VII. Circuitos para comunicaciones Receptores básicos El multiplicador lineal AM Mezcladores Demodulación AM Amplificadores de audio e IF PLL

1. Receptores básicos Amplitud Modulada (AM). Módulo 7 1. Receptores básicos Amplitud Modulada (AM). AM es para enviar información empleando ondas electro-magnéticas que viajan a través de la atmósfera. En AM la amplitud de una señal con frecuencia fc, llamada portadora, varía según una cierta señal (voz, música).

Módulo 7 La señal AM mostrada contiene tres frecuencias: fc, fc + fm y fc – fm. Donde fc es la frecuencia de la portadora, y fm es la frecuencia del mensaje. La banda de frecuencia para AM es de 540 kHz a 1640 kHz. Un receptor debe ajustarse a la frecuencia fc. El receptor AM. Consiste de antena, amplificador RF, mezclador, oscilador local, amplificador de frecuencia intermedia, detector, amplificador de audio y amplificador de potencia.

Detector. Recupera la señal modulada de IF. Módulo 7 Antena. Recoge las señales radiadas, del orden de μV, y alimenta al amplificador RF. Amplificador RF. Se ajusta para seleccionar y amplificar cualquier frecuencia dentro de la banda AM. Oscilador local. Genera una senoidal con frecuencia de 455kHz sobre la frecuencia RF seleccionada. Mezclador. Recibe la señal a la salida del amplificador RF y la senoidal del oscilador. Las mezcla con un proceso no-lineal para producir la suma y diferencia de frecuencias. Amplificador IF. La entrada es una señal réplica de la portadora AM original amplificándola. Detector. Recupera la señal modulada de IF. Amplificadores de audio y potencia. Amplifican la señal de audio detectada y la reproduce. AGC. Control automático de ganancia, da un nivel de DC a la salida del detector proporcional a la fuerza de la señal recibida.

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Frecuencia Modulada (FM). Módulo 7 Frecuencia Modulada (FM). En FM la señal modulada varía la frecuencia de la portadora. La banda FM va de 88MHz a 108MHz.

Módulo 7 El receptor FM. Incluye algunos elementos del receptor AM, además otros elementos para recuperar la señal.

Oscilador local. Genera una senoidal de 10.7M. Módulo 7 Amplificador RF. Se ajusta para seleccionar y amplificar cualquier frecuencia dentro de la banda FM. Oscilador local. Genera una senoidal de 10.7M. Mezclador. Tiene la misma función que en AM. Amplificador IF. Amplifica la señal FM de 10.7 MHz. Limitador. Elimina variaciones no deseadas en la amplitud. Discriminador. Realiza la misma función que el detector en AM. Recupera el audio de la señal FM. Red de de-énfasis. Estandariza la amplificación en todas las frecuencia. Amplificadores de audio y potencia. Realiza la misma función que en AM.

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2. Multiplicador lineal Cuadrantes. Módulo 7 2. Multiplicador lineal Cuadrantes. Hay multiplicadores de uno, dos y cuatro cuadrantes. Esta clasificación indica el número de combinaciones en polaridad a la entrada que puede soportar.

Transferencia Característica. Módulo 7 Transferencia Característica.

Determina el voltaje de salida para un multiplicador de 4 cuadrantes cuya transferencia característica se muestra, si los voltajes de entrada son VX = -4V y VY = -10V.

Módulo 7 Factor de escala K. Es la atenuación interna del amplificador. Suele ser ajustable en los CI y determinado por resistencias.

Determina el factor de escala K para el multiplicador mostrado Determina el factor de escala K para el multiplicador mostrado. Asume que la porción del potenciómetro es 2.5kΩ. Determina el voltaje de salida.

Módulo 7 Ajuste de off-set. Debido a errores internos, suelen presentarse pequeños voltajes off-set en las entradsa y salidas del multiplicador.

Módulo 7 Aplicaciones básicas. Algunas aplicaciones son:

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3. Modulación de Amplitud Módulo 7 3. Modulación de Amplitud

Proceso de Multiplicación. Módulo 7 Proceso de Multiplicación.

Suma y diferencia de frecuencias. Módulo 7 Suma y diferencia de frecuencias. Dadas dos senoidales: Análisis de modulación balanceada. Dada la señal portadora: Asumiendo una señal modulada: Multiplicándolas:

El espectro de frecuencias de la modulación balanceada. Módulo 7 El espectro de frecuencias de la modulación balanceada.

