Reinventando la Radio. Semana 13.

Esta semana nos hemos centrado en el procesado digital de señal. La motivación se encuentra en la necesidad de bajar en frecuencia el tono a 10 kHz, obtenido en nuestro receptor super heterodino, a 1 kHz. Esta última bajada en frecuencia se debe a que se desea una buena audición del tono producido y el oído humano es especialmente sensible a 1 kHz.
Debido a la complejidad que añadiría al sistema implementar dicho cambio usando elementos de hardware, se procede a  trabajar con elementos de software.

- El programa escogido para realizar el procesado mediante software es BasicDSP, un programa altamente instructivo y que ofrece muchas posibilidades.

- En dicho programa se definen las entradas como in, inr (si se trata de la entrada derecha) o inl (si se trata de la entrada izquierda), y las salidas de la misma forma como out, outr o outl. Una vez definidos los parámetros se realizan operaciones matemáticas con ellos para procesar la señal.

- El programa está formado por dos ventanas, una contiene un editor de texto para introducir las operaciones de procesado y debajo una pequeña interfície gráfica con algunos parámetros de configuración como lo són la entrada escogida (tarjeta de sonido, impulso...)

- Para el caso que nos conlleva, bajar una señal de 10 kHz a 1 kHz, el código que se debe implementar es el siguiente:

samplerate=48000
sawtooth=mod1(sawtooth+slider1)
osc=sin1(sawtooth)
x=inl
y=inr
z=x-y
en=z
mix=osc*en*20
lpfa=lpfa+slider2*(mix-lpfa)
lpfb=lpfb+slider2*(lpfa-lpfb)
outl=lpfb*100*slider3
outr=z*slider4

Donde slider2, slider3 y slider4 són barras deslizadoras incorporadas en la interficie gráfica que permiten ajustar manualmente el valor del parámetro.

- Una vez implementado el código en el laboratorio se ha podido comprovar que conectando la salida de nuestro receptor a 10 kHz a la entrada de audio del PC, mediante el procesado hemos convertido la señal a 1 kHz y la hemos escuchado a esa frecuencia.

Reinventando la Radio. Semana 12.

Esta semana hemos iniciado el diseño del receptor superheterodino. Un receptor con amplias capacidades de desarrollo moderno.

- El diagrama de bloques del receptor heterodino consiste en la antena receptora, un multiplicador que multiplica la señal captada por la antena con una señal proveniente de un oscilador local centrado a la frecuencia de recepción, a continuación una etapa de filtraje y amplificación y finalmente un detector de envolvente con un comparador que convierta la señal recibida en una señal cuadrada donde 1 es la presencia de señal y 0 la ausencia de esta.

- El interés de esta arquitectura se encuentra en que mediante el uso del multiplicador, se obtienen dos señales: una centrada a la frecuencia diferencia y la otra a la frecuencia suma, es decir, si la señal recibida está a 27 MHz y la del oscilador a 27MHz + 10kHz se obtiene a 10 kHz y a 54 MHz + 10kHz. De esta forma mediante un sencillo filtrado a baja frecuencia se obtiene la señal deseada.

- Como alternativa al multiplicador (dispositivo de importante complejidad), se puede usar un mezclador. Un dispositivo que realiza la misma función que el multiplicador mediante la commutación entre la señal de entrada y la misma señal de entrada cambiada de signo. De esta forma a efectos prácticos, se multiplica la señal por un tren de pulsos que se puede descomponer como una sinusoide en series de Fourier. Si el commutador commuta a la frecuencia del oscilador local, dicha sinusoide simulada por el tren de pulsos será de la misma frecuencia que la señal que se deberia usar en un multiplicador para realizar la operación.

- A frecuencias de audio una buena solución consiste en usar un amplificador operacional junto con un trasistor de tipo FET capaz de actuar como un interruptor cortando el paso de la corriente. Si se implementa junto a el oscilador local, se obtiene el interruptor commutando a la frecuencia deseada para el mezclador. De dicha manera, se obtendrá a la salida del circuito Vin cuando el transistor esté en ON y -Vin cuando el transistor esté en CORTE.

- Existen otras realizaciones, y la más usada es el Multiplicador de Gilbert, el cual se implementa de forma comercial en el chip NE602 de Philips. Dicho chip solo necesita de un oscilador local añadido para poder realizar la multiplicación de la señal de entrada de la antena.

