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Analógica III
Facilitador:
Ing. Josue Serrano
Exposición:
Amplificadores sintonizados
Presenta_:
-Martínez Rivera Hermes [email protected]
-Abraham Duarte Contreras [email protected]>
Tijuana B.C a 01 de Marzo del 2013
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AMPLIFICADOR SINTONIZADO
-Características del amplificador sintonizado-
Los amplificadores sintonizados contienen circuitos resonantes en el circuito de
entrada, en el circuito de salida, o en ambos. Se usan para amplificar señales de
banda estrecha (es decir, señales cuyas componentes pertenecen a una estrecha
banda de frecuencias), mientras que rechazan las señales de las bandas de
frecuencia adyacentes. Por ejemplo, los receptores de radio y televisión utilizan
amplificadores sintonizados para seleccionar una señal de entre las varias que
llegan al receptor a través de la antena.
Un amplificador sintonizado es diseñado para anchos de banda específico. El
ancho de banda ideal tendría en todas las frecuencias por debajo de la frecuencia
de corte inferior (fC1) y por encima de la frecuencia de corte superior (fC2) una
ganancia cero. Las curvas de respuesta ideal y práctico para un tipo de
amplificador sintonizado se muestran en la figura 1. Note que la ganancia del
circuito disminuye en un rango de frecuencias. Tenga en cuenta que:
El rango de frecuencias entre fC1 y fC2 se refiere para un amplificador
pasa banda.
El rango de frecuencias que están por debajo de la frecuencia de corte
baja y las que se encuentran por encima de la frecuencia de corte superior
son rechazadas.
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Figura 1.Curva de respuesta Ideal vs curva de respuesta práctica del pasa-bandas.
Lo cerca que un amplificador sintonizado pueda estar a tener las características de un
circuito ideal depende de la calidad (Q) del circuito.
Las características de un amplificador sintonizado ideal están en función del factor Q
Esto sirve para ver lo selectivos que son, es decir, para ver el ancho de banda. En
principio, un filtro con menor ancho de banda (mayor Q), será mejor que otro con más
ancho. También, como se puede deducir de la ecuación 1, es más difícil hacer filtros de
calidad (porque requieren una Q mayor) a alta frecuencia que a baja frecuencia.
(1)
Donde:
Q: factor de calidad
F0: frecuencia central
BW: Ancho de banda
La ecuación 1 implica que Q depende de los valores de los componentes del circuito
para la frecuencia central y el ancho de banda.
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En la figura 2 se muestra dos curvas con diferentes factores de calidad Q, la curva en azul
que la denominaremos “a” presenta un mayor factor de calidad que la curva “b” ( color
rojo). Esto debido a los diferentes valores de los componentes del circuito.
Figura 2. Banda Ancha vs Factor de caida
Recuérdese que “f0” es la media geométrica de fC1 y fC2, y se describe en la
ecuación 2.
(2)
Si la Q de un amplificador sintonizado es mayor o igual a 2, entonces f0 se acerca
a la media algebraica de fC1 y fC2,. La ecuación f.ave ( frecuencia promedio) se
presenta en (3):
(3)
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Los amplificadores sintonizados pueden construirse de componentes discretos
(FETs y BJT) o amplificadores operacionales. Los Amplificadores sintonizados
discretos normalmente emplean circuitos (inductivos capacitivos) LC para
determinar la respuesta de frecuencia. Los Amplificadores operacionales
normalmente se ajustan con Circuitos RC (resistivos capacitivos).
Filtros activos
Los circuitos de sintonía con op-amp se refieren generalmente como filtros
activos. Hay cuatro tipos básicos de filtros activos:
Un filtro pasa-bajas, deja pasar todas las frecuencias por debajo de su
frecuencia de corte (fC).
Un filtro pasa-altas, deja pasar todas las frecuencias por encima de su
frecuencia de corte (fC).
Un filtro pasa-bandas pasa todas las frecuencias entre sus frecuencias de
corte superiores e inferiores (fC1 y fC2).
