Comunicaciones

Temario

Unidad 1Fundamentos de los sistemas de comunicación

Objetivo. identificar los bloques de un sistema de comunicación, ubicar las señales del curso en el espectro, operar con decibeles y reconocer el efecto del ruido y de la instrumentación en las mediciones.

1.1 Elementos de un sistema de comunicación

Todo sistema de comunicación transporta información desde una fuente hasta un destino a través de un canal. El transmisor adapta la señal al canal (filtrado, amplificación, modulación) y el receptor realiza la operación inversa. En el canal se añaden ruido e interferencia, por lo que el diseño busca maximizar la relación señal a ruido (S/N, signal-to-noise ratio) en el destino.

1.2 Espectro electromagnético y bandas de frecuencia

La longitud de onda se relaciona con la frecuencia mediante λ = c/f, con c ≈ 3×10⁸ m/s. La designación de bandas de la UIT divide el espectro por décadas:

1.3 Decibeles

El decibel expresa relaciones de potencia en escala logarítmica, lo que convierte productos de ganancias en sumas:

El punto de −3 dB corresponde a la mitad de la potencia, es decir, a una relación de voltaje de 1/√2 = 0.707. Este valor define la frecuencia de corte de filtros y amplificadores.

1.4 Ancho de banda y capacidad del canal

El ancho de banda (BW, bandwidth) es el intervalo de frecuencias que un sistema transmite con atenuación menor a 3 dB. La cantidad de información que un canal puede transportar está limitada por el teorema de Shannon-Hartley:

1.5 Ruido

El ruido térmico (thermal noise) es generado por cualquier resistencia a temperatura mayor que 0 K y es proporcional al ancho de banda:

A 290 K, la potencia de ruido es −174 dBm/Hz; en un canal de 10 kHz resulta −174 + 10·log(10⁴) = −134 dBm. La figura de ruido F = (S/N)_entrada/(S/N)_salida cuantifica cuánto degrada un bloque la relación señal a ruido. Por eso las etapas de entrada (amplificador de RF, P5) deben tener bajo ruido y ganancia suficiente (fórmula de Friis para ruido).

1.6 Instrumentación y buenas prácticas de medición

• Impedancia de salida del generador: típicamente 50 Ω. Al cargar el generador con circuitos de baja impedancia (p. ej. 100 Ω en P1) el voltaje en terminales cae y la resistencia efectiva del circuito aumenta. Mida siempre la entrada en los terminales del circuito, no en la pantalla del generador.

• Sondas ×10: presentan 10 MΩ ∥ ~15 pF; las sondas ×1 cargan más (1 MΩ ∥ ~100 pF) y limitan el ancho de banda. Compense la sonda con la señal de calibración del osciloscopio.

• Vpp, Vp y Vrms: para una senoidal Vp = Vpp/2 y Vrms = Vp/√2. Registre siempre la magnitud que mide; confundirlas genera errores de 2× o 2.83×.

• Fase: con dos canales, φ = 360°·f·Δt, donde Δt es el retardo entre cruces por cero.

• Tierra: la pinza de tierra de la sonda está conectada a la tierra física; no la conecte a nodos que no sean tierra del circuito.

Ejercicios de la unidad

1. Calcule λ para 1 kHz, 791 kHz y 581 MHz. ¿Qué longitud tendría una antena λ/4 para cada caso? ¿Por qué no se transmite audio directamente?

2. Un amplificador tiene A_V = 13.4. Exprese su ganancia en dB.

3. Una señal de 2.12 Vpp se mide a la salida de un filtro alimentado con 3 Vpp. ¿Cuántos dB de atenuación hay?

4. Convierta 100 mW, 1 W y 1 µW a dBm.

5. Calcule la potencia de ruido térmico (dBm) a 290 K en un ancho de banda de 6 MHz (canal de TV).

Unidad 2Filtros pasivos

Objetivo. comprender el comportamiento en frecuencia de redes RC y RLC, calcular sus frecuencias de corte y verificarlas experimentalmente, identificando el efecto de la impedancia de la fuente y de la carga entre etapas.

2.1 Reactancia e impedancia

Un filtro es cualquier combinación de elementos pasivos (R, L, C) o activos diseñada para dejar pasar un intervalo de frecuencias y atenuar las demás. En comunicaciones se usan para conservar sólo la información deseada y eliminar ruido e interferencia. Su funcionamiento se basa en que la reactancia de capacitores e inductores depende de la frecuencia:

A baja frecuencia el capacitor se comporta como circuito abierto (X_C → ∞) y el inductor como cortocircuito; a alta frecuencia ocurre lo contrario. Los filtros pasivos usan sólo R, L y C (no amplifican y su respuesta depende de la carga); los activos añaden transistores u op-amps, lo que permite ganancia y aislamiento entre etapas.