A partir de aquí, gracias al dispositivo multiplicador que implementa el chig NE602, es posible implementar nuestro receptor superheterodino.

Reinventando la Radio. Semana 11

Esta semana hemos finalizado el diseño del emisor radio baliza. Los pasos seguidos se exponen a continuación:

- Los teoricos de circuitos definen una nueva configuración de oscilador. Esta que se llama Oscilador de Pierce consiste en el uso del cristal de cuarzo en modo inductivo (frecuencia de trabajo entre fp donce es un CC y fs donde es un CA) para poder así sustituir la bobina usada para realizar el filtro paso-banda.

- Una bobina es cara de fabricar debido al notable precio de la materia prima (el cobre) y la cantidad requerida, además también presenta una notable fragilidad. Para dotar al emisor de una importante rigidez hay que prescindir de dicho elemento.

- El Oscilador de Pierce usa un circuito tank con frecuencia del pico de resonancia por debajo de 27 MHz (donde debe trabajar el emisor). Dicho circuito cuando trabaja a f<fp su comportamiento es capacitivo y permite sustituir dos elementos R y C. Además de dicha forma se fuerza que el cristal de cuarzo oscile a 27 MHz y no en su tono natural por lo cual se puede usar uno de menor calidad.

- Para la etapa amplificadora se usa un transistor bipolar el cual se polariza independientemente del valor de Beta (valor que se conoce por ser extremadamente variable en función de cada transistor).

- Una vez implementado el emisor se debe modular la señal emitida de cierta forma. Una forma sencilla de hacerlo es la interrupción temporal de la señal. Una buena forma de generar esta interrupción es aplicar una tensión en la base del transistor bipolar para que este entre en corte.

- Para generar la tensión alterna en la base del transistor bipolar se puede usar un Timer 555, el cual provee una tensión cuadrada i periódica que irá perfecto para interrumpir la emisión periodicamente. Se peude añadir un dispositivo LED para señalizar de forma visual cuando el emisor está transmitiendo.

Con esto acaba el diseño del emisor radiobaliza, se han realizado pruebas en un prototipo de laboratorio y se ha conseguido transmitir correctamente, ha sido un éxito!

Reinventando la Radio. Semana 10.

Esta semana hemos seguido con el tema del diseño del emisor radio, los conceptos aprendidos esta semana se exponen a continuación:

- Una vez implementado el oscilador a 27 MHz, para medir la potencia suministrada a la carga se puede usar la amplitud pico a pico de la senoide creada. A pesar de su aparente viabilidad, el osciloscopio a esa frecuencia trabaja al límite de su capacidad y las medidas pueden verse distorsionadas.

- A partir de altas frecuencias el intrumento adecuado para analizar las ondas electromagnéticas es el analizador espectral, un dispositivo capaz de escanear todo el rango de frecuencias denotando la amplitud de la señal para cada una. Por lo tanto consiste en un filtro paso banda sintonizable con un detector de envolvente a continuación.

- La realización de un filtro paso banda con esas características presenta verdaderos problemas así que se obta por una solución más práctica: un filtro paso-banda con una frecuencia central fijada combinado con un multplicador que multiplica la señal entrante con la proveniente de un oscilador. Si suponemos que la frecuencia central del filtro es Fi y la frecuencia del harmónico que se desea potenciar Fh, al sintonizar el socilador a frecuencia Fh+-Fi se obtendrá un filtro equivalente paso banda a Fh. Dicha frecuencia de oscilación podrá ser controlada mediante un oscilador controlado por tensión y mediante una señal diente de sierra se podrá escanear el rango frecuencial completamente.

- Ahora el problema se centra en como crear un oscilador de frecuencia controlable por tensión. Una opción es la incorporación de una capacidad variable en el diseño del oscilador a 27 MHz. Dicha capacidad variable puede ser implementada por un "varicap" que consiste en una combinación de R-Diodo-C que se puede modelar como un condensador variable con la tensión que se le aplica.

- El circuito varicap, una vez implementado, puede ser aplicado en el emisor del transistor o junto con Cv. En la primera opción la capacidad variable actua sobre C2 provocando un ajuste fino y en la segunda actua sobre Cv provocando una ajuste intenso de la frecuencia de oscilación.

