Download amplificador rf de linea para distribución por cable de bajo consumo

AMPLIFICADOR RF DE LINEA PARA DISTRIBUCIÓN POR CABLE DE BAJO
CONSUMO DE CORRIENTE
FRANCISCO TERRAZA LARIOS
20031116013
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE TECNÓLOGO
ELECTRÓNICO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2006
INTRODUCCIÓN
El progresivo auge de las telecomunicaciones en el transcurso de los años y la
consecuente ocupación de las bandas de frecuencias tecnológicamente más
accesibles, ha conducido a la utilización de espectros de frecuencias cada vez
más elevadas. Aparte de las condiciones específicas que cada margen de
frecuencias debe cumplir según el tipo de servicio a que se destine (radiodifusión,
radioenlaces, televisión por cable, etc.) la creciente ocupación de frecuencias más
altas no responde tan solo a la necesidad de hallar una banda aún no utilizada,
sino a la exigencia de mayores anchos de banda, debida a las técnicas de
tratamiento de señales que tienden a densificar enormemente la cantidad de la
información contenida en la señal moduladora de la portadora.
Ello ha influido sobre la tecnología de componentes activos y circuitos en dos
sentidos. El mantenimiento de anchos de banda relativos pequeños ha requerido
la utilización de frecuencias antes no pensadas y ha propiciado un gran desarrollo
de la tecnología en este campo. Asimismo se ha modificado la estructura
intrínseca de componentes activos, esencialmente transistores, de forma que sus
impedancias de entrada y de salida sean próximas a las impedancias
características de las líneas de transmisión comunes -50Ω y 75Ω- haciendo
factible la obtención de circuitos con un ancho de banda relativamente grande.
El término alta frecuencia abarca un amplio margen de frecuencias que comienza
en 1MHz y acaba en el inicio del infrarrojo. Desde 1MHz hasta 0.5 ó 1GHz se
extiende el margen denominado por razones históricas, de radiofrecuencia. En
esta banda se manifiestan, tanto más acentuadamente cuanto mayor es la
frecuencia, la necesidad de adaptación a una línea de transmisión de impedancia
característica definida, la dependencia de la tensión e intensidad en una línea de
transmisión del plano en que se realiza la medida, el efecto pelicular sobre los
conductores y la influencia de las capacitancias e inductancias parásitas, y por
tanto, la importancia de la configuración mecánica.
La pérdida de transmisión, es la reducción en el nivel de la señal conforme esta
avanza a través de los cables de la red. La atenuación presentada por el cable es
función de la frecuencia, lo que provoca que los canales de frecuencias más altas
sufran una mayor degradación que los canales de frecuencias más bajas.
Estas características del sistema, atenuación y respuesta en frecuencia, son
compensadas en la red con la inclusión de amplificadores.
La necesidad de estos repetidores de señal en las redes de televisión por cable
específicamente, es una razón de peso para preocuparse por diseñar
amplificadores eficientes, de bajo consumo y de amplio ancho de banda. Debido a
que las tecnologías análogas de transmisión en radiofrecuencia se están
reemplazando por la inclusión de las tecnologías digitales vía fibra óptica en
países desarrollados; los fabricantes de estos productos ya no elaboran equipos
con la tecnología que tenemos en Colombia actualmente que es la línea RF o
señal análoga por cable coaxial. Es motivo de preocupación para las empresas
operadoras de cable que tienen masivo consumo de estos productos. Los
elementos que llegan de esta línea son reconstruidos e importados de países que
han cambiado dicha tecnología. Este producto tiende a acabarse encareciendo
costos y generando dificultad en la adquisición de suministros para las
reparaciones, modificaciones y reconstrucciones. Como Colombia aún tiene una
gran demanda en este campo y una total dependencia de la importación de estos
elementos que no se elaboran en el país, se está viendo de cara a una escasez e
impotencia al no encontrar ni repuestos, ni suministros, ni equipos con cable
coaxial. Según mi experiencia laboral en la rama de televisión por cable y el auge
que aún tiene en las telecomunicaciones del país, es importante desarrollar un
proyecto que supla las necesidades que hay en el mercado de la línea de
amplificación de RF. Es por esta razón que he decidido fabricar amplificadores de
RF con características similares a los originales pero con el diseño de un nuevo
circuito, con unos cálculos que me garanticen un bajo consumo de corriente y que
cumplan con las especificaciones de los consumidores. Así pues, en el trabajo
presentado a continuación se tratará del diseño de un amplificador de RF de
frecuencias de 55.25MHz a 550MHz que actualmente, comprende la mayor parte
de las aplicaciones, tanto profesionales como de consumo.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1
ANTECEDENTES
Los fabricantes de amplificadores para televisión por cable actualmente,
desarrollan módulos de amplificación a nivel semiconductor. Philips, Motorola,
Fairchild, entre otros, trabajan en el área de radiofrecuencia pero ofrecen muy
pocos productos y están encapsulados, así que no se puede acceder a sus
diseños internos. Una mejor opción es acudir a dichos fabricantes pero para
importar transistores de radiofrecuencia cuyas características llegan a ser
impresionantes. Se consiguen transistores hasta de 25Ghz en ancho de banda y
otros que soportando frecuencias más bajas se diseñaron para corrientes hasta de
4 amperios.
La ventaja de adquirir transistores en lugar de módulos, es la libertad de diseño
sobre el amplificador, donde se puede controlar potencia, consumo en corriente,
ancho de banda y ganancia.
De los transistores que se consiguen en el mercado de radiofrecuencia actual, el
que más se adecua al proyecto es aquel que ofrezca la mayor ganancia en
corriente (hfe) a un ancho de banda alto, como 600MHz, por ejemplo.
Todos los fabricantes actuales, compiten por conseguir transistores y módulos de
amplificación específicos para distribución de televisión por cable cada vez más
eficientes, lo que se puede constatar en sus hojas de datos que ofrecen productos
intencionalmente adecuados a dicha aplicación.
En todo caso, al realizar la búsqueda del mejor transistor, pude notar que la
industria de radiofrecuencia actual es muy escasa; y que aunque los pocos
dispositivos que se consiguen en el área posen especificaciones muy adecuadas a
la aplicación, son difíciles de conseguir y están empezando a relegarse como se
había mencionado ya, por otras tecnologías incipientes más sofisticadas.
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Este proyecto pretende plantear una propuesta de diseño e implementar el
prototipo de un amplificador de línea, que satisfaga las necesidades actuales de
consumo de un abonado de televisión por cable. He escogido justamente esta
aplicación, porque tengo experiencia en el área, ya que trabajo actualmente con
amplificadores de radio frecuencia y puedo acercarme a las deficiencias que se
tienen por malos diseños y a las necesidades de protección y control que
presentan sobre la marcha.
En la actualidad, los amplificadores de distribución de televisión por cable son
ofrecidos por varios fabricantes a nivel mundial. Sin embargo, tienen una
característica en común y es que demandan un alto consumo en corriente y por
tanto en potencia. Mi enfoque principal es el de garantizar eficiencia y calidad con
un menor consumo de corriente comparado con los amplificadores ofrecidos en el
mercado y un ancho de banda amplio que permita aplicaciones en redes de
televisión por cable.
Es importante tener en cuenta que el amplificador diseñado e implementado sea
compatible con todos los sistemas actuales de servicio existentes, en todos sus
accesorios.
Los amplificadores que los proveedores actuales ofrecen, utilizan unos módulos
de potencia que consumen de 700 a 800mA aproximadamente y son
amplificadores que permiten su reparación, pero no acceden a un cambio en su
diseño si se quiere optimizar el consumo de potencia que exigen. Fabricar un
amplificador de diseño propio, proporciona absoluto control sobre la cantidad de
consumo y la inclusión de las técnicas que requiera para sostener calidad a menor
costo.
1.3 JUSTIFICACIÓN
Dada la demanda que hay en el medio de la televisión por cable en Colombia y
debido a que en la actualidad todos estos productos son de segunda mano e
importados de países que están cambiando su tecnología y por esta razón,
venden los productos que ya no utilizan a países que hasta ahora están
implementando el servicio de televisión por cable; los costos de un amplificador
nuevo son elevados y su fabricación es limitada. Esto reduce la facilidad de
adquisición de repuestos y suministros de todo lo relacionado con el ramo. En el
mercado colombiano de repuestos electrónicos no se consiguen semiconductores
para la fabricación de un amplificador de estas características, lo que
inmediatamente obliga a la importación de estos elementos.
La fabricación de un amplificador no es fácil pero tampoco imposible y sé que
puedo aportar algo a la solución. Se buscará diseñar un circuito que funcione con
menor corriente en redes y consumo bajo de los circuitos internos, con un ancho
de banda amplio que permita aplicaciones en la televisión por cable, sin perder
ninguna característica de la de un amplificador de RF que tiene las mismas
especificaciones.
Se investigará de esta manera, una eficiencia máxima y mínima, tolerancia a
variaciones de corriente y
tensión que frecuentemente causan fallas en
amplificadores de mayor consumo; esto con el fin de mejorar los sistemas de
protección existentes, con sistemas de protección diseñados especialmente para
redes de mucha variación externa como: La lluvia, la humedad, temperaturas altas y
bajas.
Para lograr un bajo consumo de corriente en redes es necesario un cambio de
tecnología que brinde parámetros adecuados referentes al circuito diseñado.
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un amplificador de RF tipo línea cuyo desempeño implique
menores niveles de consumo de corriente y sus características técnicas se
acoplen a las requeridas por una red de distribución de televisión por cable.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Plantear un diseño de un amplificador de RF con transistores BJT de alta
frecuencia o módulos de RF, que satisfaga las necesidades de ganancia y
eficiencia con un menor consumo de corriente.
Optimizar recursos y componentes electrónicos en el diseño del Amplificador de
RF tipo línea.
Analizar las variables y factores que inciden en la operación del amplificador de
RF tipo línea.
Realizar pruebas diversas. Temperatura y condiciones que permitan establecer los
intervalos de trabajo del amplificador RF tipo línea.
1.5
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.5.1 ALCANCES
El proyecto busca suplir las necesidades que hay en el sector de la televisión por
cable y mi compromiso es fabricar amplificadores de RF que tengan las mismas
características de los sistemas actuales que sean compatibles en conexión,
accesorios, frecuencia y ganancia con la ventaja de que el tipo de amplificador que
propongo tiene un bajo consumo de corriente.
Se busca implementar nuevas tecnologías y dar paso a la manufacturación de
aparatos electrónicos en el campo de amplificación de RF tipo línea y crear una
nueva empresa que supla la falta de amplificadores nacionales y reemplace los
escasos equipos usados que se importan de otros países y con los que se trabaja
actualmente.
1.5.2 LIMITACIONES
Los obstáculos inmediatos que se presentarían serían la consecución de
suministros para la fabricación de este aparato.
Los costos elevados de suministros y la falta de patrocinio inmediato.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO CONCEPTUAL
Un sistema amplificador consta habitualmente de varias etapas en cascada. Los
de entrada e intermedias suelen manejar pequeñas señales, y su misión es
amplificar la pequeña excitación de entrada con valor suficientemente grande para
excitar la etapa final o etapa de salida. Esta etapa final suele atacar un
transductor, un altavoz, servomotor, etc. Y por lo tanto debe ser capaz de entregar
una tensión o corriente variable grande, o una cantidad apreciable de potencia.
Esta etapa final es la que conocemos con el nombre de amplificador de potencia.
Cuyo objetivo primario y fundamental es el de entregar el máximo de potencia a la
carga a la que está acoplado; todo ello con mínimo de distorsión y con un
rendimiento máximo.
Dado que los valores instantáneos de las tensiones y las corrientes que se
presentan en un amplificador de potencia alcanzan valores elevados, puede
ocurrir que dichos valores se sitúen dentro de las zonas próximas a las
especificadas como de disipación de potencia máxima; en consecuencia habrá
que prestar especial atención en lo que respecta a los fenómenos de ruptura y a
los aspectos térmicos de los semiconductores utilizados.
Efectos térmicos
Siempre que un hibrido conduce una corriente experimenta unas pérdidas que se
transforman en calor y elevan su temperatura. Este calor rápidamente debe ser
disipado a fin de evitar que la temperatura interna llegue al máximo límite
permitido, mas allá del cual tiene lugar inevitablemente la fusión de la unión y la
consiguiente destrucción del semiconductor.
En los híbridos de potencia, solo el cuerpo metálico del transistor no basta para
disipar todo el calor generado y es necesario aplicar externamente algo que ayude
a evacuar este calor y facilite la disipación, es decir, hay que aplicar una aleta de
refrigeración de la dimensión adecuada a la potencia a disipar. A esta aleta la
llamamos radiador de calor ó refrigerador, del cual hallaremos la dimensión y
superficie necesarias según la potencia que debe disipar el elemento
semiconductor.
Existen tres métodos de transferencia de calor: Conducción, convección y
radiación. Estos aparecen del modo siguiente en los híbridos de potencia.
Inicialmente, tenemos el híbrido aplicado al radiador y este en contacto con el aire.
Tanto el híbrido como el radiador se encuentran a la misma temperatura del
ambiente externo, es decir, el aire; por consiguiente, no existe intercambio alguno
de calor.
Durante su funcionamiento, el híbrido disipa potencia y esto hace aumentar su
temperatura respecto de la temperatura ambiente; por tanto, es obvio que
tendremos un intercambio de calor por conducción desde la propia unión al
contenedor y de este al radiador, intercambio de calor que será más elevado
cuando mayor sea la diferencia de temperaturas entre los cuerpos en contacto. De
este modo también la temperatura del radiador, sufrirá un aumento respecto a la
temperatura del aire exterior y en consecuencia aparece un intercambio de calor
entre disipador y aire, que tendrá lugar fundamentalmente por convección y que
será tanto mas elevado cuando mayor sea la temperatura y cuando mayor sea la
superficie del disipador en contacto con el aire. La transferencia de calor por
radiación no se tiene en cuenta puesto que a las temperaturas que se trabaja este
es despreciable.
Radio Frecuencia
Los amplificadores de radiofrecuencia amplifican señales cuya frecuencia está
comprendida entre los 20 KHz y varios cientos de MHz. También llamados
amplificadores sintonizadores ya que no amplifican toda la gama de frecuencias a
la vez sino solo la parte ocupada por la señal de radio sintonizada. Incrementan la
tensión o potencia de las señales de RF a la frecuencia portadora. Son típicos en
los sistemas de radio difusión y son capaces de manejas hasta KW. Son de banda
ancha cuando presentan una respuesta razonablemente plana a una amplia
banda de frecuencias.
Datos de manufactura
Para escoger un circuito en una aplicación en particular, depende del número de
variables, incluyendo frecuencia, voltajes, señal y niveles de ruido y el tipo de
control de ganancia requerida. Los semiconductores manufacturados son la mejor
fuente de información y recomendarán muchos circuitos para cualquier aplicación
dada.
Una vez el dispositivo es seleccionado, la hoja de datos contiene los parámetros
de admitancia (Y) seleccionados. De nuevo, los productos manufacturados
tendrán que realizar más que una ardua labor y recomendarán un punto de
operación y proveerán las curvas correspondientes de la variación del parámetro
(Y) con la frecuencia. Ocasionalmente, las condiciones pueden ser cambiadas
para los valores recomendados si se busca operación de bajo ruido, o tal vez
señales de altos niveles.
Se debe recordar que las hojas de datos proveen solo parámetros típicos, luego
un modulo puede ser mejor o peor que otro.
En todos los amplificadores de alta frecuencia, por razones fundamentalmente de
tamaño, se utilizan principalmente técnicas de radiofrecuencia con circuitos de
elementos concentrados. A partir de frecuencias del orden de los 300 MHz, las
desviaciones entre lo calculado y lo realmente medido aumentan de forma
acentuada, requiriendo el diseño una fase experimental de ajuste larga y compleja.
Este inconveniente se aminora:
1) Utilizando una adecuada configuración mecánica en que las reactancias
parásitas, motivo fundamental de las desviaciones, puedan caracterizarse e
introducirse en el cálculo del circuito.
2) Miniaturizando los elementos circuitales concentrados, como se realiza en
los amplificadores de onda híbridos.
Actualmente, debido a la existencia en el mercado mundial de tres marcas que
ofrecen analizadores de redes muy simplificados y de fácil manejo en el
margen de frecuencias entre 10 MHz y 1 GHz, se utiliza por sus ventajas la
caracterización de los transistores con los parámetros <<S>> o de
dispersión. A partir de la medición de estos parámetros, se obtienen todas
las características ligadas a la transferencia de potencia que nos pueden
interesar del transistor:
-
Ganancia máxima
Impedancias óptimas de generador y de carga para obtener máxima
ganancia
Estabilidad del dispositivo.
Los parámetros fundamentales que caracterizan el comportamiento de un
amplificador de alta frecuencia son:
-
-
Ganancia G
Coeficientes de reflexión de entrada y salida, ‫م‬i y ‫م‬0
Factor de ruido, F
Potencia máxima de salida para un grado de distorsión determinado Pmax
Estabilidad, K; si K>1, el amplificador nunca oscilará cualesquiera que sean
las impedancias de generador y de carga.
Normalmente, en el proceso de diseño no existe una optimización absoluta de
cada uno de estos parámetros, ya que siempre se obtiene el mejoramiento de uno
de ellos en detrimento de otros. Por tanto, deben fijarse unos pesos y niveles de
importancia para cada uno de los parámetros que intervienen en el diseño, o
elegirse unos valores de referencia o de acotamiento que se escoge según la
aplicación del amplificador y que permiten establecer una optimizacióncompromiso.
Definiciones y descripciones detalladas
Una vez citadas algunas generalidades sobre los amplificadores de radio
frecuencia, es necesario definir y describir detalladamente algunos parámetros de
los amplificadores, mencionados anteriormente:
Parámetros de los híbridos son modulo o dispositivos de 5 terminales. En uso, uno
de los terminales es común a los otros que serán la entrada y la salida del circuito.
Esto conduce a las configuraciones familiares a un transistor como base común
(CB), emisor común (CE), y colector común (CC). El terminal común también es
frecuentemente conectado a tierra.
Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.
No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, por que ésta no lleva
ninguna información. En un amplificador de transistores o de modulo están
involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua). La alterna es la señal
a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del
amplificador.
Los parámetros de los transistores dependen de cual de las señales o de voltaje o
de corriente son consideradas variables independientes y cuales son consideradas
variables dependientes.
Parámetros de impedancia de circuito abierto (Z)
Si las corrientes son las variables independientes, y los voltajes las dependientes
entonces los parámetros (Z) están dados por:
V1  zi