Un filtro Suprime banda (o muesca) bloquea todas las frecuencias entre sus
frecuencias de corte superiores e inferiores (fC1 y fC2).
Los conceptos de f0, BW y Q se asocian principalmente con filtros pasabanda y
muesca. Filtros de pasa-altas y pasa-bajas se describen usando solamente una
frecuencia de corte . Las curvas de respuesta de frecuencia de los cuatro tipos de
filtro se muestran en la figura 3.
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Figura 3. Curvas de respuesta de frecuencia del filtro activo.
Un filtro activo tiene uno o más circuitos RC. Cada circuito RC se conoce como un
polo. Así, un filtro de un polo contiene un circuito RC, un filtro de dos polos
contiene dos circuitos RC y así sucesivamente. La orden de un filtro activo indica
el número de polos que contiene.
El número de polos en un filtro determina el factor de caída. Un filtro activo tiene
un factor de caída de 20 dB/década por polo. Esto es ilustrado por la tabla que se
muestra a continuación:
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Tipo de filtro # de Polos Factor de atenuación
1er orden 1 20 dB por decada
2do orden 2 40 dB por decada
3er orden 3 60 dB por decada
Los Filtros Chebyshev y Bessel son diseños de filtro activo común. El filtro
Butterworth se refiere a una respuesta de plano máximo o plano-plano. Estos
nombres se refieren al hecho de que Av(dB) es relativamente constante a través
del ancho de banda .La Respuesta de frecuencia del Butterworth se ilustra en la
figura 4.
Figura 4. Curvas de respuesta para el filtro Butterworth
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Con los filtros de Chebyshev se consigue una caída de la respuesta enfrecuencia
más pronunciada en frecuencias bajas debido a que permiten rizadoen alguna de
sus bandas (paso o rechazo). A diferencia del Filtro deButterworth donde los polos
se distribuyen sobre una circunferencia, los polosdel filtro Chebyshev lo hacen
sobre una elipse; sus ceros se encuentran en el eje imaginario.Se conocen dos
tipos de filtros Chebyshev, dependiendo del rizado en algunabanda determinada
El filtro de Chebyshev difiere al Butterworth en dos importantes sentidos.
La ganancia no es constante en toda la banda de paso.
El Chebyshev tiene un factor de atenuación inicial mayor para las
frecuencias que se encuentran por debajo y encima del ancho de banda.
Sin embargo, como frecuencia de operación se mueve más lejos fuera de la
banda de paso.
Figura 5. flitro Chebyshev vs filtro butterwort
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El filtro de Bessel está diseñado para proporcionar un desplazamiento de fase
constante a través de su banda. Como resultado, tiene una mayor fidelidad
(capacidad para reproducir con precisión una forma de onda) que los filtros
Butterworth o Chebyshev. Su principal desventaja es su tasa de roll-off inicial
inferior. De estos tres filtros, el Butterworth es el más comúnmente utilizado.
La Figura 6 ilustra la respuesta de frecuencia de un filtro de Chebyshev y lo
compara con un Butterworth y Bessel. Tenga en cuenta la ondulación en la banda
de paso del filtro de Chebyshev.
Figura 6. Grafica comparativa de los filtros butterwort, chebyshe y Bessel.
Filtros pasa-bajo y pasa-alto
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Dos filtros de Butterworth unipolar low-pass se muestran en la figura 7. El circuito
RC en la entrada a cada circuito determina la frecuencia de corte de circuito como
sigue (4):
(4)
Figura 7. Filtros activos de unipolar low-pass
Filtro de paso bajo de Sallen-Key. Un filtro de paso bajo de Sallen-Key (bautizado por sus
desarrolladores) se muestra en la figura 8. El filtro contiene dos polos (circuitos RC). Por
lo tanto, su tasa de roll-off final es 40 dB por década. La frecuencia de corte del circuito se
encuentra como sigue.