- A pesar de la viabilidad del diseño presentado, contiene elementos de alta fragilidad (como el inductor) que van a variar la frecuencia de transmisión. Este hecho es impensable y hay que buscar una solución más reforzada.

- El cristal de quarzo es un material que por sus propiedades piezo-eléctricas es capaz de proveer oscilacions muy estables a frecuencias bien determinadas. Mediante el espesor del corte de dicho material se determina la frecuencia de oscilación y esta se mantiene absolutamente invariable. Dicho dispositivo presenta el siguiente comportamiento: existe una cierta fs a la que su impedancia es nula, existe una cierta fp a la que la impedancia es infinita, entre fs y fp (un pequeño intervalo) el comportamiento del material es el de un inductor y fuera de dichos intervalos se comporta como una capacidad.

- Para iniciar el movimiento oscilatorio en este material se debe aplicar una tensión de polarización, la cual generará un desequilibrio de cargas y una deformación. Mediante el análisis se llega a modelar como un inductor y una capacidad en serie que estan en paralelo con una capacidad, en base a dicho modelo se obtienen expresiones de fs y fp.

- En base a este dispositivo la idea básica para generar un oscilador es la de colocar la etapa amplificadora seguido del filtro paso-banda con amplifciación 1 y desfase 0 y realimentado mediante un lazo con un cristal de quarzo en serie. Si el circuito trabaja a fs, dicho cristal se comportará como un cortocircuito y oscilará.

- Aplicando este diseño al circuito del oscilador a 27 MHz, si se conecta el cristal de cuarzo en terminales del emisor del transistor obtendremos la oscilación a dicha frecuencia estable.

- En relación con el comportamiento del cristal de quarzo, se observa que, debido a su comportamiento inductivo entre fs y fp, es posible sustituirlo por el inductor del diseño (recordando que se trata de un elemento frágil). Habrá que tener cuidado con el tipo de cristal de quarzo usado, pues muchos se diseñan para que trabajen en OVER-TONE (harmónicos de la frecuencia fundamental) debido a su mejor resistencia y precio económico, por lo cual si se coloca en el lugar del inductor, al no ser filtrados los diferentes harmónicos, el cristal trabajará en un harmónico fundamental que será 9 MHz.

Reinventando la Radio. Semana 9.

Esta semana hemos iniciado un nuevo tema, el diseño de un emisor radio baliza. En las anteriores semanas hemos definido el receptor de radio, pero para completar el sistema hay que definir el emisor mediante el cual se transmitirá la señal radio a recibir.
Los conceptos explicados se muestran a continuación:

- El primer element fundamental de un emisor radio baliza es el oscilador sinusoidal que permitirá crear una onda electromagnética capaz de iluminar el espacio. El diseño de dicho dispositivo presenta importantes dificultades y no es trivial.

- Se propone la estructura de bloque amplificador + filtro pasobanda. Si la constante multiplicativa de dicha cadena K = 1, tenemos que a la salida del circuito la tensión es la misma que a la entrada. Por leyes de circuitos, se pueden interconectar dichos nodos sin alterar el resultado. De dichas conclusiones nace la "Condición de Barkhausen" la cual dictamina que para que dicha combinación de elementos actue como un oscilador sinusoidal, la ganancia del lazo debe ser la unidad y la fase nula.

- Definida la constante K del lazo, se dan 3 posibles stuaciones: K = Kosc (oscilación estable), K<Kosc (oscilación decreciente), K>Kosc (oscilación creciente).

- Otro aspecto de importancia es el arranque de la oscilación, pues se necesitará de un tono sinuoidal para iniciar la oscilación lo que genera de nuevo el problema de como generarlo. Como solución a este problema se propone usar el ruido térmico. A la entrada del amplificador, por el simple hecho de estar a una cierta temperatura, existe una señal aleatoria de baja amplitud y un completo rango espectral. Por lo tanto usando el filtro paso-banda se puede seleccionar parte de la componente espectral del ruido y quedarse únicamente con el tono frecuencial que corresponderá a la sinusoide.

- Aplicando este método basado en el ruido térmico, si se cierra el lazo con K>Kosc, se generará una sinusoide a la frecuencia deseada con amplitud creciente la cual acabará recortada por la saturación del amplificador.