2.2 Filtros pasa bajas y pasa altas RC

En el pasa bajas la salida se toma del capacitor. Por divisor de voltaje, a baja frecuencia el capacitor tiene alta reactancia y recibe casi todo el voltaje; al aumentar la frecuencia su reactancia disminuye y el voltaje de salida tiende a cero. En el pasa altas el circuito es el mismo pero la salida se toma de la resistencia, por lo que el comportamiento se invierte.

Las funciones de transferencia de primer orden son:

La frecuencia de corte se presenta cuando X_C = R, es decir, cuando la salida cae a 0.707 de la entrada (−3 dB) y la fase vale −45° (LPF) o +45° (HPF):

Fuera de la banda de paso la atenuación crece 20 dB por década (6 dB por octava) para un filtro de primer orden.

2.3 Filtro pasa banda en cascada y efecto de carga

Un pasa banda puede construirse conectando en cascada un pasa altas y un pasa bajas, eligiendo f_c,HP < f_c,LP. Sus parámetros principales son:

La fórmula anterior supone que la segunda etapa no carga a la primera. Con resistencias iguales (100 Ω) la segunda etapa sí carga a la primera: la respuesta real tiene pérdida de inserción y sus esquinas se separan de los valores calculados por separado. Con los valores de la práctica, el análisis completo da un pico de −5.8 dB a 2.32 kHz y puntos de −3 dB respecto al pico en aproximadamente 0.74 kHz y 7.3 kHz.

2.4 Filtro rechaza banda RLC

El circuito usa una rama R1–L1 en paralelo con C1, colocada en serie entre la fuente y la carga R2. A baja frecuencia el inductor es casi un cortocircuito y la señal pasa por la rama R1–L1; a alta frecuencia el capacitor es casi un cortocircuito y la señal pasa por C1. En la frecuencia de resonancia (X_L = X_C) el conjunto L-C en paralelo presenta su máxima impedancia (circuito tanque) y la salida es mínima:

Práctica 1. Filtros pasivos

Objetivo

Comprobar el funcionamiento de los filtros pasivos pasa bajas, pasa altas, pasa banda y rechaza banda; medir con el osciloscopio sus frecuencias de corte y su respuesta en magnitud y fase, y explicar las diferencias respecto a los valores calculados.

Material y equipo

Precálculo (entregar antes de la sesión)

1. Calcule f_c del LPF (100 Ω, 1 µF) y del HPF (100 Ω, 0.47 µF) con valores nominales.

2. Repita el cálculo considerando la resistencia de salida del generador R_s = 50 Ω en serie: f_c' = 1/(2π(R + R_s)C).

3. Simule los tres filtros en LTspice/Multisim (análisis AC de 10 Hz a 1 MHz) y guarde los diagramas de Bode.

4. Calcule f₀ del rechaza banda con L = 10 mH y C = 1 µF.

Procedimiento

1. Mida los valores reales de R y C con el medidor LCR y anótelos en el esquema.

2. Arme el pasa bajas. Configure el generador en senoidal de 3 Vpp y 100 Hz. Conecte CH1 en la entrada del filtro (en sus terminales) y CH2 en la salida, ambos con sonda ×10.

3. Haga un barrido en las frecuencias de la Tabla de registro. En cada punto mida V_in, V_out y el retardo Δt; calcule la fase φ = −360°·f·Δt.

4. Localice con precisión f_c: ajuste la frecuencia hasta que V_out = 0.707·V_in. Verifique que el desfase sea ≈ −45°.

5. Sin cambiar nada, mida el voltaje del generador en vacío y con el filtro conectado; estime R_s a partir de la caída.

6. Arme el pasa altas con C = 0.47 µF y repita los pasos 3 y 4 (fase ≈ +45° en f_c).

7. Arme el pasa banda en cascada. Barra de 100 Hz a 50 kHz, localice el máximo de V_out y los puntos donde la salida cae 3 dB respecto a ese máximo. Calcule BW, f₀ y Q.

8. Mejora: sustituya la segunda etapa por R2 = 1 kΩ y C2 = 47 nF (o intercale un seguidor LM358) y repita el paso 7. Compare.

