La siguiente fase del diseño de nuestro receptor de onda media
es la etapa de amplificación, la cual va a ser implementada utilizando
transistores bipolares gracias a su principio de funcionamiento como
amplificadores en su zona activa de trabajo. Para asegurarse de que el
transistor se encuentre dentro de esta zona
se debe conectar a los terminales del transistor resistencias,
capacitores, inductores o cualquier dispositivo que asegure el cumplimiento de
las condiciones de voltaje base-emisor para que se encuentre siempre trabajando
en su zona activa ya que es en esta región donde cumple su función como
amplificador.
Recordando que nuestro
amplificador debe tener unas especificaciones establecidas, además del factor de
ganancia, la configuración de amplificación debe tener una resistencia de
entrada muy grande para que no afecte el ancho de banda de la etapa diseñada
anteriormente y debe ser capaz por supuesto de funcionar adecuadamente a frecuencias
elevadas de onda media, de hecho, es por esta razón que elegimos a los
transistores como amplificadores y no un OPAM ya que con estos últimos se
pueden obtener ganancias elevadas sin mayo complejidad, sin embargo, al
incrementar la frecuencia de trabajo esta disminuye considerablemente hasta
resultar inútiles para nuestro objetivo.
Para realizar el análisis de
las configuraciones amplificadoras se hace primero un estudio en DC del
circuito, con la ayuda del modelo de continua del transistor mostrado en la figura1. Éste análisis se
realiza con la finalidad de obtener los valores de corrientes y voltajes de los
nodos del circuito en su punto de operación y para establecer las condiciones
de resistencias, impedancias y voltajes necesarios para que la configuración
circuital siempre labore en su zona activa de trabajo. Posteriormente se hace un análisis incremental
del diseño a través del modelo mostrado en la figura2, éste se realiza principalmente para
evaluar la constante K de amplificación que puede proporcionar el circuito así
como también la resistencia de entrada que posee, indicando sus dependencias y
valores en función de los otros componentes del circuito.
Para
obtener el modelo final del amplificador de nuestro receptor de onda media se
analizaron diversas opciones en base a nuestros requerimientos de diseño. La
primera propuesta analizada fuel el esquema circuital mostrado en la figura3.
Al realizar el análisis DC de este circuito fijandola corriente de polarización del colector de ICQ=2mA y Voq=Vcc/2 se obtuvo que para que el transistor labore en su zona activa debe de cumplir con las siguientes especificaciones:
Siendo β un parámetro del transistor. Paralelamente al estudio de este circuito se analizó otra propuesta de de polarización del transistor para mostrada en la figura4, una vez estudiado teóricamente su comportamiento en continua se obtuvieron los siguientes resultados:
Observando de las ecuaciones
de estas dos últimas propuestas que la resistencia Rb depende del parámetro del
transistor beta. En la práctica, conseguir dos transistores que tengan
exactamente el mismo parámetro beta es difícil, lo cual dificulta la
implementación de estos circuitos ya que, su uso implicaría el cambio de la
resistencia Rb en cada montaje con un transistor diferente, lo cual resultaría
inútil.
Una nueva red de
polarización propuesta para nuestro diseño es la mostrada en la figura5, donde
para ser usada como amplificador se inserta el generador y un capacitor
conectado entre el generador y la base del transistor, tal como se muestra en
la figura6, el capacitor debe poseer un valor tal que en continua su impedancia
sea infinita. Al analizar este circuito con el modelo incremental se obtuvo que:
Donde observamos que si se
desea incrementar la amplificación de nuestra configuración disminuimos la
resistencia de entrada y esto a su vez afecta el ancho de banda de nuestra
etapa anterior del receptor.
Este fenómeno que se aprecia
en las ecuaciones calculadas se debe al efecto Miller, el cual establece que existirá un incremento
en la capacitancia de entrada equivalente de un amplificador inversor debido al
incremento de la capacitancia entre los terminales de entrada y salida. Aunque
el término efecto Miller normalmente se refiere a la capacitancia, es
el mismo principio aplicado a la
impedancia, donde se explica que cualquier impedancia conectada entre la
entrada y la salida, que es en nuestro caso el colector del transistor, se
modificará la impedancia de entrada del amplificador vía este efecto.
En nuestro diseño es la
resistencia Rb la que conecta la entrada de nuestro amplificador con la salida
del mismo, sin embargo, para eliminar los efectos de Miller no basta con extraer
esta resistencia del diseño ya que es necesaria para realizar la polarización
del transistor en la zona activa, en lugar de esto se propone una idea de
diseño como la mostrada en la figura 7.
En esta configuración se
tiene la características de que en continua el capacitor actúa como un abierto
y las dos resistencias Rb/2 quedan en serie para polarizar el transistor y en
el análisis incremental el capacitor se convierte en un cortocircuito que
permite separar la resistencia conectada a la base de la conectada en el
colector, eliminando así los efectos indeseados de Miller.
Realizando el análisis DC e
incremental de esta configuración se obtuvieron resultados satisfactorios,
logrando alcanzar los parámetros de ganancia necesarios y una resistencia de
entrada elevada. Sin embargo, al realizar un análisis frecuencial del circuito
se obtuvo que la amplificación decrece con el incremento de frecuencia a partir
de los 300kHz lo cual es indeseado en nuestro receptor de onda media, donde
estaremos trabajando con frecuencias que van desde los 550KHz a 1,6MHz.
Este fenómeno se explica a
que el verdadero circuito en pequeña señal del transistor es el que se muestra
en la figura 8.
Observando que se tiene una capacitancia
conectada nuevamente entre la entrada y la salida de nuestro amplificador
inversor por lo que se aprecia nuevamente el efecto miller es nuestra
configuración. Así pues, al incrementar la frecuencia disminuye la impedancia
del capacitor Cpi y por ende disminuye también el voltaje base-emisor,
provocando esto un decremento de la corriente que circula por el colector y una
consecuente caída de la amplificación del circuito.
Para contrarrestar el efecto
de las capacitancias parásitas del transistor a altas frecuencias se implementa
dos acciones. La primera de ellas se utiliza para incrementar la amplificación
de nuestra configuración y consiste en colocar un inductor en seria entre el la
resistencia Re y el colector del transistor, tal como se muestra en la figura 9. La expresión de
amplificación queda como: Ampl = - gm(Rc+ jwL) V/V.
Finalmente se realizó el
montaje del circuito del amplificador en el laboratorio, pero sin incluir la
inductancia entre el colector y la resistencia Rc, obteniendo los resultados
mostrados en la siguiente tabla
F(Hz)
|
Ganancia
(V/V)
|
500k
|
171
|
600k
|
164
|
900k
|
143
|
1,1M
|
129
|
1,3M
|
115
|
1,6M
|
101
|
Observando que los
resultados experimentales coinciden con los previstos y que la ganancia
disminuye considerablemente con el incremento de la frecuencia de trabajo. Posteriormente se realizó el montaje del
circuito final mostrado en la figura9 pero sin la resistencia conectada al
emisor. Obteniendo los siguientes resultados:
F(Hz)
|
Ganancia(V/V)
|
500k
|
185
|
700k
|
181
|
900k
|
177
|
1,1M
|
170
|
1,3M
|
164
|
1,6M
|
147
|
En efecto, aún se observa que la ganancia del amplificador disminuye con respecto al incremento de frecuencia, pero en este experimento la disminución no es tan brusca como en el caso anterior y a la frecuencia máxima de trabajo (1,6MHz) aún se conserva un valor alto y aceptable de amplificación para nuestra aplicación en el receptor de onda media.
