aproximamos a valorescomerciales cercanos, se cuenta con 27 y 33 eligiendo el mayor ya

que ayuda aumentar la rent y la estabilidad de la re.




Para continuar con el diseo se puede dividir el mismo encircuito de entrada y circuito de salida.

Analizando primeramente el circuito de salida se tiene:

)200(2.050

10)()( mVV

VV

pksal

pkent

Por lo que el VCE queda:

Este valor es opcional de aplicarle el factor de seguridad ya quesi se aumenta el valor de VCC el sobrante se enva a VCE el cual

ya cumple con el valor mnimo que exige la condicin.

Es importante observar el valor caracterstico del VCE deltransistor, ya que si en el clculo se supera este valor, puede

causar daos en el dispositivo. La solucin sera seleccionar otro

transistor con mayor valor de VCE.

VVVVV pkentactpksalCE 2.122.0210)()(

En este problema NO se asume el valor de VE ya que lacondicin de Rent NO se va a cumplir porque existe una

estrecha relacin en lo que tenemos en emisor y lo que hay

en base, las cuales son variables involucradas en la

ecuacin de Rent

Analizando el circuito de entrada:

Como se puede observar si IB es comparable con I2 las variaciones

de IB producirn cambios significativos en I2, haciendo que el voltaje

de base sea variable lo cual nos cambia todas las caractersticas de

la salida por lo que es necesario estabilizar este efecto haciendo

I2 >> IB (estabilidad de polarizacin).

AI

I CB

77

Determinando la Corriente que circula por R1: 21 III B

Si I2= 0.777 mA una buena consideracin es hacerIB 10 veces menor es decir IB=77 A por lo que

I1= 0.85 mA.

Para que sea estable se tiene que cumplir:

RC + RE 100 RB /

Pero el problema es que si RC y RE son muy grandes el

valor de VCE tiene que ser pequeo y puede llegar a

saturacin, por eso NO se puede hacer todo lo grande

que se quiera.

Diseo de un Amplificador de RF de Pequea Seal

Introduccin

Para el Anlisis y Diseo de los Amplificadores de RFse parte de su comportamiento en CD; se puede

cuestionar por qu se empieza justamente en el extremo

opuesto a las frecuencias de inters; la respuesta es que

la polarizacin de CD tiene un efecto importante sobre el

comportamiento en RF.

Lo anterior se debe a que los parmetros relevantes enRF de un transistor son muy dependientes de su

polarizacin de CD, en particular de su corriente de

colector; por lo que se debe conseguir una polarizacin

estable frente a cambios de temperatura.

Hay dos caractersticas importantes que tienen un

efecto profundo sobre el punto de funcionamiento en

CD del transistor: VBE y .

Introduccin

Para minimizar los efectos de estos parmetros, esnecesario recordar que el VBE baja cuando la temperatura

sube 2.5 mV/C y como se sabe, un transistor de Silicio

tiene un VBE=0.7V a 25C, por lo que si el VBE baja, se

permitir fluir ms corriente de base, lo cual ocasionar

ms corriente de colector.

Es necesario implementar mtodos que ayuden a evitar opor lo menos a reducir este comportamiento ya que es

crtico mantener estable la corriente de colector con la

finalidad de mantener estables los parmetros del

transistor aunque cambie la temperatura.

Una de las tcnicas es emplear una resistencia de emisorcuyo clculo fue analizado en el diseo de amplificadores

clase A.

Introduccin Recordando y reafirmando algunos aspectos importantes

del efecto del VE

1. Un descenso en el VBE con la temperatura causa un

aumento en la IE, y por lo tanto un aumento en VE. Este

aumento en VE constituye una retroalimentacin negativa

que tiende a polarizar en reversa la unin base-emisor,

logrando un descenso en la corriente de colector.

Es importante tener en cuenta que tampoco es deseable un

VE demasiado alto ya que puede causar prdida de potencia y

una seal en CA menor.

Puede agregarse un capacitor en paralelo con RE paraanular su comportamiento en RF y mejorando la ganancia

en CA.

Como norma general VE se puede elegir entre 2 y 4 V o como

el 10% del voltaje de polarizacin VCC.