9. (Opcional) Arme el rechaza banda con L = 10 mH, C = 1 µF, R2 = 100 Ω y localice la frecuencia de mínima salida.

10. Grafique todas las respuestas en escala semilogarítmica junto con la simulación.

Resultados de referencia

Solución de problemas

Cuestionario

1. ¿Por qué la salida del pasa bajas se toma del capacitor y la del pasa altas de la resistencia?

2. Demuestre que en f_c la magnitud es 1/√2 y la fase −45° para el pasa bajas RC.

3. Calcule el Q del pasa banda ideal (f_c1 = 1.59 kHz, f_c2 = 3.39 kHz). ¿Es selectivo? ¿Cómo se lograría un Q de 10?

4. Explique con números por qué la impedancia de 50 Ω del generador afecta más al filtro de 100 Ω que a uno de 10 kΩ.

5. ¿Qué ventajas tendría implementar el pasa banda como filtro activo Sallen-Key?

Unidad 3Amplificadores de audio

Objetivo. diseñar un amplificador de audio de dos etapas (preamplificador con op-amp y etapa de potencia push-pull), conocer las limitaciones reales de los componentes y calcular potencia, eficiencia y disipación.

3.1 Parámetros de un amplificador

Un amplificador aumenta la amplitud o la potencia de una señal. Para audio, el intervalo de interés es 20 Hz a 20 kHz. Sus parámetros principales son:

3.2 Amplificador operacional inversor y no inversor

La etapa preamplificadora se realiza con un amplificador operacional (op-amp) LM358 en configuración inversora, cuya ganancia depende sólo de la relación de resistencias:

En configuración no inversora, A_V = 1 + R₂/R₁ y Z_in es muy alta. Las dos fuentes de 12 V se conectan en serie para obtener ±12 V, de modo que la salida pueda oscilar alrededor de cero.

3.3 Limitaciones reales del op-amp

El LM358 es un op-amp de propósito general y bajo costo, con producto ganancia-ancho de banda (GBW) ≈ 1 MHz y slew rate ≈ 0.3 V/µs. Estas cifras limitan el desempeño en audio:

3.4 Etapa de potencia push-pull

Un op-amp no puede entregar la corriente que requiere una bocina de 8 Ω, por lo que se añade una etapa de transistores complementarios (NPN arriba, PNP abajo) en configuración seguidor de emisor (push-pull). Q1 conduce en el semiciclo positivo y Q2 en el negativo; su única función es suministrar la corriente que el op-amp no puede. En este circuito el op-amp de esta etapa tiene ganancia A_V = −10 kΩ/1 kΩ = −10.

Cuando los transistores operan sin polarización (clase B), ninguno conduce mientras |v| < V_BE ≈ 0.65 V, lo que produce distorsión de cruce (crossover distortion), muy audible a bajo volumen.

Soluciones: (a) polarizar en clase AB con dos diodos 1N4148 entre bases; (b) cerrar el lazo de realimentación desde el nodo de emisores (R2 al punto de salida y no a la salida del op-amp), de modo que el op-amp corrija la zona muerta; (c) ambas.

3.5 Potencia, eficiencia y disipación

Práctica 2. Amplificador de audio

Objetivo

Amplificar una señal senoidal de baja amplitud en el intervalo de 20 Hz a 20 kHz hasta un nivel capaz de excitar una bocina, midiendo la ganancia de cada etapa, la respuesta en frecuencia y la potencia entregada.

Material y equipo

Procedimiento

Parte A – Preamplificador

1. Arme el inversor con R1 = R2 = 10 kΩ (o 100 Ω para comparar) y alimente con ±12 V. Verifique el voltaje de alimentación en las patas 8 (V+) y 4 (V−).

2. Aplique 500 mVpp a 1 kHz. Mida V_out y la fase (debe ser 180°). Calcule A_V.

3. Aumente la amplitud de entrada hasta observar recorte; registre la excursión máxima de salida (positiva y negativa).

Parte B – Etapa de potencia

1. Arme la etapa de la figura con R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ, el push-pull y el capacitor de acople. Use primero una resistencia de carga de 8.2 Ω/5 W en lugar de la bocina.

2. Aplique 500 mVpp a 1 kHz. Mida V_out en la carga (anote si es Vpp o Vp) y calcule A_V y P_L.

3. Reduzca la entrada a 100 mVpp y observe la distorsión de cruce. Capture la forma de onda.

4. Mejora: mueva la conexión de R2 al nodo de emisores y/o agregue los diodos de polarización AB. Repita el paso anterior y compare (use la FFT del osciloscopio para estimar armónicos).