zf
V2 

 
zr 
I1 



z0 
I2 


Los parámetros (Z) son constantes para un transistor particular y son
determinados en su punto de operación con una cierta señal de frecuencia. Estos
son independientes de las amplitudes de la señal proporcionando amplitudes lo
suficientemente pequeñas como para asegurar una operación lineal. Esta
constancia permite medidas que se hacen cuando una o más corrientes
independientes son iguales a 0.
El valor de zi puede ser hallado abriendo la salida del circuito y haciendo la señal
de corriente I2=0, y entonces determinando la corriente I 1 producida por una señal
de voltaje V1. Entonces zi=V1/I1, y es llamado impedancia de entrada de circuito
abierto.
Si el voltaje V2 producido a los terminales de salida abiertos por la señal de
corriente I1 es determinado, entonces zf=V2 / I1 , y es llamada la impedancia de
transferencia de circuito abierto y se dirige hacia el frente.
De forma similar, el valor de zr puede ser hallado abriendo el circuito a la entrada
y haciendo la señal de corriente I1 =0 y determinando el voltaje V1 producido en los
terminales abiertos de la entrada por una señal de corriente I2. Entonces zr=V1 /I2, y
es llamado la impedancia de transferencia de circuito abierto y se dirige hacia
atrás.
Si el voltaje V2 producido en los terminales de salida por la corriente I2 es
determinado, entonces z0=V2 /I2 , y es llamado la impedancia de salida de circuito
abierto
Parámetros de admitancia de corto circuito (Y)
Si los voltajes son variables independientes, y las corrientes son variables
dependientes entonces los parámetros (Y) están dados por:
I1  y i