Introduccin2. El segundo factor es la ganancia de corriente en continua

del transistor, . Se debe tener una polarizacin establefrente a los cambios de . stos pueden provenir de:

Cambios en temperatura. Puede variar alrededor de0.5% por C.

Dispersin en fabricacin. Variacin entre unidad yunidad producida del mismo modelo.

El cambio en la corriente de colector respecto de es:

E

BCC

R

RII 1

21

1

Donde:IC1= Corriente de colector en = 1,1= Valor menor de 2= Valor mayor de = 2 - 1RB = Paralelo entre R1 y R2RE= Resistencia del emisor.




Introduccin

Se puede ver que para disminuir la influencia de sedebe mantener pequea la relacin RB/ RE.

Tambin es importante mencionar que de esta forma sedisminuye adems la ganancia de corriente del

amplificador. Una relacin prctica comnmente

adoptada es que el factor sea menor de 10.

Procedimiento en funcin al tipo de Polarizacin

Polarizacin Universal.

1. Determinar el punto de operacin o trabajo del

transistor (ej. IC,VC, VCC, Psal).

2. Asumir un Valor para VE que considere la Estabilidad

de la Polarizacin (ej. VE=10% VCC, 2< VE 4).

Procedimiento en funcin al tipo de Polarizacin

Polarizacin Universal.

3. Asumir IE IC para transistores con altas Beta.

4. IE y VE se calcula RE, y conociendo VC, VCC e IC se

calcula RC.

5. IC y se calcula IB, y con VE, VBE se calcula VBB(VTH).

6. A partir de los valores obtenidos de VBB, IB se

obtiene IBB y con VCC se calcula R2.

Ejemplo 3: Calcule la potencia de CA que se entrega auna carga de 8 conectada al amplificador de la Figura. Losvalores de las componentes del circuito dan como resultado

una corriente de base en CD de 6 mA, y la seal de entrada

(Vent) da como resultado una oscilacin de la corriente pico

de base igual a 4 mA. El voltaje de polarizacin VCC=10v y

la relacin de vueltas del Transformador es np/ns=3:1.

Calcule adems la potencia de entrada CD, la potencia

disipada por el transistor y la eficiencia del circuito.

Regin de Corte

S

a

t

u

r

a

c

i

n

Curvas Caractersticas del Transistor

IB(CD)

VCEQ(CD)

ICQ(CD)

1.7 18.3

25

255

Modelo Equivalente de un Transistor aplicado en sistemas de R.F.

El transistor, independiente de su tecnologa deoperacin, posee un Modelo de Pequea Seal

bastante distinto al modelo que se utiliza en

frecuencias medias o bajas.

MODELO DEL BJT EN RF(CONFIGURACIN EMISOR COMN)

Componentes del Modelo de RF

rbb.- Resistencia de conexin de base, representa a la

unin del pin conductor a la base del BJT.

rb'e.- Resistencia de entrada, representa a la unin base

emisor, en configuracin emisor comn.

rb'c.- Resistencia de realimentacin, representa a la unin

base colector, en configuracin emisor comn.

rce.- Resistencia de salida, representa al equivalente de

Thevenin que ve la carga.

Ce.- Capacitancia de difusin, en realidad representa la

capacitancia de difusin mas la capacitancia de la

unin del emisor.

Cc.- Capacitancia de realimentacin, representa a la

capacitancia presente en la unin del colector.

Modelo del BJT en RF que incluye las Inductancias de los Conductores Asociados al

BJT, en Configuracin Emisor Comn.

Cmo se describe un Transistor?

Modelo de la Red.

Parmetros Y.

Usualmente se obtienen en transistores de UHF.

Valores medidos usualmente a una frecuencianica.

Los parmetros Y pueden encontrarse en trminos de pequea seal:




Existe una compleja relacin entre losParmetros Y y los Parmetros S. Losparmetros S podran derivarse en trminos depequea seal, pero es mas usual derivarlos atravs de dispositivos o tcnicasexperimentales que los determinen de maneradirecta (Analizador Vectorial de Redes).

Los modelos de Pequea Seal NO toman en cuenta todos los efectos parsitos mientras que

los mtodos experimentales SI.