- Hemos implementado en el laboratorio un prototipo de este diseño usando un Amplificador Operacional configurado como amplificador no inversor. Entonces, para evitar que la sinusoide creada quede recortada, hemos incorporado una resistencia ajustable en el lazo de ajuste de ganancia del AO para, una vez generada la sinusoide, disminuir el factor K hasta alcanzar el valor óptimo.

- Finalmente, se proponen mecanismos que permitan realizar automáticamente el ajuste del factor K. Uno de ellos es el uso de un transistor FET el cual como más negativa es la tensión de puerta del dispotivo, mayor es la resistencia que ofrece. Por lo tanto, con un detector de envolvente (trabajado en anteriores capítulos), configurado para extraer el nivel negativo, y el transistor FET conectado a él y a su vez a el lazo de ajuste de ganacia se realiza el ajuste automatizado del factor K.

- Lamentablemente, el uso del AO está fuertemente limitado en frecuencia, así que para poder realizar osciladores en frecuencias mayores se deberán usar modelos basados en transistores. La estructura usada consistirá en una etapa amplificadora unidad (seguidor de tensión) y un filtro paso-banda con amplificación a la frecuencia de resonancia.

Reinventando la Radio. Semana 8.

Esta semana hemos seguido con los filtros y transformadores de RF. Los conceptos trabajados se exponen a continuación:

- El circuito R con L-C paralelo (o circuito tank) se puede modelar como la misma R con el paralelo de tres elementos R-L-C lo que se puede modelar como el circuito original con una fuente thevelin y una resistencia thevelin.

- El saber crear una buena inductancia es realmente importante, hemos trabajado 3 métodos diferentes: el uso de un toroide ferromagnético en el que se enrolla el devanado, una estructura solenoidal ferromagnética en la que se enrolla también el devanado peró con la característica de que la longitud del núcleo debe ser mucho mayor que la longitud de la espira, finalmente hemos visto la configuración de Nagaoka que usa bobinas no solenoidales y la condición de funcionamiento es que la longitud de la bobina debe ser mayor o igual que N veces el calibre del hilo (donde N es el número de espiras).

- Hemos trabajado el concepto de acoplamiento magnético, el cual es de una gran importancia ya que teniendo en cuenta este concepto, dos bobinas cercanas por donde circula un campo magnético variable en el tiempo no pueden analizarse como elementos separados.

- Aparece el transformador perfecto o ideal, el cual definido por los teóricos de circuitos es capaz de expresar la salida como la entrada dividida por un cierto factor n, y es capaz también de expresar la resistencia de entrada al dispositivo como la resistencia de carga multiplicada por n al cuadrado.

- El circuito que se representa como una cierta inductancia (primera bobina) en paralelo con el símbolo del transformador, se modela como dicha inductancia en paralelo con la resistencia de carga por N al cuadrado (donde N se expresa como n1/n2).

- Se han trabajado las transformaciones serie-paralelo y paralelo-serie de elementos R-C que ayudan a la aplicación de las propiedades del transformador en diversos circuitos.

- Finalmente se ha presentado el dispositivo llamado "Autotransformador" el cual consiste en el uso de un único bobinado con una toma intermedia que define las dos bobinas que forman el transformador, de esta manera se ahorra el segundo bobinado. Cambian ligeramente el coeficiente n, que ahora se define como N1/(N1+N2).

Con estos puntos se finaliza el tema de filtros y transformadores de RF con un claro protagonista, el transformador. Este elemento permitirá desde crear filtros paso-banda con amplificación equivalente a 'n', hasta adapatar impedancias!

Reinventando la Radio. Semana 7.

Esta semana hemos iniciado un nuevo tema: Filtros y Transformadores en RF.

Los conceptos que hemos trabajado són:

- Comportamiento frecuencial de la impedancia de los inductores y los condensadores. El inductor a bajas frecuencias es un cortocircuito y a altas frecuencias un circuito abierto, el condensador al contrario a bajas frecuencias es un circuito abierto y a altas frecuencias un cortocircuito.

- Mezclando estas dos propiedades se puede crear un filtro paso banda mediante un divisor de tensión que en el terminal a masa tiene un condensador y un inductor en paralelo. Combinando adecuadamente el comportamiento frecuencial de dichos elementos se crea una cierta banda de paso delimitada por la frecuencia inferior a la que el inductor se convierte en cortocircuito y la frecuencia superior a la que el condensador se convierte en cortocircuito.