El multiplicador lineal como modulador balanceado. Módulo 7 El multiplicador lineal como modulador balanceado.

Determina las frecuencias contenidas a la salida del moduldor mostrado.

AM estándar. Contiene a la portadora y sus frecuencias laterales. Módulo 7 AM estándar. Contiene a la portadora y sus frecuencias laterales.

La manera de implementarlo es: Módulo 7 La manera de implementarlo es:

Una frecuencia portadora de 1200 kHz es modulada por una senoidal de 25 kHz con un AM estándar. Determina el espectro de frecuencia a la salida.

Módulo 7 AM con voz o música. La voz o música contienem varias componentes senoidales con frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz.

Módulo 7 4. Mezcladores Un mezclador es básicamente un convertidor de frecuencia. En un sistema AM toma la señal modulada RF junto con la señal del oscilador local y produce una señal modulada con frecuencia igual a la diferencia y suma de las dos entradas.

El mezclador es un multiplicador lineal. Módulo 7 El mezclador es un multiplicador lineal. En el caso de receptores, el mezclador debe producir una salida con una componente de frecuencia igual a la diferencia de las frecuencias de entrada.

Determina la expresión de salida para un multiplicador con una senoidal de entrada de 5mV de voltaje pico y frecuencia de 1200kHz y otra senoidal con 10mV de voltaje pico y frecuencia de 1655 kHz.

Módulo 7 En un sistema de recepción, tanto la suma como diferencia de frecuencias a la salida se aplican al amplificador IF, elcuál está diseñado para responder a la diferencia de frecuencias y rechazar la suma de éstas (filtro BP).

Determina la frecuencia de salida del amplificador IF para la condición mostrada.

5. Demodulación AM Demodulador básico AM. Módulo 7 5. Demodulación AM Demodulador básico AM. Un demodulador AM se puede implementar con un multiplicador seguido de un filtro LP. La fc del filtro es la mayor frecuencia de audio requerida para una aplicación dada (por ejemplo 15 kHz).

Operación en términos del espectro de frecuencia. Módulo 7 Operación en términos del espectro de frecuencia. Supongamos que la portadora es modulada por una señal de 10 kHz, y es recibida y convertida a una frecuencia intermedia de 455 kHz. Tenemos entonces: Cuando la salida del amplificador IF se aplica al demodulador tenedremos:

6. Amplificadores IF y de audio Módulo 7 6. Amplificadores IF y de audio La función básica del amplificador IF. Posee un ancho de banda específico y una fc de 455kHz para AM y 10.7MHz para FM. Su frecuencia resonante es siempre la misma. fo = 1.455 MHz fo + fc = 2.455 MHz fo - fc = 455 kHz fo + (fc + fm) = 2.46 MHz fo + (fc – fm) = 2.45 MHz fo - (fc + fm) = 450 kHz fo - (fc – fm) = 460 MHz fc = 1MHz fm = 5 KHz

Amplificador IF básico. Módulo 7 Amplificador IF básico. Amplificador IF con circuitos de sintonización a la entrada y salida. El MC1350. CI representativo de los amplificadores IF, puede usarse en AM y FM con ganancia típica de 62 dB para 455kHz. La entrada AGC mantiene la ganancia a nivel constante.

Amplificadores de audio. Módulo 7 Amplificadores de audio. Se usan en los sistemas receptores para amplificar la señal de audio recuperada. Su BW típico es de 3 kHz a 15 kHz. El LM386. Amplificador de audio de baja potencia capaz de alimentar una bocina de 8Ω. Opera entre 4 y 12V.

7. Modulación en frecuencia Módulo 7 7. Modulación en frecuencia En FM la frecuencia de la portadora se incrementa o decrementa según la señal de mensaje. Las variaciones dependen de la amplitud. fc = 1MHz fm = 5 KHz

Modulador de frecuencia básico. Módulo 7 Modulador de frecuencia básico. La FM se logra variando la frecuencia de un oscilador con la señal moduladora. Típicamente se usa un oscilador controlado por voltaje (VCO). Un VCO de reactancia variable usa un diodo varactor como capacitor de voltaje variable.