Que Son los Parmetros S o Parmetros de Dispersin

Son propiedades usadas en ingeniera elctrica,ingeniera electrnica, e ingeniera de sistemas decomunicacin que se utilizan para describir elcomportamiento elctrico de las redes elctricas linealescuando se someten a varios estmulos de rgimenpermanente por pequeas seales.

Son miembros de una familia de parmetros similaresusados en ingeniera electrnica denominadosparmetros de redes de 2 puertos como por ejemplo losParmetros Y, Parmetros Z y Parmetros H.

A pesar de ser aplicables a cualquier frecuencia, losparmetros-S se usan principalmente en redes queoperan en radiofrecuencia (RF) y frecuencias demicroondas, ya que representan parmetros que son deutilidad particular en RF.


En general, para redes prcticas, los parmetros-Scambian con la frecuencia a la que se miden, raznpor la cual sta debe especificarse para cualquiermedicin de estos parmetros, junto con laimpedancia caracterstica o la impedancia del sistema.

Los parmetros-S se representan en una matriz y porlo tanto obedecen las reglas del lgebra de matrices.

Muchas propiedades elctricas tiles de las redes ode componentes pueden expresarse por medio de losparmetros-S, como por ejemplo la Ganancia,Prdida por Retorno, ROEV, Coeficiente deReflexin y Estabilidad de Amplificacin.


El trmino "dispersin" (del ingls, scattering) esprobablemente ms comn en ingeniera ptica queen ingeniera de RF, pues se refiere al efecto que seobserva cuando una OEM plana incide sobre unaobstruccin o atraviesa medios dielctricos distintos.

En el contexto de los parmetros-S, dispersin serefiere a la forma en que las corrientes y tensionesque se desplazan en una lnea de transmisin sonafectadas cuando se encuentran con unadiscontinuidad debida por la introduccin de una reden una lnea de transmisin. Esto provoca que la ondase encuentre con una impedancia diferente de laimpedancia caracterstica de la lnea.

Parmetros S

Aplicando el anlisis para una red de 2 puertos enconjuncin con la Teora de Lneas de Transmisinrespecto al coeficiente de Reflexin se derivan losparmetros S siendo estos:

2 Parmetros de Reflexin S11 y S22

2 Parmetros de Transmisin S21 y S12

S11 =b1

a1

S12 =b1

a2

S21 =b2

a1

S22 =b2

a2

Transistor

Parmetros S

a1S11 + a2S12b1 =

a1S21 + a2S22b2 =

Coeficiente de Reflexin de Entrada

Coeficiente de Transferencia Inversa

Coeficiente de Reflexin de Salida

Coeficiente de Transferencia Directa

S11 =b1

a1

S12 =b1

a2

S21 =b2

a1

S22 =b2

a2

S11 S12

S21 S22

1. Para Circuitos Recprocos S es simtrica.2. Para Recprocos y de Baja Prdida (S)S* = 1

a1

b1

b2

a2S22

S21

S11

S12

Matriz S

Que se necesita en un Amplificador de RF

Se necesita que S11 sea pequeo. Para que toda lapotencia sea absorbida por el dispositivo,disminuyendo la potencia reflejada reducindose losproblemas con la etapa precedente.

Se necesita que S21 sea elevado. Para asegurar unaganancia elevada.

Se necesita que S22 sea pequeo para que la potenciagenerada en el dispositivo pueda alcanzar la carga.

Se necesita que S12 sea pequeo para que tengamosun buen aislamiento entre el circuito de salida y el deentrada. Facilitando la optimizacin.

Conocimientos Bsicos para el Ingeniero de RF

Manejo o Adaptacin de la Red.

Acoplamiento de Circuitos.

Transformacin de Z-Y y viceversa.

Conversin entre y ZL.

Despliego o Medicin de Parmetros.

VNA (Vector Network Analyzer).

CAD programa que maneje la Carta de Smith para

desplegar los parmetros S.

Conversin entre y ZL.

Que es el coeficiente complejo de reflexin y como es su

representacin vectorial en el diagrama de Argand.

amplif rf sist 10

Documents