Informe de Laboratorio - Amplificador de RF

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, RF 2016-2, CASALLAS J, SILVA D., OCANDO, E.

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Amplificador de RF Casallas, Juan Manuel; Ocando, Erick; Silva,Diego Felipe  jmcasallasg, dfsilvav,eaocandos dfsilvav,eaocandos [@unal.edu.co] Universidad Nacional de Colombia

 Resumen: En el presente informe se muestra el dise no ˜   de un amplificador de RF con un ancho de banda esperado  de 1MHz hasta 50MHz. Se emplea una configuraci configuraci´   on ´   cascodo por su buen desemple no ˜  en frecuencia, teniendo en cu cuen enta ta el efec efecto to de la lass so sond ndas as de medi medici ci´   on, ´  ya que  para altas frecuencias, presentan atenuaci´  atenuaci on ´  de la se nal  ˜   medida. Este efecto puede ser compensado con un  procedimiento que se explica en el presente informe.  Palabras Clave — configuraci´  configuraci on atenuaci´   on, ´  cascodo, atenuaci ´   ancho de banda, frecuencia de corte en alta, frecuencua  de corte en baja.

I. A MPLIFICADOR  L INEAL DE  R F Figure 1: Esquema del circuito empleado. Se muestran los ´ n. voltajes y corrientes de polarizacio on.  A. 1. Dise˜  Disenar ˜  un amplifi amplificad cador or lin lineal eal con las siguie siguiente ntess especificaciones:

a) Una Una so sola la fuen fuente te de te tens nsi´ i´on on de alimen alimentac taci´ i´on o n tal tal que que V cc <  20 V   . b) Frecuencia de funcionamiento que se encuentre dentro de la banda

En el circu circuito ito se hiz hizo o la pol polari arizac zaci´ i´on o n de tal forma que la cor corrie riente nte de colect colector or fue fuera ra apr aproxi oximad madame amente nte 10m 10mA, A, y la corriente del lazo de las resistencias R3, R4 y R5 fuera mucho mayor que las corrientes de base de los transistores, para obtener una polarizacion o´ n estable. Se hizo la respectiva simulaci´o on n en Multisim, con el fin de obtener el gr´ graafico ´ fico del ancho de banda del circuito, el cual se muestra en la figura  figura   2:

1MHz < f <  50M H z con una tolerancia del 1 por ciento. c) Ganancia   30dB  + −2dB d) Amplitud de salida de   2.5V p, p , acoplada con una carga de de   Z L  = 1kΩ

 B. Simulaciones

El circuito escogido finalmente es el que se muestra en la figura   1,  el cual consta de una configuraci´o on n cascodo, con transistores 2N3904.

Figure 2: Simulaci´ Simulacion o´ n del ancho de banda del circuito. Eje vertical en decibeles, eje horizonal en Hertz. Como se puede ver en la figura   2,   el anc ancho ho de ban banda, da, teniendo en cuenta el criterio de los dB  es el mostrado. La  3dB ganancia ideal del circuito es de   42 dB,, la cual se calcul´o por encima de los   30dB dB,, ya que en el circuito en f ´ıısico sico la

 

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ganancia gana ncia se reduc reducee por efectos propios de los transist transistores ores y las resistencias, tales como el beta en el transisitor, a los val valores ores reales de las resistenci resistencias as en f´ıısico sico y el valor valor de de   ro de los transistores. Las fre frecue cuenci ncias as de cor corte te de   3dB   se tomaron cuando la ganancia es de   39dB. dB .   (42dB − 3dB ) La fre frecue cuenci nciaa de corte corte en baja baja   f L   en la sim simula ulaci´ ci´on o n es de   600kH z , la cual depende de los condensadores externos de acople. Se asume el ancho de banda propuesto como de 49M H z   (50M H z − 1M Hz ), en donde el 1 por ciento es 490K Hz , as´ı pues la frecuencia de corte en baja est´a dentro del l´ l´ımite ımite solicitado. La frecuencia de corte en alta   f H  esta´ H    est´ determinada por las capacitancias internas del transistor, sin embargo, esta frecuencia de corte en el montaje f´ıısico sico puede ser afectada afectada por capacitan capacitancias cias par´ parasitas a´ sitas de la protob protoboar oard. d. De todas formas, la frecuencia de corte en alta ideal es de ´ n. 90M H z  en la simulaci´ simulacio on.

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pero el efecto era el mismo. Despu´eess se confirm´o que este efecto efec to de atenu atenuaci aci´on o´ n es debido a las sondas de medici on, o´ n, cuyo comportamiento comportamiento a altas frecuenc frecuencias ias (frec (frecuenci uencias as del orden de MHz) presentan una atenuaci on o´ n de la se˜ senal n˜ al medida por la naturaleza propia de la sonda.

Figure 4: Voltaje de salida medido en el osciloscopio a 1MHz. Amplitud pico a pico de salida: 2.26V Amplitud pico a pico de entrada: 80mV

Figure 3: Forma de onda del voltaje de entrada y de salida para una frecuencia de 1MHz. Amplitud pico a pico de entrada: 28mV. Amplitud pico a pico de salida: 2.8V Como se puede ver en la figura   3, la 3,  la amplitud del voltaje de salida es cercana a   2.5V pp, pp, sin distorsiones ni recortes. C. Procedimiento Procedimiento