I2 
yf

 
yr 
V1 



y0 
V2 


Los parámetros de admitancia pueden ser números reales o complejos
dependiendo del tipo de transistor y la señal de frecuencia:
I
yi  1
V1 V
2
I
yr  1
V2
I
yf  2
V1
I
y0  2
V2
= impedancia de entrada de corto circuito
0
= admitancia de transferencia de corto circuito hacia atrás.
V1 0
= admitancia de transferencia de corto circuito hacia delante.
V2 0
= admitancia de salida de corto circuito.
V1 0
Las variaciones de los parámetros (Y) en relación con la frecuencia, son
especificadas por los fabricantes del transistor. Y son los más usados en el diseño
de los amplificadores.
Ganancia
La ganancia en un amplificador se define como la relación entre la magnitud de
voltaje, corriente o potencia de la salida con respecto a la magnitud
correspondiente a la entrada. Indica cuánto el amplificador es capaz de recibir una
señal variable con un voltaje, corriente o potencia características de pequeña
magnitud y entregar una señal que varié en forma similar con un voltaje, corriente
o potencia mucho mayor. Esta relación se da en dB.
Cálculos de estabilidad y ganancia máxima
Un hibrido de radiofrecuencia puede ser completamente caracterizado por sus
parámetros de admitancia. Dos de las consideraciones más importantes para
escoger un modulo y usarle en un diseño de amplificador son su estabilidad y su
máxima ganancia disponible (MAG). La estabilidad, es una medida de la tendencia
del modulo a oscilar. MAG es un tipo de mérito para el transistor, el cual indica la
máxima ganancia en potencia teórica. Usted puede esperar obtener esta máxima
ganancia del dispositivo cuando este está completamente acoplado a su fuente e
impedancia de carga.
Es posible predecir el grado de estabilidad de un hibrido antes de que se ubique el
dispositivo en el circuito. Esto se hace a través del cálculo del factor de estabilidad
de Stern (K):
2
g Gs 
g 0 GL 
K i
yr y f Re
yr y f 
Donde:




