RADIOCOMUNICACIONES.

En esta clase veremos principalmente circuitos amplificadores de FI y de RF además de mezcladores AGC y AFC.

Este capítulo sirve de repaso para poder afrontar nuevos capítulos de radiofrecuencia.

En la práctica, crearemos un receptor superheterodino para recibir las señales de radio cercanas.

Amplificadores de RF.

Otras de las partes fundamentales de un receptor de RF es el amplificador de RF sin el cual, no se podrían escuchar las señales oportunas para poder realizar la demodulación.

Como ya se indicó, la señal que llega a la antena es muy débil como para poder ser traducida por el demodulador, y se producía la interpolación del amplificador para aumentar la señal recibida por la antena además de producir una selectividad de la señal de entrada.

Muchos amplificadores de comunicaciones no usan amplificadores de RF. Particularmente, los receptores diseñados para trabajar en una frecuencia menor de 30MHz. No es necesario para dicha frecuencia una amplificación, a pesar de que incluye más ruido. En estos circuitos, la antena se conecta directamente al mezclador a través de uno o más circuitos sintonizados.

Este tipo de amplificadores se denominan de Banda ancha.

Estos circuitos deben suministrar la selectividad a la entrada del circuito para evitar las frecuencias imágenes. El mezclador de este tipo de receptor debe de tener un filtro pasa altos para reducir el nivel de ruido.

Pero los receptores de más de 100MHz suelen utilizar amplificadores de RF. La mayoría de los receptores usan amplificadores RF de una sola etapa que suele proporcionar una ganancia de voltaje de 10dB a 30dB que se puede utilizar solamente con un solo transistor.

Para las altas frecuencias de UHF, VHF y microondas se suelen usar transistores FET que tienen menor capacidad de ruido y por tanto mayor rendimiento.

Los circuitos FET son ideales porque tienen una alta impedancia de entrada, que minimiza la carga sobre los circuitos sintonizados, haciendo que la Q del circuito sea más alta. Además hace que la selectividad sea más precisa y tiene una relación baja de ruido.

Para las altas frecuencias, como las de microondas se utiliza un transistor conocido como MESFET o FET de semiconductor metálico. Este tipo de transistores se utilizan para receptores de más de 1GHz. Un MESFET es un dispositivo FET de unión JFET fabricado de arseniuro de galio. El MESFET se representa mediante el simbolo siguiente:

Mezcladores y convertidores.

Los circuitos que se utilizan para la traslación o conversión de frecuencia se llaman mezcladores o convertidores. La función que llevan a cabo es la heterodinación estudiada anteriormente.

Existen basicamente dos tipos de conversión: Superior e Inferior.

En la primera, la señal de entrada se translada a una frecuencia más alta. En la segunda se translada hacia una frecuencia más baja.

El mezclador se compone basicamente de dos entradas y una salida. Las entradas están para la frecuencia de la señal (portadora incluida) y la frecuencia del oscilador local. La salida consistirá en la suma o diferencia de las dos entradas, aunque en algunos mezcladores ambas señales pueden presentarse a la salida. A continuación un filtro o un circuito sintonizado, permite pasar solo un rango de frecuencias o una señal de cierta frecuencia en concreto.

Como lo importante en un circuito mezclador no es la linealidad, se pueden utilizar varios componentes en la construcción del mismo y utilizar elementos como por ejemplo el Diodo, por ejemplo.

Mezclador de diodo.

La señal de entrada se aplica al primario del transformador y de ahí se acopla al secundario y se aplica al mezclador de diodo. La señal del oscilador local se acopla mediante C1 a la otra entrada del mezclador. Las señales de salida del mezclador se desarrollan a la salida del circuito antirresonante, el cual selecciona la frecuencia suma o diferencia de ambas señales de entrada y elimina las demás.

Por norma general se suele utilizar un diodo de Germanio debido a la pequeña potencia de la señal y la baja activación energética de dicho semiconductor.
Los diodos de Silicio también son excelentes mezcladores, pero los mejores diodos para mezcladores de frecuencias son los diodos portadores de alta energía Schottky.

Mezclador doblemente balanceado.

A continuación puedes ver el esquema de un mezclador doblemente balanceado utilizado para receptores VHF y UHF.

Mezclador a transistor.

