Amplificador de doble sintonización

Un transformador doblemente sintonizado de un amplificador de frecuencia intermedia de un receptor de radio con su blindaje puede eliminarse

Un amplificador doblemente sintonizado es un amplificador sintonizado con acoplamiento de transformador entre las etapas del amplificador en el que las inductancias de los devanados primario y secundario se sintonizan por separado con un condensador en cada una. El esquema da como resultado un ancho de banda más amplio y faldones más pronunciados que los que lograría un circuito sintonizado simple.

Existe un valor crítico del coeficiente de acoplamiento del transformador en el que la respuesta de frecuencia del amplificador es lo más plana posible en la banda de paso y la ganancia es máxima en la frecuencia de resonancia . Los diseños utilizan con frecuencia un acoplamiento mayor que este (sobreacoplamiento) para lograr un ancho de banda aún mayor a expensas de una pequeña pérdida de ganancia en el centro de la banda de paso.

La conexión en cascada de varias etapas de amplificadores de doble sintonización da como resultado una reducción del ancho de banda del amplificador general. Dos etapas de un amplificador de doble sintonización tienen el 80 % del ancho de banda de una sola etapa. Una alternativa a la doble sintonización que evita esta pérdida de ancho de banda es la sintonización escalonada . Los amplificadores con sintonización escalonada se pueden diseñar para un ancho de banda prescrito que sea mayor que el ancho de banda de cualquier etapa individual. Sin embargo, la sintonización escalonada requiere más etapas y tiene una ganancia menor que la sintonización doble.

Circuito típico

Un amplificador típico de doble sintonización de dos etapas

El circuito mostrado consta de dos etapas de amplificador en topología de emisor común . Todas las resistencias de polarización cumplen sus funciones habituales. La entrada de la primera etapa está acoplada de forma convencional con un condensador en serie para evitar afectar la polarización. Sin embargo, la carga del colector consta de un transformador que sirve como acoplamiento entre etapas en lugar de condensadores. Los devanados del transformador tienen inductancia . Los condensadores colocados a lo largo de los devanados del transformador forman circuitos resonantes que proporcionan la sintonización del amplificador.

Otro detalle que se puede observar en este tipo de amplificador es la presencia de tomas en los devanados del transformador. Estas se utilizan para las conexiones de entrada y salida del transformador en lugar de la parte superior de los devanados. Esto se hace con fines de adaptación de impedancia ; los amplificadores con transistores de unión bipolar (el tipo que se muestra en el circuito) tienen una impedancia de salida bastante alta y una impedancia de entrada bastante baja. Este problema se puede evitar utilizando MOSFET que tienen una impedancia de entrada muy alta. ^[1]

Los condensadores conectados entre la parte inferior de los devanados secundarios del transformador y la tierra no forman parte de la sintonización. Más bien, su propósito es desacoplar las resistencias de polarización del transistor del circuito de CA.

Propiedades

La doble sintonización, en comparación con la sintonización simple, tiene el efecto de ampliar el ancho de banda del amplificador y hacer más pronunciada la falda de la respuesta. ^[2] La sintonización de ambos lados del transformador forma un par de resonadores acoplados que es la fuente del aumento del ancho de banda. La ganancia del amplificador es una función del coeficiente de acoplamiento , k , que está relacionado con la inductancia mutua , M , y las inductancias de los devanados primario y secundario , L _p y L _s respectivamente, por

${\displaystyle M=k{\sqrt {L_{\mathrm {p} }L_{\mathrm {s} }}}}$

Existe un valor crítico de acoplamiento en el que la ganancia del amplificador es máxima en resonancia. Por debajo de este valor crítico, hay un único pico en la respuesta de frecuencia, con una amplitud que alcanza su pico en resonancia y que disminuye a medida que k disminuye. Se dice que una respuesta de este tipo está subacoplada. En valores de k superiores al acoplamiento crítico, la respuesta comienza a dividirse en dos picos. Estos picos se vuelven más estrechos y más separados a medida que k aumenta y la brecha entre ellos (centrada en la frecuencia de resonancia) se vuelve progresivamente más profunda. Se dice que una respuesta de este tipo está sobreacoplada. ^[3]

Un amplificador acoplado críticamente tiene una respuesta que es máximamente plana . Esta respuesta también se puede lograr sin transformadores con dos etapas de un amplificador sintonizado de forma escalonada . A diferencia de la sintonización escalonada, la sintonización doble generalmente sintoniza ambos resonadores a la misma frecuencia de resonancia . ^[4] Sin embargo, un diseñador puede optar por diseñar un amplificador sobreacoplado para lograr un ancho de banda más amplio a expensas de una pequeña caída (normalmente de 3 dB para maximizar el ancho de banda de 3 dB ) en el centro de la respuesta de frecuencia. ^[5]

Al igual que la sintonización sincrónica , la adición de más etapas de amplificadores doblemente sintonizados tiene el efecto de reducir el ancho de banda. El ancho de banda de 3 dB de n etapas idénticas, como fracción del ancho de banda de una sola etapa, está dado aproximadamente por,

${\displaystyle {\sqrt[{4}]{2^{1/n}-1}}}$

Esta expresión se aplica únicamente a anchos de banda fraccionarios pequeños. ^[6]

Análisis

El circuito se puede representar de una manera más genérica reemplazando los amplificadores con un amplificador de transconductancia generalizado como se muestra.