gi es la conductancia de entrada
g0 es la coductancia de salida
Gs es la conductancia de la fuente
Gl es la conductancia de la carga
Si K>1 el circuito será estable para el valor de fuente y de impedancia de carga.
Si K<1 el circuito es potencialmente inestable y posiblemente oscilará alguna
frecuencia.
El factor K es un cálculo definitivo para predecir la estabilidad de un circuito en
particular
La MAG de un transistor puede ser hallada por la siguiente ecuación:
Yf
2
MAG 
4 gi g0
La MAG da una buena indicación de si el transistor puede o no proveer suficiente
ganancia para la tarea que se le encomienda.
Figura de ruido
Indica cuanto nivel de ruido introduce el amplificador a la señal de entrada durante
el proceso de amplificación. A mayor ruido, peor calidad de imagen (en TV).
Sabiendo la figura de ruido, podemos calcular la relación S/N y según esta, saber
si la calidad de la imagen es perfecta.
La relación señal/ruido se calcula restando a la señal de entrada al amplificador la
figura de ruido del mismo y el ruido generado por la antena, que se considera de
2dBmV
2.2 MARCO LEGAL
El trabajo desarrollado debe tener en cuenta los estándares y normas dictados por
la comisión electrotécnica internacional (IEC). La IEC, es la entidad internacional
que prepara y publica los estándares internacionales para todas las tecnologías
eléctricas, electrónicas y sus afines. Las áreas que regula incluyen electrónica,
magnetismo
y
electromagnetismo,
electroacústica,
multimedia,
telecomunicaciones, producción y distribución de energía. También involucra en
sus estándares, disciplinas generales como terminología y símbolos,
compatibilidad electromagnética, medida y comportamiento, dependencia, diseño
y desarrollo, seguridad y protección del medio ambiente.
La serie de estándares de la IEC que compete al proyecto es:
IEC 60728 Cable networks for television signals, sound signals and interactive
services. En español, Redes de cable para señales de televisión, señales de
sonido y servicios interactivos.
Sin embargo, esta norma es muy amplia y aunque en su totalidad puede ser
aplicada al proyecto, es importante dar prioridad a la parte 3 de la norma, que trata
directamente de amplificadores de distribución de televisión por cable:
IEC 60728-3 Active wideband equipment for coaxial cable networks. En español,
Equipo de ancho de banda activo para redes por cable coaxial.
En esta parte de las serie IEC 60728, se regulan los métodos de medida, los
requerimientos en cuanto a comportamiento y publicación de datos para equipos
activos de distribución, de ancho de banda coaxial, de redes de televisión por
cable y señales de sonido.
Dicho estándar aplica a todos los amplificadores usados en redes por cable y
cubre el rango de frecuencia de 5MHz a 3000MHz. Aplica a equipos tanto
unidireccionales como bidireccionales.
La información de la temática tratada en la parte 3 de los estándares 60728, se
enuncia en el anexo 1, por su extensión.
2.3 MARCO TEÓRICO
Un amplificador de RF, es un circuito que recibe una señal eléctrica y entrega una
señal en su salida de mayor ganancia con respecto a la de su entrada.
Consta de varias etapas en cascada:
Las entradas
amplificadores.
e intermedias
que manejan pequeñas señales o Pre-
La etapa final o salida cuyo objetivo es entregar la máxima potencia a la carga
acoplada con su tensión y corriente en su proceso de amplificación.
CLASES DE AMPLIFICADORES
La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene
determinada por las frecuencias con que van a trabajar. Si están comprendidas
dentro de las bandas audibles reciben el nombre de Audiofrecuencia o de baja
frecuencia. A F, B F
Y respectivamente en la gama alta de frecuencia se llaman radio frecuencia RF
que se utilizan en las transmisiones de alta frecuencia que abarca de 55.25 MHZ
inicial hasta cientos de MHZ.
Dentro de las dos gamas de amplificadores vista, también podemos hacer una
clasificación atendiendo a su forma de trabajo.
a- Amplificadores de tensiones: Son los que su principal misión es suministrar
una tensión mayor en su salida que en su entrada.
b- Amplificadores de potencia: Aquellos que a parte de suministrar una mayor
tensión suministran también una mayor corriente.
Podemos según esto tener amplificadores de tensión tanto para la banda baja
como para la banda de RF y amplificadores de potencia para ambas bandas.
Este tipo de amplificadores puede entregar en su totalidad toda la señal de
entrada o una parte de la misma.
Amplificadores clase A: Cuando las tensiones de polarización y la amplitud
máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hace que la corriente de
salida circule durante todo el período de la señal de entrada.
Amplificadores clase B: Cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima
de la señal de entada posea valores tales que hacen que la corriente de salida
circule dentro de un semi periodo de la señal de entrada.
Amplificadores clase A B: Esta es la mezcla de los dos anteriores. Dando como
resultado mayor corriente y mayor tensión.
CARACTERÍSTICAS O FACTORES:
_ Efecto Miller: Se presenta cuando su situación de impedancia realimenta dos
puntos entre los cuales alimenta una influencia de impedancia mayor lógica y se
observa en su entrada por una atenuación menor a 75 ohms.
_ Saturación: Esta se presenta cuando los niveles de señal de entrada son
mayores a las tolerancias mínimas requeridas dando como resultado proporciones
mayores en su señal de salida. Produciendo mala calidad en el funcionamiento del
amplificador.
_ Ecualización: Es importante su característica principal es por que le da un rango
a cada banda o frecuencia que circula en el amplificador para evitar que se
sobrepongan las frecuencias dadas o adjudicadas a cada canal de información
que entran en un proceso de amplificación.
_ Atenuación: Son unos circuitos formados por resistencia de un punto común a
una entrada y a una salida que limita las ganancias mayores de una entrada
dando como resultado propósitos requeridos cuando existe saturación reflejando
una menor ganancia en su salida.
_ Circuito de Retorno: Este circuito es complementario para uso de valores
agregados que tienen la función de retornar señales al punto de inicio manejando
una frecuencia de 5 MHZ a 44 MHZ.
3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
CAMPO TEMÁTICO
El campo temático al que pertenece este proyecto es el nodo de electrónica en el
campo de investigación de comunicaciones. Debido a que la aplicación
específica del equipo electrónico diseñado y construido es la amplificación de
señal de televisión que se transmite a través de cable coaxial y se envía de
acuerdo a la necesidad, capacidad y forma que los usuarios finales requieren.
También debido a que el proyecto trata de la construcción física del equipo a nivel
de manufactura electrónica.
SUB-LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
La sub-línea de investigación que le corresponde a este proyecto es la de
Sistemas de Información y Comunicación, por su enfoque a los sistemas
alámbricos de comunicación, en este caso la distribución de televisión por cable y
porque el resultado esperado del proyecto converge con el de la sub-línea
mencionada en cuanto al diseño, construcción e implementación de un elemento
de comunicación.
LÍNEA INSTITUCIONAL DE INVESTIGACIÓN
La línea a la que se suscribe el proyecto es la línea de Tecnologías actuales y
sociedad, debido a que plantea un nuevo prototipo en el área tecnológica, para la
disminución del consumo de energía en la amplificación de línea de televisión por
cable, que es un servicio público domiciliario dirigido a la comunidad actual.
Los resultados esperados son compatibles con los fijados por la línea de
investigación a la que se suscribe: propone una solución viable en el campo
tecnológico que aporta a la comunidad en la medida en que da un ejemplo de la
posibilidad de manufactura de estos equipos en Colombia, independizando la
industria de amplificación para televisión por cable de la fabricación extranjera.
Aporta así en nuevas maneras de construcción de equipos a menores costos,
compitiendo con las propuestas actuales del mercado correspondiente.
4. DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 INTRODUCCIÓN
Los amplificadores de RF como su nombre lo indica se utilizan para amplificar
señales en la banda de radiofrecuencia, es decir entre 10Mhz y 100Ghz. En estas
gamas de frecuencia efectos como las capacitancias entre los electrodos de los
componentes, la inductancia de los alambres de conexión y las cortas longitudes
de onda imperantes, normalmente ignorados en bajas frecuencias, se tornan
importantes y comienzan a dominar el comportamiento de los circuitos.
Como resultado actualmente se dispone de una gran variedad de técnicas de
diseño para los diferentes tipos y métodos de construcción posibles de
amplificadores de RF, incluyendo amplificadores de bajo ruido, de separación, de
potencia, de ganancia variable, integrados, discretos, híbridos, etc.
A continuación se examinarán algunos aspectos generales relacionados con los
amplificadores de RF incluyendo el análisis de los modelos o circuitos
equivalentes de señal diferencial para banda ancha y de multietapa,
la
presentación de algunas alternativas para la solución al problema a la respuesta
en frecuencia de este tipo de circuitos.
Actualmente la mayor parte de diseños de amplificadores de RF se realizan a nivel
de circuitos integrados o a través de circuito impreso utilizando un chip de RF
comercialmente disponible, como ejemplo de chips de RF es posible citar el RFIC
que incluye el circuito de radiofrecuencia central, los circuitos de polarización y
compensación de temperatura y la fuente de voltaje donde el diseñador
solamente agrega las redes de entrada y salida.
Un parámetro de desempeño clave para la mayoría de los amplificadores de RF
es la figura de ruido ya que al utilizar la etapa de entrada de un receptor de RF la
figura de ruido determina la sensibilidad del receptor completo. La minimización de
la sensibilidad, a su vez se traduce directamente en la reducción de la potencia de