Parte C – Respuesta en frecuencia y prueba funcional

1. Con entrada constante, barra de 10 Hz a 100 kHz y registre la ganancia en dB. Identifique los puntos de −3 dB inferior (capacitor de acople) y superior (op-amp).

2. Repita con el capacitor de 1000 µF y compare la frecuencia de corte inferior.

3. Conecte el micrófono al preamplificador y la bocina a la salida. Verifique la reproducción de voz a volumen moderado.

Resultados de referencia

Solución de problemas

Cuestionario

1. ¿Por qué no se puede conectar directamente la bocina a la salida del LM358?

2. Calcule la potencia máxima teórica sobre 8 Ω con ±12 V considerando una caída de 2 V en los transistores.

3. Explique el origen de la distorsión de cruce y dos formas de eliminarla.

4. Calcule el valor del capacitor de acople para f_c = 30 Hz con bocina de 4 Ω.

5. ¿Qué op-amp elegiría para obtener 5 V pico a 20 kHz sin distorsión por slew rate? Justifique.

Unidad 4Osciladores

Objetivo. comprender las condiciones de oscilación, diseñar un oscilador puente de Wien de baja frecuencia y utilizar un generador de función integrado para frecuencias altas.

4.1 Realimentación y criterio de Barkhausen

Un oscilador es un circuito que produce una señal de CA de salida sin señal de entrada, a una frecuencia fija o ajustable. Se forma con un amplificador de ganancia A y una red de realimentación β selectiva en frecuencia. Para que exista oscilación sostenida a una frecuencia f₀ se debe cumplir el criterio de Barkhausen:

En la práctica se diseña |Aβ| ligeramente mayor que 1 para asegurar el arranque (el ruido inicia la oscilación) y se añade un mecanismo de estabilización de amplitud (diodos, lámpara, termistor o JFET) que reduce la ganancia cuando la amplitud crece.

4.2 Oscilador puente de Wien

El oscilador de puente de Wien usa una red RC serie-paralelo como β. Es muy usado en baja frecuencia (audio hasta ≈ 1 MHz) por su buena pureza espectral. En f₀ la red tiene fase 0° y atenuación exacta de 1/3, de modo que el amplificador no inversor debe tener ganancia de 3:

4.3 Osciladores LC y de cristal

4.4 Generadores de función integrados

Para frecuencias altas resulta más práctico un circuito integrado. El MAX038 es un generador de alta precisión que produce onda senoidal, cuadrada o triangular con baja distorsión y pocos componentes, de 0.1 Hz a 20 MHz, con salida de 2 Vpp y alimentación de ±5 V. La forma de onda se selecciona con las patas A0 y A1. La frecuencia se fija con la corriente de entrada I_IN y el capacitor de oscilador C_F:

Práctica 3. Osciladores

Objetivo

Construir un oscilador de baja frecuencia con puente de Wien y otro de alta frecuencia con un generador integrado (MAX038, XR2206 o DDS), verificar su frecuencia y la pureza de la señal.

Material y equipo

Procedimiento

Parte A – Puente de Wien

1. Arme el oscilador con R = 1 kΩ y C = 0.47 µF en la red de Wien; R_g = 1 kΩ y el potenciómetro de 10 kΩ como R_f.

2. Inicie con el potenciómetro en su valor mínimo y auméntelo lentamente hasta que la oscilación arranque. Mida el valor de R_f en ese punto (debe ser ≈ 2 kΩ).

3. Mida la frecuencia y amplitud. Observe qué pasa al seguir aumentando R_f (recorte).

4. Agregue dos diodos 1N4148 en antiparalelo en serie con una resistencia en paralelo a parte de R_f; observe la estabilización de amplitud.

5. Use la FFT del osciloscopio para medir el nivel de la 2ª y 3ª armónica respecto a la fundamental.

6. Cambie C a 1 µF y repita la medición de frecuencia.

Parte B – Generador integrado

1. Arme el MAX038 con A1 = alto (senoidal), R_IN = 5 kΩ (12 kΩ fijo en paralelo con ajuste o potenciómetro de 20 kΩ) y C_F = 1 nF; alimente con ±5 V.

2. Calcule y mida F₀. Repita con C_F = 220 pF y 100 pF y complete la tabla.

3. Varíe R_IN y verifique la relación lineal entre I_IN y F₀.

4. Seleccione onda cuadrada y triangular y observe los tiempos de subida.

Resultados de referencia

Cuestionario

1. Enuncie el criterio de Barkhausen y explique por qué en la práctica |Aβ| debe ser ligeramente mayor que 1 al arrancar.

