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.
sábado, 29 de octubre de 2016
sábado, 22 de octubre de 2016
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.
- 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.
miércoles, 12 de octubre de 2016
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.
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.
jueves, 6 de octubre de 2016
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.
- 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.
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