- Existirá una cierta frecuencia de resonancia a la que la impedancia del paralelo entre el condensador y el inductor se hace infinita y se produce el pico de resonancia (máxima amplitud). Dicha frecuencia de resonancia será: 1/sqrt(LC), y el ancho de banda del filtro será: 1/RC.

- Análisi del bipolo R-L-C en paralelo que presenta las mismas características que el circuito con L-C paralelo, pero en este caso la impedancia que presenta el conjunto paralelo a la frecuencia de resonancia no es un circuito abierto sinó que es la resistencia R.

- Circuito TANK que consisté en un módulo integrado que contiene un condensador en paralelo con una bobina, que por el efecto pelicular, añadirá una resistencia en serie.
Se analiza dicho circuito y se obtiene que existe un valor de frecuencia de resonancia que elimina la parte imaginaria de la impedancia del conjunto.

- Dicha resistencia se puede modelar como un bipolo R-L-C en que Rp = L/(RsC) y Lp = L/(1-1/Q^2), pero teniendo en cuenta que fácilmente se conseguirán valores de Q>5, el factor del denominador de Lp será 1 y Lp se podrá aproximar por L.

- Se han presentado dos ideas de diseño nuevas: el amplificador inversor reconvertido en un filtro pasobanda sustituyendo la resistencia de lazo por un circuito TANK, y el amplificador sintonizado sustituyendo la resistencia de colector por un circuito TANK.

Reinventando la radio. Semana 6

Esta semana hemos dado por finalizado el diseño del modelo regenerativo de un receptor en Onda Media. La semana pasada nos quedamos con la creación de la regeneración para mejorar la selectividad del receptor y alcanzar los 0,3 Voltios mínimos para el detector de envolvente. Los conceptos mostrados esta semana se muetra a continuación:

- El terminal de salida del circuito que tenemos actualmente no está en un nodo de baja impendancia. Eso significa que cualquier canvio producido por el demodulador o el amplificador de audio que irán conectados a continuación, generaran alteraciones en Vo. Se necesita una etapa separadora capaz de dar Vo en terminales de una fuente de tensión ideal.

- Una buena solución para la etapa separadora es usar un Amplificador Operacional. Hay que analizar el comportamiento que tiene este dispositivo a altas frecuencias alrededor de 1MHz.

- Se observa que el comportamiento esperado del AO se encuentra delimitado por una frecuencia máxima, a partir de allí, la amplificación original (20*log10(Ao)), passa a decrecer a un ritmo de -20dB/dec. Dicha "frecuencia máxima" de operación, viene dada por el fabricante en un parámetro llamado"producto ganancia-ancho de banda"  de donde se obtiene que el ancho de banda de comportamiento correcto se expresa como: BW=Ao*wc/k*1/2pi Hz. Por lo cual como mayor sea la ampliciación, menor será el rango de frecuencias en el que se mantiene.

- Se analiza el caso que nos conlleva, frecuencia de corte alrededor de 1MHz, y se obtiene que la amplificación máxima es de k=3. Dicho valor es bastante bajo, pero cabe recordar que la finalidad de este AO no es amplificar (por eso ya está el transistor y la etapa regenerativa), sinó proveer esa salida estable de Vo.

- Para la siguiente etapa, el detector de envolvente, se usa como idea principal el funcionamiento de un convertidor ACDC, el cual mediante un diodo y un circuito RC, crea tramos de conducción el que la tensión es Vo y tramos en que el diodo corta su conducción y se descarga el condensador a través de la resistencia. Para aplicar dicho esquema al detector de envolvente se aplican cotas en R y C. Para empezar R*C >> 1/fc, además para evitar la distorsión diagonal la cual se producirá en los peores casos como lo es la modulación cuadrada, la regla de diseño será 1/(2pi*m*fm) > R*C > Tportadora.

- Una vez implementado el detector de envolvente es posible añadir la etapa de audio. Como características se tiene que debe estar alimentada, suele tener una impedancia muy baja de alrededor de los 10 Ohmios i la potencia suministrada debe ser la mayor posible (como mínimo 50mW).