2. ¿Qué ocurre con la forma de onda si R_f > 2R_g sin estabilización de amplitud?

3. Diseñe un Wien para 1 kHz con C = 10 nF.

4. Calcule R_IN del MAX038 para obtener 1 MHz con C_F = 100 pF.

5. Compare un oscilador LC, uno de cristal y un DDS en estabilidad, pureza y costo.

Unidad 5Modulación y demodulación AM

Objetivo. analizar la modulación de amplitud en tiempo y frecuencia, construir un transmisor AM de baja potencia y un receptor con detector de envolvente, y medir el índice de modulación.

5.1 ¿Por qué modular?

La modulación es el proceso de imprimir la información (señal moduladora) sobre una onda de mayor frecuencia (portadora) más adecuada para el canal. Nace de la necesidad de transportar información a la mayor distancia y al menor costo posible:

• Tamaño de antena: una antena eficiente mide del orden de λ/4. Para 1 kHz serían 75 km; para 791 kHz, 95 m; para 581 MHz, 13 cm.

• Multiplexaje por división de frecuencia (FDM): cada estación usa una portadora distinta y comparte el medio.

• Propagación: cada banda tiene mecanismos de propagación distintos (onda de superficie en MF, línea de vista en UHF).

Las dos técnicas analógicas más usadas en la industria son la amplitud modulada (AM) y la frecuencia modulada (FM). Esta unidad se centra en AM, cuya banda comercial en América ocupa aproximadamente de 530 a 1700 kHz con canales separados 10 kHz.

5.2 Análisis de la señal AM

En AM la amplitud de la portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la moduladora. Para una moduladora senoidal:

Desarrollando el producto con identidades trigonométricas aparecen tres componentes: la portadora f_c y dos bandas laterales en f_c − f_m (LSB) y f_c + f_m (USB), cada una de amplitud m·E_c/2:

5.3 Índice de modulación y potencia

Si m > 1 (sobremodulación) la envolvente ya no reproduce a la moduladora, se genera distorsión y se ensancha el espectro, interfiriendo canales adyacentes. El índice puede medirse sobre la envolvente en el dominio del tiempo o con el método trapezoidal (osciloscopio en modo X-Y: X = moduladora, Y = señal AM).

5.4 Moduladores

Circuito sumador. Para modular con el XR2206 se requiere montar la señal de CA sobre un nivel de CD. Se usa un sumador inversor con op-amp:

XR2206. Es un generador de función monolítico que produce ondas senoidal, cuadrada y triangular y permite modular en amplitud aplicando la señal moduladora en la pata 1 (AM input). La frecuencia de la portadora se fija con el capacitor entre las patas 5 y 6 y la resistencia de temporización en la pata 7:

La amplitud de salida es proporcional a la diferencia entre el voltaje de la pata 1 y V+/2; al cruzar ese punto la portadora invierte su fase. Por ello, el nivel de CD de la moduladora debe elegirse para que la señal nunca cruce V+/2, lo que equivale a mantener m < 1. En las mediciones de referencia la portadora generada fue de 791 kHz, dentro de la banda de AM comercial.

5.5 Demodulación: detector de envolvente

La demodulación convierte los cambios de la portadora en la información original. El método más simple es el detector de envolvente: un diodo (preferentemente Schottky o de germanio, por su baja caída) rectifica la señal AM y un filtro RC pasa bajas elimina la portadora conservando la envolvente. La señal resultante queda montada en CD, por lo que se agrega un pasa altas (capacitor de acople) para centrarla en cero antes del amplificador de audio de la Práctica 2.

La constante de tiempo debe cumplir dos condiciones: ser mucho mayor que el periodo de la portadora (para filtrarla) y lo bastante pequeña para seguir a la envolvente sin recorte diagonal:

1/f_c ≪ R·C ≪ 1/f_m R·C ≤ √(1 − m²) / (2π·f_m,max·m)

5.6 Receptor superheterodino

Los receptores comerciales no demodulan directamente la RF: un mezclador con un oscilador local traslada cualquier estación a una frecuencia intermedia fija (FI = 455 kHz en AM), donde filtros fijos de alta selectividad y amplificadores proporcionan la ganancia. El oscilador local se sintoniza en f_LO = f_RF + FI y la frecuencia imagen f_RF + 2·FI debe rechazarse antes del mezclador.