transmisión requerida, la extensión de longitud del enlace o simplemente un
desempeño más robusto del diseño. Es importante que en un amplificador de RF
de bajo ruido se encuentre una disposición de acoplamiento de entrada que
suministre una figura de ruido a lo más mínimo deseable con una perdida de
retorno de entrada aceptable típicamente mejor de 10 dB
4.2 PROPUESTA
Este proyecto pretende plantear un diseño de un circuito electrónico de un
amplificador RF que satisfaga las necesidades actuales de consumo y abonados
de televisión por cable, como son:
- En la actualidad todo este producto es de segunda y es importado de
países que están cambiando su tecnología.
- Los costos de un amplificador nuevo son elevados y su fabricación es
limitada, esto reduce la adquisición de repuestos y suministros para su
reparación.
- Los fabricantes de estos productos ya no los producen con la tecnología
que tenemos en Colombia actualmente que es la línea RF o señal análoga
por cable coaxial. Están fabricando solo elementos de tecnología de punta,
todo lo relacionado con fibra óptica, elementos pasivo inteligentes y con
televisión digital.
- Es motivo de preocupación para las empresas operadoras de cable
Colombianas que tienen masivo consumo de estos productos. Aun pasara
un buen tiempo para que finalmente llegue a nuestro país la tecnología de
punta como suele suceder en los países en vía de desarrollo.
- Este producto tiende a consumirse en su totalidad encareciendo costos,
dificultando su adquisición.
Es por esta razón que este proyecto intentará suplir estas necesidades fabricando
un circuito electrónico de un amplificador RF con características similares a los
originales pero con modificaciones de un nuevo circuito, cálculos que garanticen
un bajo consumo de corriente y que cumpla con las especificaciones de los
consumidores:
a- El rango de frecuencia en el que operan sea de 55 MHZ mínimo hasta 600
MHZ.
b- Que tenga una ganancia en db en operación de trabajo de 30 db.
c- Sus perdidas por inserción no pasen de 1 db.
d- Su fuente de alimentación en red sea de 60V AC y en circuitos terminales
convertidos a 110V AC.
Se investigará de esta manera una eficiencia máxima y mínima, tolerancia a las
variaciones de corriente, tensión que frecuentemente causan fallas en
amplificadores de mayor consumo. Esto con el fin de mejorar los sistemas de
protección existentes; diseñados específicamente para redes de mucha variación
externa como: La lluvia, la humedad, temperaturas altas y bajas.
Este diseño cuenta con los siguientes parámetros de polarización
-
voltaje de salida 24V DC
Corriente DC salida 600mA
-
eficiencia típica 80%
voltaje de entrada 60V AC
Frecuencia de entrada 60 HZ
Los siguientes elementos en conjunto forman el amplificador
- Transistor MPSH10 de MOTOROLA.
- Condensadores de acople de señal valor aproximado 67pf
- Bobinas 3.2 H
- Filtros de baja impedancia y de alta para eliminar frecuencias parásitas
- Reóstatos para controlar ganancia y pendiente de 5k logarítmicos
- Fusible de protección y de paso de 10 A m térmicos
- Fusible de entrada de fuente tipo americano de 1Am
- Resistencias de 1.2k ,4.7k ,2.2k ,1k , 47k , 100k , 100 , 39k ,
- Plug de entrada y de salida tipo macho
- Circuitos impresos en baquelita: Uno para la tarjeta principal , otro para la
fuente donde se ubiquen separadas para evitar interferencia en altas
frecuencias
- Protectores o chispero varistor 80v de 2ns
- Una caja de aluminio que tiene las siguientes dimensiones. 230x 165x82
mm. Esto debe tener una tapa fácil de quitar y completamente hermética
sujetada con tornillos y visagras, especial para la intemperie, cámara
subterránea.
Esta caja tiene dos propósitos la protección del circuito y la disipación del
calor
producida por las etapas de potencia evitando daños en el circuito.
- Ecualizador de pendiente.
- Atenuador de entrada con respecto a la salida.
- Retorno lo inverso al amplificador.
- Punto de test, punto de prueba de señal, entrada y salida.
Se espera que el circuito funcione y cumpla con las expectativas de suplir una
necesidad del campo de la televisión por cable en donde aún no es posible
acceder a la tecnología más avanzada debido a los costos.
4.3 DISEÑO
Para diseñar un amplificador de RF es necesario trabajar con un manual de
consulta para poder seleccionar un transistor adecuado, que además de ser
asequible debe tener completa la hoja de especificaciones dada por el fabricante,
por tal motivo se eligió el MPSH10. Dado que este cumple con los requerimientos
descritos porque trabaja hasta 1GHz en frecuencia y tiene un hfe de 60 que
garantizará alta ganancia y tiene disponibles los 4 parámetros de admitancia del
cuadripolo en cc, así que responderá en operación lineal del dispositivo y además
tiene la información necesaria sobre corrientes, voltajes máximos y temperaturas
de trabajo para hacer un diseño óptimo.
Tomando valores de polarización en el punto Q de VCE = 10V e IC= 5mA y a una
frecuencia de 600MHz que se pide en el diseño se obtuvieron los siguientes
parámetros Y del transistor, como se puede ver en las gráficas:
Yie=20-j52
mmhos
Yre= 0.1+j2.8 mmhos
Yfe=19+j56 mmhos
Yoe=0.7+j5.2 mmhos
Figura 1. Parámetros Y vs. Frecuencia (Tomado de la hoja de datos del
transistor MPSH10)
Ahora se procede a calcular la estabilidad, obteniendo así el factor de línea
usando la siguiente definición del factor de estabilidad de Linvill:
| YfYr |
C
2 gigo Re(YfYr)
| (19 j 56)(0.1 j 2.8) |
C
2(20)(0.7 ) Re[(19 j 56)(0.1 j 2.8)]
| (1.9 j53.2 j 5.6 156.8 |
C
28 Re[1.9 j 53.2 j5.6 156.8]
| 154.9 j 58.8 |
C
28 Re[ 154.9 j 58.8]
165.685
C
28 (154.9)
C 0.906
Como el Factor de estabilidad es menor que 1 se concluye que el transistor es
incondicionalmente estable en el punto de trabajo y la frecuencia escogida. Es
decir, en la frecuencia de 600MHz y el punto de trabajo Q con VCE= 10V e I C= 5mA
el transistor no oscilará.
A continuación, se calcula la máxima ganancia disponible que tiene el transistor en
las condiciones especificadas:
2
Yf
MAG 
4 gigo
(19 j56)
MAG 
4(20)(0.7)
2
3497
MAG 
56
MAG 62.446  MAG 17.955dB
A partir de esta ganancia se puede deducir que para el diseño del amplificador es
necesario utilizar dos etapas iguales en cascada, para una ganancia total de
35.9dB.
Luego, se deben calcular las admitancias de fuente y de carga para acoplamiento
conjugado simultáneo:
Componente real de la admitancia de fuente:
Gs 
Gs 
Gs 
[2 gigo Re(YfYr)]2 YfYr
2
2go
[ 2(20)(0.7) Re[(19 j 56)(0.1 j 2.8)]]2 (19 j 56)(0.1 j 2.8)
2(0.7)
[ 28 Re[154.9 j 58.8]]2 154.9 j 58.8
2
1.4
Gs 
[ 28 ( 154.9)]2 27451.45
1.4
Gs 
33452.41 27451.45
1.4
77.466
Gs 
1.4
Gs 55.33mmhos
Componente imaginaria de la admitancia de fuente:
2
Im(YfYr)
Bs jbi 
2go
Im[(19 j 56)(0.1 j 2.8)]
Bs  j52 
2(0.7)
Im[154.9 j 58.8]
Bs  j52 
1.4
j 58.8
1.4
Bs  j52 
Bs  j94 mmhos
Componente real de la admitancia de carga:
G go
GL  S
gi
55.33(0.7 )
GL 
20
GL 1.937mmhos
Componente imaginaria de la admitancia de carga:
Im(YfYr)
BL jbo 
2gi
j 58.8
BL j 5.2 
2(20)
BL j 3.73mmhos
De esta manera, la admitancia de fuente que el transistor debe “VER” para
máxima de transferencia de potencia es Ys=55.33+j94mmhos. En consecuencia la
admitancia de entrada del transistor debe ser: Ys=55.33-j94mmhos, es decir el
complejo conjugado.
Y la admitancia de carga que ve el transistor es: YL=1.936-j3.73mmhos, es decir,
la admitancia de salida del transistor es su complejo conjugado respectivamente,
así: YL =1.936+j3.73mmhos.
Lo anterior se ilustra en la siguiente figura:
Figura 2. Admitancias de fuente y de carga para máxima transferencia de
potencia.
4.3.1 RED DE ACOPLE
Como la carta de Smith se trabaja con valores normalizados, se va a utilizar N=10,
para acoplar la admitancia de fuente:
Ys=55.33+j94mmhos
Ys=10(55.33+j94)mmhos
Ys=0.5533+j0.94mhos
Esta admitancia normalizada es mostrada en la carta de Smith en el anexo 2. El
circuito de acople de entrada debe transformar la impedancia de fuente de 50 
en la impedancia representada por Ys.
Escogiendo una red de dos elementos por simplicidad y conveniencia, se tiene:
ARCO AB = C paralelo = j0.64
ARCO BC = L serie = j1.17
Figura 3. Red de acople de entrada
Valores de los componentes:
B
C1 
WN
0.64
C1 
2(600MHz )(10)
C1 16.98 pF
XN
W
(1.17)(10)
L1 
2(600MHz )
L1 
L1 3.1nH
Para la parte intermedia entre las dos etapas de amplificación, se debe acoplar la
impedancia de salida de la primera etapa con la impedancia de entrada de la
segunda etapa, representadas por:
YL=1.936-j3.73mmhos y Ys=55.33+j94mmhos
Para esto, se normaliza a N=40.
YL=40(1.937-j3.73)mmhos
YL=0.0775-j0.1492mhos
Ys=40(55.33+j94)mmhos
Ys=2.2132+j3.76mhos
Estas dos impedancias se muestran en el anexo 3. Se debe acoplar de YL a Ys.
ARCO AB = C paralelo = j0.55
ARCO BC = L serie = j1.23
Figura 4. Red de acople intermedia
Valores de los componentes:
B
Cint ermedia 
WN
0.85
Cint ermedia 
2(600MHz )(40)
Cint ermedia 5.64 pF
XN
Lint ermedia 
W
(1.23)(40)
Lint ermedia 
2( 600MHz )
Lint ermedia 13nH
Finalmente, se debe acoplar la segunda etapa de amplificación con la carga. Para
esto, se acopla la impedancia de salida representada por YL con 50  .
Normalizamos con N=50:
YL=50(1.936-j3.73)mmhos
YL=0.0968-j0.1865mhos
La impedancia de salida y la carga se muestran en el anexo 4.
ARCO AB = C paralelo = j0.46
ARCO BC = L serie = j3.2
Figura 5. Red de acople de salida
B
Co 
WN
0.46
Co 
2(600MHz )(50)
Co 2.44 pF
XN
W
(3.2)(50)
Lo 
2(600MHz )
Lo 
Lo 42.44nH
4.3.2 RED DE POLARIZACIÓN
Se basa en un voltaje de alimentación mayor al voltaje elegido anteriormente para
VCE de 10V, diciendo así que el voltaje de alimentación de todo el circuito es de
Vcc=24V, que es el voltaje estándar utilizado por amplificadores de línea para
distribución de televisión por cable:
Figura 6. Red de polarización en dc de una etapa de amplificación.
Se asume un voltaje de emisor de 2.5V, como ICQ es 5mA y aproximando I C IE
entonces se obtiene el valor de RE así:
V
RE  E
IE
2.5V
RE 
5mA
RE 500
Para calcular Rc, como se sabe que VCE=10V y VE=2.5V, entonces:
V (VCE V E )
RC  CC
IC
24V (10V 2.5V )
RC 
5mA
RC 2.3K
Ahora, se calcula IB :
IC