Representación genérica de una etapa de un amplificador doblemente sintonizado y parte de la etapa siguiente

donde (omitiendo los sufijos del número de etapa),

g _m es la transconductancia de los amplificadores

G _o es la conductancia de salida de los amplificadores

G _i es la conductancia de entrada de los amplificadores.

Normalmente, un diseño hará que las frecuencias resonantes y Q en los lados primario y secundario sean idénticas, de modo que,

${\displaystyle \omega _{0}=\omega _{0\mathrm {p} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {p} }C_{\mathrm {p} }}}}=\omega _{0\mathrm {s} }={1 \over {\sqrt {L_{\mathrm {s} }C_{\mathrm {s} }}}}}$

y,

${\displaystyle Q=Q_{\mathrm {p} }={1 \over L_{\mathrm {p} }G_{\mathrm {o} }}=Q_{\mathrm {s} }={1 \over L_{\mathrm {s} }G_{\mathrm {i} }}}$

donde ω ₀ es la frecuencia de resonancia expresada en unidades de frecuencia angular y los subíndices p y s se refieren respectivamente a componentes del lado primario y secundario del transformador.

Ganancia de etapa

Respuesta de frecuencia del amplificador de doble sintonización para varios valores de acoplamiento

Con los supuestos anteriores, la ganancia de voltaje, A de una etapa del amplificador se puede expresar como

${\displaystyle A=A_{0}\ {\frac {2kQ}{\ 4Q\delta -i\left[\ 1+k^{2}Q^{2}-4Q^{2}\delta ^{2}\ \right]\ }}\ ,}$

dónde

${\displaystyle \ i\ }$es la unidad imaginaria ${\displaystyle \left(\ i^{2}\equiv -1\ \right),}$

${\displaystyle \ A_{0}\equiv {\frac {g_{\mathrm {m} }}{2{\sqrt {G_{\mathrm {o} }G_{\mathrm {i} }\ }}}}\ }$

es la ganancia máxima que la etapa puede entregar, y

${\displaystyle \ \delta \equiv {\frac {\ \omega -\omega _{0}\ }{\omega _{0}}}\ }$

es la frecuencia expresada como la desviación de frecuencia fraccionaria de la frecuencia resonante.

Frecuencia pico

Con un acoplamiento menor que el crítico, hay un pico en la respuesta que ocurre en resonancia. Por encima del acoplamiento crítico, hay dos picos en las frecuencias dadas por

${\displaystyle \delta _{\mathrm {H} },\delta _{\mathrm {L} }=\pm {1 \over 2Q}{\sqrt {k^{2}Q^{2}-1}}}$

donde δ _L y δ _H son respectivamente las frecuencias baja y alta de los picos expresadas como desviación fraccionaria.

Con acoplamiento crítico o superior, los picos alcanzan la ganancia máxima disponible en el amplificador.

Acoplamiento crítico

El acoplamiento crítico se produce cuando los dos picos simplemente coinciden, es decir, cuando

${\displaystyle k^{2}Q^{2}-1=0}$

o

${\displaystyle k={1 \over Q}}$^[7]

Referencias

1. Bhargava y col. , págs. 382–383
2. Gulati, pág. 432
3. • Bakshi y Godse, pág. 5.25
   • Chattopadhyay, pág. 195-196
4. Chattopadhyay, pág. 196
5. Bakshi y Godse, pág. 5.26
6. Bakshi y Godse, pág. 5.29
7. Bakshi & Godse, págs. 5.20–5.26 (para la sección de análisis completa)

Bibliografía

• Bakshi, Uday A.; Godse, Atul P., Análisis de circuitos electrónicos , Publicaciones técnicas, 2009 ISBN  8184310471 .
• Bhargava, NN; Gupta, SC; Kulshreshtha DC, Electrónica básica y circuitos lineales , Tata McGraw-Hill, 1984 ISBN 0074519654 . 
• Chattopadhyay, D., Electrónica: fundamentos y aplicaciones , New Age International, 2006 ISBN 8122417809 . 
• Gulati, RR, Televisión monocroma y en color , New Age International, 2007 ISBN 8122416071 .