Práctica 4. Modulación y demodulación AM

Objetivo

Construir un transmisor AM que module una señal de voz sobre una portadora en la banda de AM comercial y un receptor que la demodule y la reproduzca en una bocina, transmitiendo primero por cable y después por aire a muy baja potencia.

Material y equipo

Procedimiento

Parte A – Señal moduladora

1. Arme el sumador con R1 = R2 = R3 = 10 kΩ. Aplique 2 Vpp a 1 kHz en V1 y 3 V de CD en V2.

2. Verifique con el osciloscopio en acoplamiento DC que la salida sea una senoidal de 2 Vpp centrada en −3 V. Agregue un inversor si necesita nivel positivo.

Parte B – Portadora y modulación

1. Arme el XR2206 con C = 1 nF y R ≈ 1.26 kΩ (ajustable). Sin moduladora, ajuste la portadora entre 600 y 1000 kHz evitando estaciones locales; registre f_c.

2. Conecte la moduladora a la pata 1. Observe la señal AM con base de tiempo de 200 µs/div.

3. Mida V_max y V_min de la envolvente y calcule m. Ajuste el nivel de la moduladora para m = 0.3, 0.5, 0.8 y 1.0.

4. Mida m con el método trapezoidal (modo X-Y) y compare.

5. Con la FFT, observe la portadora y las bandas laterales; mida su separación y la diferencia de nivel en dB. Compare con 20·log(m/2).

Parte C – Demodulador

1. Arme el detector con el diseño inicial (200 Ω, 1 nF) y capture la salida.

2. Sustituya por el diseño corregido (10 kΩ, 2.2 nF) y compare el rizo de portadora residual.

3. Agregue el pasa altas (0.22 µF, 47 kΩ) y verifique la señal centrada en cero.

Parte D – Enlace por cable y por aire

1. Conecte transmisor y receptor con un cable coaxial corto. Inyecte voz con el micrófono y el preamplificador; escuche en la bocina a través del amplificador de la P2.

2. Sustituya el cable por una antena de alambre de 30–50 cm en el transmisor y verifique la recepción con un radio AM comercial a menos de 1 m (potencia mínima).

3. Registre la distancia máxima de recepción inteligible.

Resultados de referencia

Cuestionario

1. Demuestre a partir de la ecuación de AM que aparecen tres componentes espectrales.

2. Calcule la potencia total y en bandas laterales para P_c = 5 W y m = 0.6.

3. ¿Qué sucede en el espectro cuando m > 1?

4. Diseñe el RC del detector para una portadora de 1 MHz, audio de 3 kHz y m = 0.8.

5. Explique por qué un receptor superheterodino es más selectivo que uno de detección directa.

Unidad 6Amplificadores de RF sintonizados

Objetivo. conocer el funcionamiento del amplificador sintonizado clase C, calcular su circuito tanque, factor Q, ancho de banda y eficiencia, y caracterizarlo en laboratorio.

6.1 Clases de amplificación

6.2 Circuito tanque, factor Q y ancho de banda

El amplificador de sintonización tiene en el colector un circuito tanque resonante LC sintonizado a la frecuencia de la señal de entrada. Cuando el factor de calidad Q es alto (Q > 10), la resonancia paralela ocurre en:

En resonancia la impedancia del tanque es máxima y resistiva, y el voltaje en la carga es máximo y senoidal. El ancho de banda depende del Q cargado:

6.3 Amplificador clase C

En el amplificador clase C la corriente de colector fluye durante menos de 180° del ciclo. La polarización se obtiene típicamente por auto-polarización: el capacitor de entrada y la unión base-emisor forman un circuito sujetador (clamper) que desplaza la base a un nivel de CD negativo ≈ −(V_p − 0.7 V), de modo que el transistor sólo conduce en los picos. La corriente de colector es una serie de pulsos estrechos, ricos en armónicas; el circuito tanque, por su efecto de volante (flywheel), restituye una senoidal completa a la frecuencia de resonancia. La excursión máxima de voltaje en el colector se aproxima a 2·V_CC pico a pico.

6.4 Eficiencia y ángulo de conducción

La eficiencia teórica de colector para un ángulo de conducción θ (en radianes) es:

Con θ = 2π se obtiene 50 % (clase A con carga inductiva), con θ = π 78.5 % (clase B) y al reducir θ la eficiencia tiende a 100 %, aunque la potencia de salida también disminuye. En la práctica se trabaja con θ entre 120° y 150°.