IB 
5mA
IB 
60
I B 83.33A
Para calcular las resistencias restantes, se calcula el voltaje sobre la resistencia
R1 :
V R1 VE V BE
V R1 2.5V 0.7V
V R1 3.2V
Se asume IBB=1.5mA, y R1 es:
V
R1  R1
I BB
3.2V
R1 
1.5mA
R1 2.13K
Finalmente, se calcula R2, así:
Vcc VR1
R2 
I BB I B
24V 3.2V
R2 
1.5mA 83.3A
R2 13.14K 
El amplificador con las dos etapas de amplificación en cascada, el atenuador y ecualizador requerido, es el
siguiente:
24Vdc
RC1
2.3K
0.1uF
RC2
Cintermedia
2
82
R21
15
0
5.64pF
R22
2.3K
13.14K
13.14K
1uH
15
Rs
Ecualizador
1
V2
0
VOFF = 0V
VAMPL = 1mV
FREQ = 600MHz
30
1k
30
50
V
Lo
Q1
L1
Atenuador 1
2
1
MPSH10
3.1nH
1
Lintermedia
2
2
42.44nH
Q2
MPSH10
Co
13nH
R11
C1
10
16.98pF
2.44pF
2.13K
RE1
500
R12
2.13K
V
RL
50
RE2
500
0
0
Figura 7. Diseño final del amplificador de rf
4.4 SIMULACIÓN
El proceso de simulación se inicia corroborando que el amplificador diseñado, con
una sola etapa provee la ganancia que promete en esta configuración sencilla:
Figura 8. Simulación de una etapa de amplificación. f=600MHz, A=1mV.
La simulación indica que la ganancia es:
VR 5
62mV