- Se observa que si se conecta directamente el altavoz a la salida del AO, la potencia entregada a la carga es muy baja. Si se hace un estudio en función de la resistencia equivalente de la carga, se observa que se necesitaria como mínimo una carga de 150 Ohmios para alcanzar esos 50mW mínimos.

- Para aumentar la resistencia de carga, se usa un transformador el cual tiene la propiedad de si lo encierras en una caja, es capaz de engañar al circuito elevando el valor de la resistencia que está conectada. De esta forma se soluciona el problema de la resistencia de carga muy baja.

- Finalmente cabe añadir un condensador en serie entre la salida Vo y el transformado. La función de este transformador es añadir una cierta impedancia a bajas frecuencias pues si no, las bobinas que forman el transformador a bajas frecuencias tienen impedancia nula y cortocircuitarian el circuito.

Con esto, el receptor regenerativo en Onda Media queda listo.

Reinventando la Radio. Semana 5

En esta semana hemos trabajado los siguientes conceptos:

- Con el modelo que tenemos actualmente en teoria obtendríamos el valor de la amplificación calculado y estable a todas las frecuencias de diseño, veremos experimentalment que eso no será así. Al montar el circuito en una protoboard del laboratorio, hemos realizado varias mediciones de dicha amplificación a diferentes frecuencias a lo largo del rango de trabajo. El valor de la amplificación ha sido el esperado aproximadamente pero hemos observado que conforme la frecuencia va augmentando (concretamente sobre los 300kHz) la amplificación empieza a decaer.

- El primer defecto que hay que corregir de nuestro modelo es la incorporación de una cierta resistencia en serie correspondiente al hilo que irá connectado al dispositivo. La base de las patas de un transistor es tan fina que se necesita de un hilo muy fino el cual tendrá una resistencia no despreciable. Además será dominante sobre el valor de Rpi.

- Otro defecto que habría que corregir es colocar una bobina en serie con la resistencia de entrada del colector, de esta forma se aumenta el valor de la resistencia de colector directamente proporcional con el aumento de frecuencia y la nueva expresión de la amplificación es: Amp = -gm*(Rc + jL2pi*f).

- Finalmente se puede añadir una resistencia en serie con el emisor. Dicha resistencia aún que disminuye ligeramente la amplificación aumenta la resistencia de entrada del amplificador.

- Una vez realizadas estas modificaciones hemos repetido el experimento en la protoboard y hemos obtenido de nuevo el valor esperado de amplificación y mucho más constante al largo del rango de frecuencias.

- Aún y así, sigue habiendo una falta de amplificación en el diseño y la tensión captada a duras penas llega a los 300mV necesarios en el detector. Como solución se propone retransmitir la señal con una nueva antena para que la capte de nuevo la antena receptora, de esta forma si las señales están en fase se producirá una interferencia constructiva que elevará los niveles de tensión. A este efecto se le llama regeneración.

- Por las características del circuito, si se coloca la bobina adicional de la misma forma que la antena receptora, la señal recibida tiene un desfase de -pi, por lo cual se genera una interferencia destructiva que no interesa en absoluto. Por lo cual la bobina adicional debe colocarse al reves de forma que se invierta la polarización i ese desfase de -pi desaparezca.

- El parámetro más importante de esta nueva configuración es la resistencia en serie conectada a la antena bobina. Dicha resistencia modela el comportamiento de la amplificación siendo como más pequeña es esta mayor es la sensibilidad y la selectividad del amplificador. Esto tiene un límite, y si el valor de dicha resistencia baja considerablemente llega un punto que desaparece el ancho de banda y el amplificador se convierte en un oscilador.

Reinventando la Radio. Semana 4

Esta semana hemos trabajado los siguientes conceptos:

La semana pasada dímos por finalizada la primera etapa del esquema  del receptor regenerativo para onda media, la recepción. Entonces hemos empezado con a siguiente etapa relacionada con la amplificación. Esta se basa en los diodos y los transistores.

- Para calcular la amplificación necesaria en el receptor, encadenamos los diferentes factores de amplificación en la cadena de recepción hasta llegar a la siguiente expresión:
|V| = k*0.036*|Erms| >= 0.3 V
El valor de la constante k nos indica la amplificación necesaria. Con un transistor bipolar se pueden conseguir valores de k de 166, el cual amplifica valores de campo de hasta 50mV/m.