6.5 Multiplicadores de frecuencia

Como los pulsos de corriente contienen armónicas, si el tanque se sintoniza a n·f_in el circuito entrega la n-ésima armónica: es un multiplicador de frecuencia, muy usado en transmisores de VHF/UHF. La eficiencia disminuye con n (típico: doblador y triplicador).

Práctica 5. Amplificador de RF clase C

Objetivo

Construir y caracterizar un amplificador sintonizado clase C a 1 MHz: frecuencia de resonancia, ancho de banda, factor Q, ángulo de conducción y eficiencia de colector.

Diseño propuesto

Procedimiento

1. Mida L con el medidor LCR o con un circuito resonante auxiliar. Ajuste C para f_r = 1 MHz.

2. Arme el circuito sin señal y verifique que la corriente de colector en reposo sea prácticamente cero (transistor en corte).

3. Aplique 1 MHz, 3 Vpp. Mida el voltaje de CD en la base (debe ser negativo, ≈ −(V_p − 0.7 V)).

4. Observe simultáneamente v_RE (pulsos de corriente) y el voltaje de colector. Mida el ancho de los pulsos y calcule θ = 360°·t_on·f.

5. Ajuste el trimmer hasta obtener la máxima amplitud en la carga (sintonía).

6. Barra la frecuencia de 850 kHz a 1.15 MHz manteniendo la entrada constante; registre V_L. Determine f_c1, f_c2, B y Q = f_r/B.

7. Mida la corriente de CD de la fuente I_CC. Calcule P_CD = V_CC·I_CC, P_L = V_p²/(2R_L) y η = P_L/P_CD.

8. Varíe la amplitud de entrada (2, 3, 4 Vpp) y observe el efecto sobre θ y η.

9. Extensión: sintonice el tanque a 2 MHz (C ≈ 633 pF) y verifique la operación como doblador de frecuencia.

Solución de problemas

Cuestionario

1. ¿Por qué la corriente de colector del clase C es pulsante y aun así la salida es senoidal?

2. Calcule la eficiencia teórica para θ = 120°.

3. Con L = 10 µH, ¿qué C se requiere para sintonizar 1.5 MHz? ¿Y para la tercera armónica de 1 MHz?

4. ¿Por qué no se usa un clase C para amplificar una señal AM ya modulada?

5. Explique cómo se usa el amplificador de RF para rechazar la frecuencia imagen de un superheterodino.

Unidad 7Antenas y propagación

Objetivo. comprender los parámetros fundamentales de las antenas, diseñar y construir una antena Yagi-Uda para un canal de TV en UHF y evaluar su desempeño y el enlace de propagación.

7.1 Parámetros de una antena

Una antena es un conjunto de conductores que, conectado a un generador, permite la emisión de ondas de radiofrecuencia, o que, conectado a una impedancia, capta las ondas emitidas por una fuente lejana. Se le denomina transductor electromagnético: transforma voltaje y corriente en campo electromagnético al transmitir, y viceversa al recibir (principio de reciprocidad).

7.2 Dipolo y dipolo doblado

El dipolo de media onda es la antena de referencia. Su longitud física es ligeramente menor que λ/2 por el efecto de extremo (factor de acortamiento ≈ 0.95, depende del diámetro del conductor):

El dipolo doblado tiene un ancho de banda mayor y una impedancia cuatro veces la del dipolo simple (≈ 300 Ω), lo que facilita el uso de un balun 4:1 para conectar cable coaxial de 75 Ω.

7.3 Antena Yagi-Uda

La antena Yagi-Uda está formada por varios elementos paralelos y coplanares sobre un soporte (boom): un reflector (más largo que λ/2, detrás del elemento activo), el dipolo activo (alimentado) y uno o más directores (más cortos que λ/2, delante). Los directores dirigen el campo, el elemento activo lo radia y el reflector lo refleja. Es ampliamente utilizada para recepción de televisión. Sus ventajas son:

• Alta ganancia y buena eficiencia.

• Directividad (rechaza interferencias y multitrayectoria de otras direcciones).

• Respuesta de resonancia pronunciada (selectiva).

• Construcción sencilla y económica.

Reglas de diseño empíricas usadas en la práctica:

7.4 Líneas de transmisión, ROE y balun

Cuando la impedancia de la antena Z_L difiere de la de la línea Z₀, parte de la potencia se refleja. Se cuantifica con el coeficiente de reflexión Γ y la razón de onda estacionaria (ROE o VSWR):

El balun (balanced-unbalanced) conecta una antena balanceada (dipolo) con una línea desbalanceada (coaxial) y puede transformar impedancia (4:1 de 300 Ω a 75 Ω).

