Tema 2, Amplificadores (Telecomunicaciones)

[Escribir el título del documento] 1. AMPLIFICADOR Es un dispositivo capaz de incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada, obteniéndose la señal aumentada a la salida. Su función es, por tanto, incrementar alguna magnitud eléctrica de un circuito. Se puede utilizar para ampliar la señal eléctrica débil captada por la antena de un receptor de radio, la corriente atenuada de un circuito telefónico de larga distancia, la señal eléctrica que representa al sonido en un sistema de megafonía y para muchas otras aplicaciones. Un dispositivo de amplificación de uso muy común es el transistor. Los amplificadores son indispensables en cualquier sistema de comunicaciones, al igual que los filtros, los osciladores, los mezcladores, etc. En el caso de un transmisor cuya señal de entrada es de unos pocos miliwatts y es necesario que suministre a la antena una señal de varios Kw, es evidente que la señal tiene que amplificarse hasta conseguir el nivel de potencia de salida requerido. En un receptor al que la antena entrega una señal del orden de picowatts, debe producir una señal de salida con potencia suficiente para excitar, por ejemplo a un altavoz, también es indispensable amplificar la señal varios órdenes de magnitud. En principio, los amplificadores deben cumplir con la condición de transmisión sin distorsión y, por consecuencia, deben ser lineales en el sentido de que sólo pueden modificar la amplitud de la señal sin cambiar su forma de onda. Esto último, en general, es aplicable, si bien con matices, a los sistemas analógicos pero no necesariamente a los sistemas digitales. Los amplificadores pueden ser activos o pasivos dependiendo si utilizan o no alimentación externa para incrementar la variable física deseada. Sus características dependen estrictamente de su aplicación, algunas de la más típicas son, la ganancia, su respuesta en frecuencia su nivel de ruido, etc. 1.1.

Clasificación de los Amplificadores

Los amplificadores pueden clasificarse de varias formas: la primera, según el nivel de señal que manejen, en amplificadores de pequeña señal o en amplificadores de señal grande o gran señal. A los primeros también se les designa como amplificadores de voltaje y a los segundos, como de potencia. Evidentemente, esta designación resulta ambigua y se complementa indicando si el amplificador es lineal o no lineal. Un amplificador lineal no distorsiona la señal, al menos en teoría. Un amplificador no lineal puede o no distorsionar la señal, dependiendo de la configuración del circuito que se utilice. La distorsión en la banda de operación puede darse en amplitud, en fase o, más generalmente, en ambas. Tradicionalmente se clasifica a los amplificadores en clases, las más usuales, A, B y C. La segunda clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene determinada por las frecuencias con las que van a trabajar.

[Escribir el título del documento] Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda audible los amplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia o amplificadores de Baja frecuencia (amplificadores A.F. o amplificadores B.F., respectivamente). Los amplificadores que trabajan con la gama alta de frecuencias, las radio frecuencias, se denominan amplificadores de R.F. Dentro de las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer una clasificación atendiendo a su forma de trabajo: a) Amplificadores de tensión: son los que su principal misión es suministrar una tensión mayor en su salida que en su entrada b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayor tensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión y amplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia) Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. como para R.F.) y amplificadores de potencia (también, para ambas gamas de frecuencias). 1.2.

Clases de amplificadores de Potencia

Tal y como decíamos en el punto anterior, este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o para R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión y de corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadores pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de la misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia, podemos clasificarlos de la siguiente forma:

A. Amplificadores de clase A: un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todo el período de la señal de entrada. O sea, hay señal de salida durante todo el ciclo de la señal de entrada. B. Amplificadores de clase B: un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada. C. Amplificadores de clase AB: son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un período y más de un semiperíodo de la señal de entrada. D. Amplificadores de clase C: un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores

[Escribir el título del documento] tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.

1.3.

Aplicaciones

Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día suelen utilizarse circuitos de transistores discretos o circuitos integrados, como ya se ha mencionado más arriba.

Diagrama de un circuito amplificador de audio Los amplificadores con características de bajo nivel de ruido son esenciales para los satélites de comunicaciones. Las señales electromagnéticas de microondas (de frecuencia extremadamente alta) son amplificadas por dispositivos máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación). En lugar de amplificar corriente eléctrica el máser amplifica directamente las señales electromagnéticas.