El CI de un transmisor FM. Módulo 7 El CI de un transmisor FM. Un ejemplo es el MC2833, diseñado para telefonía inalámbrica y equipos FM. Demodulación FM. Salvo para las altas frecuencia, un receptor FM es similar a un AM. La principal diferencia es el método de recuperación. Existen varios métodos: detección de pendiente, discriminación de desplazamiento de fase, detección de cuadratura, detección de radio y demodulación PLL, entre otros.

8. PLL (Phase-Locked Loop) Módulo 7 8. PLL (Phase-Locked Loop) El PLL es un circuito realimentado que tiene un detector de fase, un filtro LP y un VCO básicamente. Puede sincronizarse con una señal de entrada, indicando un cambio en la frecuencia. Compara las diferencias de fase entre Vi y Vo, si fi es diferente de fo, también lo son las fases. La salida del filtro LP indica esta diferencia en el VCO el cual fuerza a fo a igualarse con fi. fc = 1MHz fm = 5 KHz

Módulo 7 El detector de fase. El detector de fase del PLL es básicamente un multiplicador lineal. Las señales de entrada y del VCO aplicadas son: A la salida tenemos: Cuando el PLL se “cierra”: Entonces la salida es: La segunda senoidal es filtrada por el LP.

El voltaje de control a la salida del filtro es: Módulo 7 El voltaje de control a la salida del filtro es: θe es el error de la fase. El voltaje a la salida del filtro es proporcional a la diferencia de fase entre la señal de entrada y la del VCO y se emplea como voltaje de control del VCO.

Un PLL se cierra con una señal de entrada de 1MHz con ángulo de fase de 50°. La señal del VCO tiene un ángulo de fase de 20°. La amplitud pico de la señal de entrada es 0.5V y a la salida del VCO es 0.7V a) ¿Cuál es la frecuencia del VCO? b) ¿Cuál es el valor del voltaje de control que alimenta el VCO?

Módulo 7 El VCO. Los VCO son muy diversos. Es un tipo de oscilador LC, RC o de cristal. Los empleados en PLL operan bajo el principio de reactancia variable usando un diodo varactor como capacitor de voltaje variable, donde si la capacitancia decrece el voltaje inverso se incrementa y viceversa. La frecuencia de oscilación es: La función de transferencia del VCO es:

La frecuencia de salida de un cierto VCO cambia de 50kHz a 65kHz cuando el voltaje de control se incrementa de 0.5 a 1V. ¿Cuál es la ganancia de conversión K?

Operación básica del PLL. Módulo 7 Operación básica del PLL. Cuando el PLL se cierra, fi y fo son iguales. Sin embargo existe siempre una diferencia de fase llamada error de fase estática. El voltaje filtrado por el detector de fase es proporcional al error de fase θe y controla la frecuencia del VCO y trata que fi = fo.

Módulo 7 Rango de cierre. Es el rango de frecuencias sobre el cual el PLL se mantiene cerrado. Las limitantes en este rango son las desviaciones máximas en frecuencia del VCO y los límites de salida del detector de fase. Suele expresarse como un porcentaje de la frecuencia del VCO. Rango de captura. Es el rango de frecuencias sobre el cual se puede cerrar con una señal de entrada, asumiendo que el PLL no está cerrado.

Condiciones para cerrar un PLL Módulo 7 Condiciones para cerrar un PLL

Módulo 7 El PLL NE565. Consiste de un VCO, un detector de fase, un filtro LP y un amplificador. La frecuencia del VCO se logra con componentes externos. Se puede emplear para un rango de frecuencias de 0.001Hz a 500kHz. La frecuencia del VCO se calcula con:

El rango de cierre está dado por: Módulo 7 El rango de cierre está dado por: Donde Vcc es el voltaje total entre las alimentaciones. El rango de captura está dado por:

El PLL como demodulador FM. Módulo 7 El PLL como demodulador FM. El PLL puede producir un voltaje proporcional a la frecuencia de la señal de entrada que en el caso de FM es la señal modulada. Como la frecuencia de operación máxima es 500kHz, puede emplearse en los receptores FM de doble conversión (emplea dos mezcladores para convertir RF en IF de 10.7MHz y luego en IF de 455kHz). El VCO se puede ajustar a 455kHz con R1 y C1. R1 debe estar entre 2kΩy 20kΩ.

Determina los valores para R1, C1 y C2 del NE565 para una frecuencia VCO de 455kHz y un rango de captura de ±10kHz. El circuito se alimenta con ±6V.