7.5 Propagación por línea de vista y ecuación de Friis

En UHF la propagación es esencialmente por línea de vista. El horizonte de radio, considerando la refracción atmosférica estándar (k = 4/3), es:

d(km) ≈ 4.12·(√h₁ + √h₂) (h en metros)

Práctica 6. Antena Yagi-Uda para el canal 32 de UHF

Objetivo

Diseñar y construir una antena Yagi-Uda de 5 elementos capaz de recibir el canal 32 de UHF (578–584 MHz) y evaluar su desempeño frente a una antena de referencia.

Cálculos de diseño

Frecuencias del canal (referencia analógica NTSC):

Material y equipo

Procedimiento

1. Verifique el canal RF activo y su frecuencia central; recalcule las dimensiones si es distinto de 32.

2. Corte los elementos con tolerancia de ±1 mm. Construya el dipolo activo como dipolo doblado (o dipolo simple con balun 1:1 si usa 75 Ω).

3. Monte los elementos en el boom con separación λ/8, perpendiculares y en el mismo plano. Si el boom es metálico, aísle los elementos o considere la corrección por boom.

4. Conecte balun, coaxial y receptor. Haga una búsqueda de canales.

5. Apunte la antena hacia el transmisor y registre la intensidad/calidad de señal reportada por el receptor.

6. Gire la antena en pasos de 30° (0° a 330°) y registre el nivel en cada posición para trazar el patrón de radiación experimental.

7. Repita la medición en la dirección óptima con la antena de referencia y calcule la ganancia relativa.

8. Repita a dos alturas distintas (p. ej. 1.5 m y 5 m) para evaluar el efecto de la línea de vista.

9. (Opcional) Con NanoVNA, mida S₁₁ y la ROE de 550 a 610 MHz; ajuste la longitud del dipolo para minimizar la ROE en 581 MHz.

Resultados de referencia

La antena recibió el canal 32. La principal limitación fue la falta de línea de vista: la antena debía elevarse a una altura considerable para mejorar la recepción, lo que coincide con el análisis de propagación de la sección 7.5.

Cuestionario

1. ¿Por qué el reflector es más largo y los directores más cortos que λ/2? Relacione con la reactancia inductiva/capacitiva de cada elemento.

2. Recalcule las dimensiones para el canal 21 (512–518 MHz).

3. Calcule la ROE si un dipolo doblado de 300 Ω se conecta directamente a coaxial de 75 Ω sin balun.

4. ¿Cuál es el horizonte de radio entre una torre de 150 m y una antena a 6 m?

5. Explique la diferencia entre canal virtual y canal físico en TV digital.

Proyecto integrador · enlace de audio AM de baja potencia

El proyecto integra los bloques de las seis prácticas en un sistema de comunicación completo. Se realiza en equipos de 3 a 4 personas a partir de la semana 9 y se presenta en la semana 16.

Especificaciones mínimas

Entregables

• Diagrama de bloques y esquemáticos completos con valores medidos.

• Presupuesto de ganancias (dB) de extremo a extremo.

• Mediciones: respuesta en frecuencia del audio, espectro de la señal AM, m, eficiencia de la etapa de RF.

• Análisis de causa raíz de al menos dos problemas encontrados y acciones correctivas.

• Video de demostración (≤ 3 min) y presentación de 10 minutos.

Anexo A. Formulario

Anexo B. Datos clave de componentes

Anexo C. Glosario español–inglés

Anexo D. Bibliografía y referencias

• Tomasi, W. Sistemas de comunicaciones electrónicas, 4ª ed. Pearson Educación.

• Frenzel, L. E. Principles of Electronic Communication Systems, 4th ed. McGraw-Hill.

• Boylestad, R. y Nashelsky, L. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson Educación.

• Malvino, A. y Bates, D. Principios de electrónica, 7ª ed. McGraw-Hill.

• Balanis, C. A. Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed. Wiley.

• ARRL. The ARRL Antenna Book. American Radio Relay League.

• Hojas de datos: LM358 (Texas Instruments), MAX038 (Maxim Integrated / Analog Devices), XR-2206 (Exar), AD9833 (Analog Devices), 2N3055/MJ2955 (onsemi), 2N2222A.

• Documento fuente: prácticas «COMUNICACIONES» (Filtros pasivos, Amplificadores, Osciladores, Modulación y demodulación, Amplificador de RF, Antenas), marco.zazueta.20m.com.