[Escribir el título del documento] Los amplificadores suelen clasificarse por el tipo de elementos eléctricos del circuito. Los amplificadores de acoplamiento por inductancia están conectados sobre todo por bobinas y transformadores; los de acoplamiento por capacitancia mediante condensadores, y los de acoplamiento por impedancia mediante reóstatos. Los amplificadores de acoplamiento directo están conectados sin ese tipo de componentes eléctricos, y se utilizan para alternar corrientes de muy baja frecuencia, como las que se producen en muchos ordenadores analógicos. Las demás modalidades se emplean para bandas de frecuencias amplias. Los amplificadores de audiofrecuencias funcionan entre 0 y 100.000 ciclos por segundo (hercio), o 100 kilohercios (kHz). Los amplificadores de banda intermedia sirven para las frecuencias entre 400 kHz y 5 millones de Hz, y así sucesivamente. Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a frecuencias inferiores a los 20 kilohercios (1 kHz = 1.000 ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megahercios (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por el amplificador se convierte en la información visual que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión. Los amplificadores de radiofrecuencia aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones de radio o televisión. Por lo general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1 gigahercio (1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango de frecuencias de microondas. Uno de los mayores problemas para las comunicaciones móviles es la perdida de señal en ciertos entornos. En ocasiones no podemos disponer de un buen amplificador de señal 3G, o tenemos una cobertura muy deficiente dependiendo de la ubicación donde nos encontremos. Vamos a ver tres ejemplos en los que se puede solventar este problema.

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Para las personas que buscan amplificar su señal en casa. Éste producto está listo para ser utilizado de una forma muy cómoda y fácil de instalar: Basta con colocar la antena en el tejado de la casa para que esta capte la señal, enviándola al repetidor, que hace de amplificador de señal, mejorando la cobertura en las habitaciones de la casa. La señal se amplifica cuando recibes una llamada, gracias, a que está específicamente diseñado para mejorar la señal repitiendo y transmitiendo las ondas gracias a su antena, que ofrece un máximo de cobertura de hasta 1000 metros cuadrados.

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Pero también hay personas que están continuamente viajando, y necesitan tener una cobertura constante en sus comunicaciones. En ese caso nada mejor que contar con un dispositivo diseñado para potenciar la señal disponible de forma cómoda, y sin apenas instalación. Simplemente con una sencilla instalación de antena exterior en el techo del coche, y un pequeño repetidor que se coloca debajo del asiento del conductor, podremos recibir una señal limpia y amplificada. Además el repetidor se apaga de forma automática cada vez que el coche permanece parado más de 30 minutos, lo que te permite ahorrar batería, y ganar en comodidad.

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En el entorno de una empresa, concretamente para pequeñas y medianas empresas que necesitan cobertura total. En este caso el amplificador tiene cuatro puertos que potencian la señal de telefonía de la torre más cercana, repitiendo esta señal amplificada hacia cuatro áreas de nuestra elección dentro de nuestro edificio de oficinas, o nave industrial. Tanto los dispositivos Wi-Fi como Smartphones tendrán una señal mucho más potente de lo habitual en todo el perímetro de nuestro interés lo que permite una mejor comunicación entre dispositivos móviles, y una mejor amplificación de señal.

[Escribir el título del documento] 2. MEZCLADOR Los mezcladores, al igual que los amplificadores y osciladores, constituyen elementos indispensables de los sistemas de comunicaciones. Se emplean tanto en transmisores como en receptores, cuando es necesario trasladar las señales en banda base a una de banda de paso (modulación) o de una banda de paso a otra banda de paso (conversión). Un mezclador es un dispositivo no lineal, al que se aplican dos señales de entrada, de anchos de banda diferentes, y produce una señal de salida de otro ancho de banda, generalmente en dos bandas o más, una igual a la suma y otra a la diferencia de los anchos de banda de las señales de entrada. Esto es cierto a medias y válido sólo si a la salida del mezclador se utilizan filtros adecuados, ya que un mezclador produce por lo general, un número de señales de salida que se designan como espurios, que es necesario eliminar. Un concepto importante en este tema, es que no debe confundirse un mezclador con un sumador. Este último, es un dispositivo lineal que puede considerarse como un combinador de señales, bien sea en potencia o en voltaje, pero manteniendo el espectro de cada una de las señales sumadas. El mezclador es un dispositivo no lineal que traslada y modifica el espectro de las señales mezcladas, pero no las suma, las multiplica en el dominio del tiempo. Esto es algo, conceptualmente muy importante y con frecuencia suelen mezclarse o confundirse estos conceptos. El símbolo habitual del mezclador se ilustra en la figura.