- Para entender el transistor bipolar hay que entender primero el diodo así que hemos trabajado este tema. El diodo es un semiconductor de unión PN que tiene una característica V-I de carácter exponencial. A partir de un cierto valor Vgamma, la intensidad que circula a través pasa de ser nula a un alto valor creciendo exponencialmente. En función de si situamos la tensión por encima o por debajo de Vgamma definimos polarización directa o polarización indirecta respectivamente.

- Para analizar circuitos con diodos se presenta en primer lugar el método gráfico (el cual se descarta), y en segundo lugar el modelo lineal a tramos el cual define dos hipótesis: diodo ON (zona de validez: I>0), diodo OFF (zona de validez: V<Vgamma).

- El modelo a tramos es insuficiente así que se presenta el modelo incremental. Este consiste en producir leves desplazamientos en la tensión para ver que cambios genera en la intensidad. Para analizar este tipo de modelo se realiza el análisis con la contribución de todas las fuentes menos la que corresponde al incremento Vdelta, y luego se apagan todas las fuentes dejando solo la correspondiente a Vdelta.

- Una vez explicado el diodo, hemos pasado a ver el transistor bipolar de unión NPN. Debido a que consiste en el dispositivo diodo, también se polariza y para el uso que queremos dar-le (amplificación) debe estar polarizado en activa.

- El dipositivo tiene 3 patas, la base, el emisor y el colector. Su característica principal es que pequeños canvios en la tensión base-emisor generan grandes canvios en la corriente de colector. Colocando una resistencia en dicho tramo se transforma ese aumento de la corriente de colector en voltage.

- El primer punto de importancia es el de como polarizar el transistor para mantenerlo en zona activa permanentemente. Se dan a conocer 3 soluciones:
La primera usando dos resistores pero esta es inestable térmicamente y depende del parámetro Beta del transistor el cúal es variable según el transistor.
La segunda también consiste en dos resistores que con una configuración diferente logran mayor estabilidad térmica pero siguen dependiendo del parámetro Beta.
La tercera usa cuatro resistores y esta ya no depende del parámetro Beta y por lo cúal es aplicable a cualquier transistor.

- Se descubre mediante análisis que el transistor no tiene una zona activa infinita, esta está delimitada por la zona de corte por la izquierda y por la zona de saturación por la derecha.

- Se incorpora un condensador en série con el generador de incremento de señal para maximizar el efecto transistor.

- La expresión de la resistencia de entrada resultante es: Rin = Rpi//Rb/|Ampl|. Por lo cual al maximizar la amplificación la resistencia de entrada disminuye y eso afectará negativamente al diseño general del receptor. Esto se debe al efecto Miller.

- El efecto Miller se produce al conectar un resistencia entre la salida y la entrada, por lo cual la modificación que se hace en el montaje para erradicar-lo es dividir esa resistencia en dos mitades en serie y colocar un condensador en medio conectado a masa que a la frecuencia deseada del circuito se comporte como un cortocircuito.

Reinventando la Radio. Semana 3

Esta semana hemos trabajado los siguientes conceptos:

- Profundización en la realización física de la antena que consiste en una bobina con núcleo de Ferrita. Este material se introduce con intención de aumentar la permeabilidad magnética. La inductancia de la bobina és proporcional a el número de espiras al cuadrado.

- Uso de un condensador variable con capacidad para modificar su superfície, y con ello su capacidad, para modificar la frecuencia de resonancia del circuito. De todas las tensiones presentes a la entrada solo se amplificará (o recibirá) la que coincida con la frecuencia de resonancia.

- Hemos realizado un experimento con el objetivo de medir la inductancia y la resistencia parásita de una bobina de esas características. Para ello hemos montado el circuito RLC, con R la resistencia del generador, L la bobina fabricada, y C un condensador fijo de 100pF.
El primer paso es encontrar la frecuencia del pico de resonancia observando en el osciloscopio el punto de máxima amplitud de la sinusoide, una vez encontrada de su expresión se aísla el valor de L.
El segundo paso es encontrar la resistencia parásita midiendo el valor de la amplificación en el pico de resonancia, una vez encontrada de su expresión se aísla el valor de Rs.
Es importante destacar que aún que se use una sonda de baja capacidad, al conectar el osciloscopio se añade un condensador parásito de 12 pF el cual se debe tener en cuenta en los cálculos.