La corriente de colector se ajusta para que no varíe con las variaciones de la corriente de base, es decir el transistor está configurado en clase AB para que ofrezca una circulación de la señal de entrada y la señal del oscilador, multiplicando ambas señales en su interior. En el anterior circuito, las corrientes de las diferentes señales se aplican a la base y por el colector, el circuito resonante paralelo, se encarga de seleccionar la frecuencia diferencia.

Aunque un transistor bipolar ofrece buen resultado a bajas frecuencias, para obtener un mejor resultado se recurre a utilizar transistores tipo FET.

Al igual que el anterior, el FET se polariza para que opere en una porción no lineal de su característica. La señal de entrada se aplica a la compuerta, mientras que la señal del oscilador local se aplica a la fuente. En el drenador, se acopla un circuito resonante que selecciona la frecuencia diferencia.

Pero los mejores mezcladores a transistores son los que están formados por un MOSFET de doble compuerta. Rara vez se suelen utilizar transistores bipolares ya en los mezcladores (salvo RF a frecuencias muy bajas). Para frecuencias altas VHF, UHF y microondas se suelen utilizar FET y MOSFET de doble compuerta como el siguiente circuito:

Este tipo de transistor de efecto de campo posee dos compuertas. A una de ellas se conecta la señal de entrada fs, y a la otra compuerta se conecta la señal del oscilador local. Al dreandor se conecta el circuito resonante que seleccionará la frecuencia dependiendo de sus valores.

Mezclador en circuito integrado.

Tiene un oscilador local interno que opera en torno a los 200MHz. La frecuencia de sintonización se fija desde un circuito resonante externo o un cristal.

Amplificadores de FI..

Otra parte importante de un receptor de RF es el amplificador de FI, ya que de ahí se obtiene la ganancia y la selectividad. La elección de una FI es muy importante en el diseño de un receptor.

Uno de los valores más básicos de FI es de 455KHz. Dicha frecuencia porporciona buena selectividad y alta ganancia con inestabilidad mínima.

Con frecuencias de entradas de 10MHz, el rechazo de imágenes es satisfactorio. Pero arriba de esa frecuencia, los circuitos sintonizados de entrada no proporcionan la selectividad suficiente para reducir las imágenes a un nivel aceptable. Por lo tanto, para frecuencias superiores a 10MHz, se selecciona mayor FI, siendo un valor intervalo de 1500KHz a 2000KHz, para frecuencias de hasta 30MHz.

Cuando la frecuencia de entrada está por un valor por encima de VHF, se elije una FI muy alta.

Por ejemplo, la mayoría de los receptores operan en la banda de los 88MHz hasta los 108MHz, usando una FI de 10,7MHz.

En muchos receptores que operan a frecuencias superiores, se utiliza la doble conversión para resolver problemas de imagen y selectividad. En algunos receptores de alta frecuencia que operan en el intervalo de 3MHz a 30MHz se usa la conversión sencilla, pero se utiliza una FI alta de 9MHz porque resuelve de manera muy eficaz el problema de las imágenes.

Volviendo al tema, los amplificadores de FI, son elementos sintonizados en clase A capaces de proporcionar ganancias de 10 dB a 3dB. Se suelen usar dos o más etapas. También se suelen utilizar transformadores con núcleo de ferrita para realizar el acoplamiento entre etapas. La mayoría de los amplificadores de FI utilizan transistores bipolares, tal cual muestra el circuito:

Los transformadores utilizados en el circuito son transformadores de doble sintonía. El primario y el secundario se hacen resonar con condensadores, por lo tanto, el acoplamiento entre el primario y el secundario dependen exclusivamente de la magnitud de la inductancia mútua, que afecta al ancho de banda.

Control automático de ganancia.

La selección de la ganancia total de un receptor de comunicaciones por lo general se basa en la señal más débil por recibir.

La ganancia de voltaje entre la antena y el demodulador es de 100dB; el amplificador de RF suele tener una ganancia del mezclador se encuentra en el intervalo de 5 a 15dB; la ganancia del mezclador se encuentra en el intervalo de 6dB a 10dB; los amplificadores de FI tienen ganancias de 20dB a 30dB; el detector puede introducir una pérdida típica de -2dB a -5dB siendo del tipo de diodo; y la ganancia de la etapa de amplificación de audio está en el intervalo de 20 dB a 40 dB.