Se hizo el respectivo montaje del circuito de la figura 1 figura  1  en la protoboard. protoboard. Los valores valores de resistencia resistencia que no son norma normallizados se obtuvieron colocando en serie dos resistencias de tal manera que su suma resultara en el valor deseado, esto para el caso de las resistencias de  560Ω,  240Ω   y   75Ω. Los val valores ores de resis resistenci tenciaa medidos medidos fuero fueron n muy cercanos a los requeridos. Al hacer la respecti respectiva va medida en el osci oscilosco loscopio, pio, desde 1M H z   hasta   50M H z   se observ observ´o´ que que la amp ampli litu tud d de la se˜nal nal de salida se iba atenuando conforme se aumentaba la frecuencia. Al principio se pensaba que era producto de los efectos efect os par´ parasit a´ sitos os de la prot protob oboa oard rd,, por por lo cu cual al se hizo hizo el montaje del circuito en baquelita para eliminar tales efectos,

Figure 5: Voltaje de salida medido en el osciloscopio a 17MHz. Amplitud pico a pico de salida: 176mV Amplitud pico a pico de entrada: 80mV

Se hi hizo zo la me medi dida da de la gana gananc ncia ia desd desdee   1M H z   hasta M H z , midiendo en la base del transistor donde se conecta 50 la se˜nal nal de entrada, y en sobre la resistencia de  1 k Ω  de carga en la salida, obteniendo el gr´ grafico a´ fico de la figura   6.

 

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´ con  Figure 8: Gr Gr´afica a´ fica de atenuacion con   Z   = =  Z in in Figure 6: Gr´aafica fica de la medida de la ganancia Vout/Vbase en veces. Se observa el efecto atenuador de las sondas.

Del mismo mod modo, o, se tom toman an las medid medidas as tom tomand ando o   Z   = Z oout graafica ´ fica mostrada en la figura figura   9: ut , obteniendo la gr´

Conociendo el efecto atenuador de la sonda, se hace el procedimiento respectivo para compensar esta atenuaci´o on, n, y obtener indirectamente el comportamiento del amplificador en la banda desde  1 M H z  hasta 50M H z . Este procedimiento ´ n. se explica a continuacio on. En primer lugar, se debe obtener la resistencia de entrada Z in  1 . La medidas salida  Z oout ut  del circuito de la figura  1. in  y de salida Z  correspondientes fueron:

Z oout ut  = 1.7k Ω

Z in in  = 950Ω

Figure 9: Grafica de atenuaci´on on con  con   Z   =  Z out out

Conociendo de esta forma la atenuaci´ atenuacion o´ n producida por la sonda son da de entrad entradaa y la de salida salida,, es pos posibl iblee rec recons onstru truir ir la ganancia del amplificador, punto a punto, como un esquema en cascada, del amplificador, de la sonda de entrada y de la sonda de salida, como se muestra en la figura   10.

Figure 7: Esquema para caracterizar la atenuaci´on de las sondas En la figura 7 figura  7  se muestra el esquema para caracterizar las sondas. Para caracterizar la sonda a la entrada, se mide con una resistencia  resistencia   Z   =  Z iin n , y para la sonda de salida con una resistencia Z  resistencia  Z   =  Z out out . Se consignan en una tabla las medidas de  V base   y  V salida  para frecuencia frecuenciass desde desde   1M H z   hasta 50M H z . ´ Se hic hicier ieron on las respec res pecti tiva vas s med medici icione ones. s. La gr afi afica ca de atenuaci´ on obtenida para Z  para  Z   =  Z iin n  es la mostrada en la figura 8:

Figure 10: Esquema de las ganancias en cascada para reconstruir la ganancia del amplificador. Las atenuaciones de las sondas se ponen como inverso para hacer la compensaci´o on n

De esta forma, es posible obtener una grafica de la ganancia del amplificador, obtenida de sondas. manera La indirecta, en cuenta las atenuaciones de las gr´afica afica teniendo obtenida se muestra en la figura  figura   11.

 

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Figure 11: Grafica de la ganancia compensada, haciendo el producto planteado en la figura   10 Se puede apreciar que la ganancia del amplificador dentro del ancho de banda desde   1M H z   hasta   50M H z   tiende a ser consta constante nte,, con una gananc ganancia ia de apr aproxi oximad madame amente nte 34 vece veces. s. Debi Debido do a que que es un proc proced edim imie ient nto o indi indire rect cto, o, las las incertidumbres y el error de la medida reconstruida aumenta, producto produ cto de la propagaci propagaci´on o´ n de incertidumbre de las mediciones directas de las que fueron derivadas [2]. II. C ONCLUSIONES •

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  El di dise˜ se˜ no de am ampl plifi ifica cado dore ress en RF debe debe tene tenerr en cuenta cue nta el compor comportam tamien iento to a altas altas fre frecue cuenci ncias as de los componentes del circuito en s´ı (resistencias, transistor, condensadores, protoboard), como de los elementos de medici´on (so (sonda ndas) s) y de los instr instrume umento ntoss de med medida ida (gener (ge nerado adorr de se se˜nales n˜ ales y osc oscilo ilosco scopio pio), ), ya que con conoocie ciendo ndo lo anteri anterior or,, es pos posibl iblee interp interpret retar ar las med medida idass tomada tom adass y emplea emplearr un pro proced cedimi imient ento o ade adecua cuado do par paraa reconstruir el comportamiento real del circuito.   La configuraci´o on n cascodo es una configuraci´on on robusta en frec frecue uenc ncia ia,, ya que que perm permit itee un am ampl plio io an anch cho o de banda, esto debido a que la disposici´o on n de las capacitancias internas hace que la frecuencia de corte en alta f L  sea m´ mas a´ s alta[1]. R EFERENCES

[1] Sedra, Sedra,A. A. Circuit Circuitos os microelectr´ microelectr´onicos, onicos, 6a Edici´on. on. 2006. [2] Introducci´on al estudio de las mediciones. Universidad de Sonora. Me´xico. Dispon ib ib le le en linea: http://www.fisica.uson.mx/manuales/mecyfluidos/mecyflu-lab001.pdf 

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