Etapa de Amplificación

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.