Considerando las ganancias, por ejemplo:

Las ganancias totales de las diferentes etapas del receptor son:

9 + 4 + 27 -3 + 30 = 67dB.

Imagina que el amplificador tiene 3 etapas. Entonces la ganancia total sube a 121dB.

En la mayoría de los casos la ganancia total excede mucho de la ganancia requerida para la recepción adecuada. En general, el exceso de ganancia hará que la señal recibida se distorsione y que la información transmitida sea menos inteligible.

Este problema se soluciona proporcionando un control de ganancia en el receptor. El control de ganancia permite reducir la ganancia total del receptor para tratar señales grandes. Y la mejor manera para manejar señales grandes es incluir circuitos AGC (Automatic Gain Control).

El control automático de ganancia es un sistema de realimentación que ajusta en forma automática la ganancia del receptor con base en la amplitud de la señal recibida.

Las señales recibidas que sean muy bajas hacen que la ganancia del receptor sea alta, mientras que para las señales altas es baja.

El circuito AGC toma la señal recibida de la salida del amplificador de FI o de la salida del demodulador, y la rectifica a una corriente continua. La amplitud del voltaje de la corriente continua es proporcional al nivel de la señal recibida. Este voltaje se aplica a una o más etapas de amplificación de FI a fin de controlar su ganancia.

La ganancia en un transistor bipolar es proporcional a la corriente que conduce el colector. Incrementar la corriente de colector desde un nivel bajo aumentará la ganancia en forma proporcional.

Llegados a un punto la ganancia se estabilizará y después empezará a bajar cuando la corriente se incremente más. Por lo general la ganancia alcanza un pico de 30dB y ronda el intervalo de 6mA a 12mA.

La corriente de colector se obtiene dependiendo de la corriente de base. Por lo que dependerá del nivel de polarización del transistor, que suele fijarse mediante un divisor de voltaje fijo y una entrada de corriente continua del circuito AGC.

En algunos circuitos las combinación de divisor de tensión y una entrada de corriente continua del circuito AGC, controla la ganancia.

Observa que hay dos formas de ajustar la ganancia. Esta puede disminuir decrementando la corriente de colector. De esta manera cuando el circuito AGC reduce la corriente del amplificador para disminuir la ganancia se dice AGC en inversa. Pero la ganancia del amplificador FI puede reducirse intensificando la corriente de colector. Cuando la señal se hace más intensa, el voltaje del AGC se incrementa, con lo cual aumenta la corriente en la base. A su vez la corriente en el colector aumenta lo que reduce la ganancia. Este método se dice AGC directa.

Por lo general el AGC inversa es el más común en receptores de radio.

En este circuito la polarización del emisor común del amplificador de FI se deriva del divisor de tensión formador por R1 y R2 y la resistencia de emisor R4. La resistencia R3 conectada a la base, acepta un voltaje de corriente continua negativo del circuito AGC. Cuando el nivel de la señal se incrementa, el voltaje negativo de la corriente continua se eleva, lo cual reduce la corriente de base. Esto a su vez reduce la corriente de colector y la ganancia del circuito.

En directa es similar, pero la polarización de la etapa se deriva de la resistencia de emisor R4 y del propio circuito AGC. En este caso el voltaje es positivo, y establece el nivel de polarización. Una señal intensa incrementará el voltaje positivo y, por tanto, aumentará la corriente de base y la corriente de colector, reduciendo la ganancia del circuito.

Suelen utilizarse circuitos amplificadores diferenciales para aprovechar al máximo los circuitos AGC.

Silencionamiento.

Otro circuito que tienen los receptores de radio es el circuito silenciador. Este se encarga de silenciar la señal de audio si no existe señal de RF en la entrada del receptor.

En las comunicaciones en las que no se espera una respuesta si no que se recibe señal (comunicación unidireccional), en los receptores en ausencia de señal de RF generan un ruido interno producido por los circuitos internos y el oscilador local, que hay que regular para que no se escuche.

El circuito silenciador se ocupa básicamente de mantener apagado el amplificador de audio mientras que no exista señal de RF que ataque la antena, encendiendo el amplificador cuando recibe una señal de RF.