62  17.92 dB
Vin
1mV
Ahora corresponde hacer pruebas con las dos etapas de amplificación y sus
elementos de acople correspondientes:
4.4.1 Pruebas a un voltaje de entrada de 1mV y 100MHz:
Figura 9. Simulación del amplificador de rf diseñado. f=100MHz, A=1mV.
La simulación indica que la ganancia de todo el amplificador a 100MHz es:
VR 5 2.9V

2900  34.62dB
Vin 1mV
La señal de entrada se ve casi igual a cero a comparación de la de salida, pero en
realidad es una sinusoide de 1mV de amplitud pico y 100MHz de frecuencia:
4.4.2 Pruebas a un voltaje de entrada de 2mV y 300MHz:
Figura 10. Simulación del amplificador de rf diseñado. f=300MHz, A=2mV.
La figura 11 indica que la ganancia de todo el amplificador diseñado a 300MHz es:
VR 5 5.8V

2900  34.62dB
Vin 2mV
Aproximadamente la misma que a 100MHz, téngase en cuenta que se está
leyendo el dato de una gráfica y por tanto constituye una aproximación. Aunque es
de esperarse que el transistor mantenga la ganancia para la que fue diseñado
hasta 650MHz como dicen las hojas de datos. Nuevamente la señal de entrada no
se puede ver bien por la escala de la imagen, pero la señal aplicada es una
sinusoide de 2mV de amplitud pico y una frecuencia de 300MHz:
4.4.3 Pruebas a un voltaje de entrada de 5mV y 600MHz:
Figura 11. Simulación del amplificador de rf diseñado. f=600MHz, A=5mV.
La ganancia disminuye un poco porque el amplificador se está acercando a la
zona no lineal de su ancho de banda permitido, a partir de 650MHz, la ganancia
disminuirá notablemente.
VR 5
13.8V