Un mezclador tiene dos puertos de entrada y uno de salida. En una de las entradas se aplica, por lo general, la señal de un oscilador local y en la otra, la señal que se desea trasladar en el espectro de frecuencia y que puede ser o bien una señal en banda base o una señal modulada de radiofrecuencia. Una forma simple de interpretar el comportamiento de un mezclador es como un multiplicador, en que la señal de salida es el producto de las dos señales de entrada. Los mezcladores se emplean para trasladar señales en una banda del espectro a otra banda. Si la señal de entrada es una señal en banda base, el mezclador es, esencialmente, el modulador. Aunque los mezcladores son igualmente importantes en los transmisores y en los receptores, la terminología tradicionalmente utilizada se refiere más a los receptores, ya que fue en estos equipos en que se comenzaron a utilizar extensamente en los

[Escribir el título del documento] inicios de la radio, con la invención del receptor superheterodino. Así a la señal modulada de entrada se le designa como RF y la otra señal de entrada, de frecuencia fija, utilizada para trasladar el espectro de frecuencia de la señal de RF a otra banda, se la designa como portadora local y es generada por un oscilador local (LO o OL). La salida del mezclador se designa como frecuencia intermedia (FI). Si la FI de salida es inferior a la de RF de entrada, se dice que el mezclador realiza una conversión descendente, en caso contrario, la conversión es ascendente. El término conversor o convertidor se emplea para designar un circuito que contiene al mezclador y al oscilador local. Todos los mezcladores son multiplicadores, en el sentido de que la señal de salida que producen puede describirse matemáticamente como productos de las señales de entrada. Sin embargo, desde el punto de vista de implementación, un mezclador dado puede caracterizarse como aditivo o multiplicativo, dependiendo de la forma en que se le apliquen las señales de RF y OL. La mezcla aditiva ocurre cuando las señales de RF y OL se aplican en serie al mismo puerto de entrada. En realidad, esta mezcla aditiva pasa luego por un dispositivo no lineal, como un diodo, que produce una respuesta multiplicativa. La mezcla directamente multiplicativa ocurre cuando las señales de RF y OL se aplican a puertos separados. En la figura se ilustra un mezclador, a cuya entrada están presentes señales a las frecuencias ω1 y ω2 con amplitudes V1 y V2 respectivamente. A la salida, las frecuencias ω1 + ω2 y ω1 – ω2, centradas alrededor de la mayor de las dos y cada una de amplitud kV1V2/2, donde k es el factor de atenuación (o ganancia) del mezclador. En la figura se ilustra la función del mezclador en el dominio del tiempo. El circuito es muy similar al de un sumador, excepto por el elemento no lineal, en este caso un diodo. La señal en el punto de unión de las dos resistencias de entrada es la misma que se tiene a la salida del sumador, es decir, la suma de las dos señales. Sin embargo al pasar por el diodo, las dos señales de entrada de hecho se multiplican, de modo que la señal de salida no contiene componentes espectrales a las frecuencias de las señales de entrada. Las componentes espectrales de la señal de salida son las de suma y diferencia de las frecuencias de entrada. La señal, en el dominio del tiempo, tiene la forma mostrada en la figura de abajo.