- El valor de L obtenido es el esperado pero el valor de Rs es entre uno y dos órdenes de magnitud superior al esperado. Esto empeora notablemente el ancho de banda del filtro y por lo tanto su factor de calidad. El empeoramiento puede ser tal que el filtro no sea capaz de desechar las interferencias de las emisoras en bandas contiguas.

- Se ha analizado otro efecto de empeoramiento de la selectividad, la resistencia equivalente de entrada del amplificador de RF que va a continuación. Analizando la función de trasferencia del circuito se observa que el valor de esta debe ser tan alta como sea posible. El amplificador que sintetizaremos no tendrá esta resistencia tan elevada.

- Se presenta como solución al problema de la resistencia de entrada del amplificador el uso de un transformador el cual tiene la propiedad de multiplicar el valor de la resistencia por el cuadrado de la relación de espiras.

Reinventando la radio. Semana 2.

En esta semana hemos trabajado los siguientes conceptos:

- Planificación de radioenlaces. Introducción del concepto relación señal-ruido y en relación el de Mínima Señal Detectable. Incorporación de dichos conceptos en la ecuación de transmisión.

- Descripción de antenas de uso habitual. Yagi-Uda y dipolo en lambda/4.

- Descripción y aplicación de la magnitud dB

- Ecuación de transmisión reescrita aplicando la magnitud dB

- Trabajo sobre el problema de la curvatura de la Tierra. Se aplica en comunicaciones via radio de larga distancia.

- Inicio de la aplicación de la radio para señales de audio. Presentación del esquema funcional y rango de frecuencias en el que se trabaja.

- Problema de desplazamiento espectral de el rango de frecuencias que comprende la voz hasta el rango de frecuencias de la banda de onda media.

- Primera aproximación usando un Multiplicador. Se obtiene un buen resultado sobre el papel pero se descarta por complejidad técnica de la realización de un Multiplicador.

- Concepto de compartir el espectro radioeléctrico. En el caso de la Onda Media se divide el espectro en slots de 8 kHz para evitar interferéncias.

- Segunda aproximación eliminando el Multiplicador del receptor. Consiste en sumar a la señal emitida una componente continua y luego en vez de usar de nuevo un multiplicador en el receptor, extraer la envolvente de la señal.

- Es necesario la aplicación de un filtro paso banda sintonizable para escoger la señal que se desea recibir.

- Problema! El detector de envolvente necesita 0,3V mínimo para ser sensible. Necesario el uso de un amplificador.

- Problema de compactar antena + filtro de sintonía -> Circuito RLC Serie creando pico de resonancia a la frecuencia de sintonia. Fr = 1/(2*pi*sqrt(L*C)). Inductancia fijada por la bobina que se usa como antena, necesidad de variar la capacidad para sintonizar diferentes frecuencias de resonancia.

Reinventando la radio. Semana 1

En esta sesión hemos trabajado conceptos de electromagnetismo, antenas y ruido.

• La aproximación circuital es solo válida si la máxima longitud del circuito es <lambda/100.
• Al conectar dos barillas metálicas en circuito abierto en un circuito de L aprox lambda, las normas circuitales no se mantienen y se transfiere potencia a las barillas.
• Esta potencia transmitida no se disipa en forma de radiación térmica, por lo cual se disipa como radiación electromagnética.
• Analizando las barillas metálicas como una caja negra se obtiene una cierta impedancia en función de la frecuencia. Para una longitud de lambda/2 la impedancia es real (Z = 72).
• Este fenomeno es reversible, por lo tanto las mismas barillas metálicas són capaces de absorber radiación electromagnética y convertirla en potencia.
• Se puede comparar con el funcionamiento de una bombilla, la cual radia ondas de muy mayor frecuencia. Esta bombilla, al igual que las barillas se pueden direccionar para concentrar la radiación en un punto.
• Se han descrito los parámetros de un dipolo de lambda/2, un monopolo de lambda/4, radioenlaces y parámetros de los campos eléctrico y magnético.
• Uso de una bobina como antena mediante la Ley de Inducción de Faraday.
• Posibilidad de modular mediante variando amplitud o frecuencia de oscilación.
• Descripción del ruido térmico presente en la naturaleza.