2760  34.4 dB
Vin 5mV
Para los requerimientos especificados en el diseño, el amplificador sostiene
una ganancia suficiente en 600MHz.
4.5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL AMPLIFICADOR DE R.F. EN LINEA
DISEÑO DE BAJO CONSUMO DE CORRIENTE EN REDES PROPUESTO
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------Cambio de modo Línea de suministro unidad
Suministro de poder de poder
Función
-------------------------------------------------------------------------------------------------------.-----Voltaje salida 24+ - 0.5 24+ - 0.5 V
Corriente de salida 30 10 m A
Eficiencia 80 60 %
Voltaje A C requerido
Frecuencia entrada 55 – 90 60 Hz
Rango de voltaje de entrada
Onda cuadrada 50+ - 1 HZ 46 – 90 - V RMS
Rango de voltaje entrada
Onda seno 50 + - 1H Z - 100 –130 V RMS
La evaluación de onda 36- 83 400 V RMS
LA GANANCIA TERMAL Y LA ACTUACIÓN DE MANDO DE CUESTA Y
PENDIENTES
dB
Rango y nivel a 25°C A 46° C d B
Cuesta y pendiente 25°C 60° C d B
Compensación de cable 751MHZ 12-28 en los paso V
Nivel de estabilidad 650MHz 0.5 d B
Poder de suministro 24V DC 8 mA
Su potencia total en salida es 35.9 dB
4.6 COMPARACIÓN CON LOS AMPLIFICADORES ACTUALES
Figura 12. Características técnicas del modulo de amplificación para CATV
BGY88 de Philips Semiconductors.
Todas las características del amplificador diseñado son similares a los módulos
actuales de CATV que ofrecen en el mercado como se puede ver en la gráfica, a
excepción del consumo de corriente que es notablemente menor. La corriente de
salida del amplificador propuesto corresponde a la corriente de colector Ic, que fue
diseñada para ser menor a 10mA.
Al realizar la medición en la simulación, la corriente de salida es un poco mayor a
la del punto Q de diseño ya que depende de la exigencia de los demás
componentes del amplificador, pero no supera los 10mA y aún así amplifica a
35dB que es una ganancia estándar en este tipo de amplificadores. Esto se debe
al transistor usado, que logra amplificar y tener una buena ganancia en alta
frecuencia, en general todos los transistores de radiofrecuencia que producen
Philips y Motorola poseen estas características, pero los módulos terminados para
CATV, consumen mucha corriente. Al diseñar con transistores de bajo consumo
en corriente los amplificadores de radiofrecuencia, trabajan similar a los módulos
pero a menor corriente.
Es importante agregar, que en este módulo de amplificación de CATV de Philips,
se consigue una ganancia de 37dB a 450MHz que es el pico máximo donde el
amplificador ya llega al final de su región lineal, por tanto ya a 600MHz, la curva de
ganancia desciende.
En el caso del amplificador propuesto, la ganancia se sostiene hasta 650MHz
como se preveía en las especificaciones técnicas del transistor MPSH10 en un
principio. Es otra ventaja de tener control total del diseño:
Figura 13. Diagrama de bode en ganancia del amplificador rf propuesto.
Los datos con los que se realiza el diagrama de Bode, fueron medidos a partir de
las diferentes ganancias que resultan de la simulación, en diferentes frecuencias.
Existen otros módulos de amplificación como el de TYCO electronics, que
sostienen su ganancia hasta 1GHz, pero su ganancia es muy baja:
Figura 13. Características técnicas del módulo de amplificación para CATV
AN3012 de tyco Electronics.
Este último amplificador, compite en ancho de banda y consumo de voltaje, su
consumo de corriente es de 100mA.
Así pues, la ventaja más grande de amplificador diseñado, es la corriente baja y la
posibilidad de sostener una ganancia de 35dB aproximadamente, en un rango de
frecuencias de 50-650MHz, completamente funcional para distribución de
televisión por cable.
5. CONCLUSIONES
o Se pueden incorporar dentro del circuito de polarización modos de operación
específicos para reducir el consumo de potencia.
o La disponibilidad de tierra en RF es esencial no solo para propósitos de
estabilidad sino para posibilitar la introducción deliberada de degeneración
inductiva en el emisor. Esta práctica es común para ecualizar los coeficientes
de reflexión y optimizar la ganancia y el nivel de ruido. También proporciona al
diseñador la opción de “negociar” la ganancia en el punto de intercepción.
o El desarrollo de amplificadores de RF discretos implica un cierto esfuerzo de
diseño, así como varios cálculos de ensayo y error. Afortunadamente en la
actualidad se dispone de módulos de herramientas de simulación que ahorran
tiempo en observar resultados en configuraciones que satisfacen
prácticamente cualquier necesidad.
o Los transistores para aplicaciones de RF cumplen las mismas funciones de sus
contrapartes de baja frecuencia, pero vienen en presentaciones diferentes, con
tiras metálicas planas que se extienden radialmente desde el centro para
facilitar su conexión a una microcinta o tarjeta de circuito impreso.
o Es importante evitar el uso de condensadores y bobinas de bajo valor, por
debajo de 1pF y 1nH, respectivamente, debido a que los mismos son
fácilmente enmascarados para las capacitancias e inductancias parásitas de
las tarjetas de circuito impreso.
o Cuando se construyen circuitos en RF es absolutamente esencial conservar los
terminales de los componentes tan corto como sea posible, esto implica
recortar a ras las puntas de los condensadores y resistencias, y soldarlas sin
que se observe ninguna prolongación visible. Por esta razón el uso de
condensadores chip cerámicos y otros tipos de dispositivos de montaje
superficial son muy populares en sistemas de alta frecuencia.
o El amplificador diseñado a pesar de su bajo consumo en corriente (5 mA en
corriente de colector), logra conservar una ganancia suficientemente alta
(34.4dB)
o Las simulaciones demuestran que aún a frecuencias altas (600MHz), el
amplificador conserva una buena ganancia, esto se debe a la buena elección
del transistor de rf ya que su ancho de banda efectivo es de 650MHz y tiene
muy buena ganancia en corriente (hfe=60).
6. RECOMENDACIONES
No solo en el campo de la televisión por cable se utilizan amplificadores de
radiofrecuencia, aún queda mucho por hacer. Es muy importante incentivar e
impulsar la manufactura de equipos de alta calidad en el país. Se sugiere para
trabajos futuros, diseñar y construir amplificadores de radiofrecuencia para otras
aplicaciones que también demanda el mercado y de las que se depende
absolutamente de fabricaciones extranjeras.
BIBLIOGRAFÍA
CARSON, Ralph. HIGH-FREQUENCY AMPLIFIERS. Editorial John Wiley &
Sons, Inc. 1975.
BOWICK Chris. RF CIRCUIT DESIGN. Editorial Newnes, 1997.
MUNDO ELECTRÓNICO. Amplificadores de alta frecuencia diseño y últimas
tendencias en amplificadores de TV y CATV. Barcelona, No. 96 (Junio, 1980).
VALERO Diego. Amplificadores de potencia. Editorial Paraninfo, 1993.
RUDOLF, Graf. Circuitos amplificadores. Editorial Paraninfo, 1999.
HARDY James. High frequency circuit design. Editorial Prentice Hall, 1979.
M. M. CIROVIC. Electrónica fundamental dispositivos circuitos y sistemas Pág
169- 285.
MALVINO. Principios de electrónica, ed Mg Graw Hill.}
DELGADO CAÑIZARES Manuel. Sistemas de telecomunicación e
informáticos, sistemas de radio y televisión, ed Paraninfo Thomson Learning,
pág 12 a 47.
ALCALDE S. Pablo Miguel. Principios fundamentales de electrónica. Ed
.Thomson Paraninfo.
WEBGRAFÍA
International Standards and conformity assessment for government, business
and society for all electrical, electronic and related technologies:
http://www.iec.ch/