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Estas señales, de múltiples frecuencias, son los productos de intermodulación o señales espurias y son consecuencia de que el mezclador es un dispositivo no lineal. Por lo general sólo una de las bandas laterales, o un par simétrico de ellas es deseable a la salida y es necesario eliminar las señales espurias restantes, por lo que a la salida del mezclador suele conectarse un filtro de paso de banda que sólo deja pasar la o las señales a las frecuencias deseadas y elimina las restantes. En el caso más general, las señales de entrada al mezclador son de frecuencia diferente. Usualmente una de las señales de entrada es una señal modulada, con un cierto ancho de banda y la otra, de frecuencia fija. Si el mezclador es ideal, la señal de salida estará formada por dos bandas, una a la frecuencia de suma de las dos señales de entrada y otra, a la frecuencia de diferencia. En la práctica ningún mezclador es ideal y no se ha encontrado ningún dispositivo que, utilizado como mezclador, produzca sólo espurios de segundo orden. La mayor parte de los mezcladores, si la amplitud de las señales de entrada es relativamente grande, producen espurios de órdenes elevados. Según se mencionó antes, de todas las frecuencias a la salida del mezclador, sólo las contenidas en una determinada banda de paso son las deseables. Las señales en esa banda se pueden recuperar mediante un filtro de paso de banda a la salida del mezclador que elimine todas señales fuera de esa banda. Sin embargo, puede ocurrir y con frecuencia ocurre, que algunos de los productos espurios de intermodulación caen dentro de la banda de paso deseada y no pueden eliminarse con el filtrado. La presencia de esos productos de intermodulación en la banda de paso degradará inevitablemente la señal. Cuando estos espurios dentro de la banda se deben al propio mezclador, es necesario elegir una frecuencia del oscilador local y de salida del mezclador, tales que en la medida posible todos los espurios queden fuera de la banda de paso. La señal de salida de cualquier mezclador real incluye un gran número de señales indeseables, los productos de intermodulación, que contienen señales a las frecuencias fundamentales del oscilador local y de la señal de RF y sus armónicos. Esto produce distorsión por intermodulación entre las múltiples señales, que puede comprometer el correcto funcionamiento del sistema. 2.1.

Tipos de mezcladores

Hay dos tipos de clasificaciones para los mezcladores, dependiendo de la ganancia o pérdida de conversión y dependiendo de la estructura utilizada para la implementación. El grado en que la señal de salida, desplazada en frecuencia, se amplifica o atenúa, es una propiedad importante de los mezcladores y se designa

[Escribir el título del documento] como ganancia de conversión, si la señal es amplificada o pérdida de conversión, si es atenuada en el proceso de mezcla. Clasificación según las ganancias o pérdidas de conversión 

Mezcladores pasivos: generalmente se utilizan diodos como elementos no lineales, no tienen ganancias si no que tienen perdidas de conversión (la potencia de salida es inferior a la de entrada) y tienen la relación de Factor de ruido = Pérdidas de conversión.

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Mezcladores activos: están basados en transistores los cuales requieren una polarización, tienen ganancia de conversión (la potencia de salida es superior a la de entrada), requieren un menor nivel de señal del OL y el Factor de ruido es independiente de las ganancias de conversión, lo da el fabricante.

Clasificación según la estructura utilizada en la implementación 

Mezclador simple

Este tipo de mezcladores se utilizan en diseños a muy altas frecuencias donde se requiere simplicidad en el circuito o en aplicaciones en las que sea más importante el precio que las prestaciones técnicas. Solo se utiliza un elemento no lineal como mezclador de señal y unos filtros para seleccionar la señal útil.

[Escribir el título del documento] 

Mezclador equilibrado

A diferencia de los mezcladores simples en los que utilizamos filtros para separar las frecuencias, en un mezclador equilibrado, para separar señales de entrada en RF y oscilador local y evitar o eliminar los productos de intermodulación no deseados, se utilizan dos o más mezcladores simples conectados a través de circuitos híbridos. De esta forma, las señales deseadas se suman en fase a la salida y las indeseadas en contrafase, consiguiendo eliminarlas. La principal característica de estas estructuras es que suprimen los armónicos pares de OL-RF y mejoran el aislamiento OL-RF y OL-FI sin necesidad de filtros.

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Mezclador doblemente equilibrado

Este tipo de mezclador emplea cuatro elementos no lineales combinados de tal forma que consigue eliminar los productos de mezcla correspondientes a todos los armónicos pares tanto de la señal de RF como del oscilador local. Se utilizan circuitos integrados con transistores bipolares como elementos activos, en frecuencias inferiores a unos 100MHz. Es difícil encontrar mezcladores doblemente equilibrados a frecuencias superiores a algunas decenas de gigahercios.