(5)
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El circuito en la figura 8 produce una curva de respuesta de Butterworth cuando la
ganancia de voltaje (ACL) es 1.586 (4 dB). Si ACL > 4 dB, el circuito tenderá a producir
una curva de respuesta de Chebyshev. Si ACL < 4 dB, el circuito tenderá hacia una curva
de respuesta de Bessel.
Figura 8. Filtro pasa-bajas Sallen-Key
El factor de amortiguación para un filtro activo determinado es una medida de su
inmunidad a las variaciones de ganancia cuando opera cerca de su frecuencia de
corte (fC). Filtros Chebyshev (que experimentan variaciones significativas en
ganancia cuando opera cerca de fC) tienen bajos factores de amortiguamiento.
Los Filtros de Bessel (que tienen bajas tasas iniciales roll-off) tienen altos factores
de amortiguamiento. El factor de amortiguación para un determinado filtro de
Sallen-Key es una función de su red de retroalimentación y puede encontrarse
como se muestra en (6).
(6)
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Para proporcionar una curva de respuesta de Butterworth, el filtro de Sallen-Key
debe tener un factor de amortiguación de 1.414. La amortiguación de los factores
resultan en Chebyshev y curvas de respuesta de Bessel hijo 0.767 y 1.732,
respectivamente.
Un filtro activo de tres polos puede ser construido en cascada usando un filtro de
un polo con un filtro de dos, como se muestra en la figura 17,17 del texto.
Filtros activo pasa alto
Filtros de paso alto difieren de los filtros de paso bajo sobre todo en la manera se
configuran los circuitos RC. Dos filtros de paso alto activo se muestran en la figura
9 . Se calculan las frecuencias de corte de circuito como se muestra en la figura.
Figura 9. Typical high-pass active filters.
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Para mantener las características de respuesta Butterworth, filtros de paso alto y
paso bajo tanto deben cumplir requisitos de ganancia específica. Estos requisitos
se resumen en la tabla 1 del texto. Cualquiera de los filtros multietapas indicados
en la tabla puede construirse mediante el número apropiado de etapas en cascada
de dos polos.
PASO DE BANDA Y FILTROS NOTCH
Filtro pasa-bandas
Filtros Band-pass están diseñados para pasar todas las frecuencias dentro de sus
anchos de banda. Una forma común de construir un filtro paso banda es en
cascada de un filtro de paso bajo con un filtro de paso alto, como se muestra en la
figura 10. El filtro de paso bajo determina el valor de fC2, y el filtro de paso alto
determina el valor de fC1.
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Figura 10. filtro de dos etapas band-pass.
Una vez el límite superior e inferior están determinadas frecuencias, otros valores
de circuito pueden calcularse como sigue:
(7)
(8)
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(9)
La desventaja obvia de este circuito es que requiere dos amplificadores
operacionales y un gran número de resistencias y condensadores.
El filtro de paso de banda de respuesta múltiple recibe su nombre del hecho de
que tiene dos redes de retroalimentación negativa, como se muestra en la figura
11 .
Figura 11. A multiple-feedback band-pass filter.
La frecuencia de centro geométrico de un filtro pasa-banda de retroalimentación
múltiple puede calcularse utilizando
(10)
Filtros notch
Un filtro de muesca bloquea todas las frecuencias dentro de su ancho de banda.
Como fue el caso con el filtro band-pass, un filtro de muesca puede construirse
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como un filtro gradual o como un filtro de respuesta múltiple. La Figura 12 muestra
un diagrama de bloques de un filtro de muesca gradual y su curva de respuesta de
frecuencia. Como puede ver, el filtro de paso bajo determina fC1 y el filtro de paso
alto determina fC2. La brecha entre las dos frecuencias de corte es el ancho de
banda del filtro. Tenga en cuenta que FC1 debe ser inferior a fC2 para el circuito
tener una curva de respuesta de la muesca.
Figura 12.Diagrama a bloques de un filtro multi-etapa notch y curva de respuesta.
Como puedes ver, requiere de muchos componentes. Como fue el caso con el
filtro pasa-banda, el filtro de muesca múltiple de respuesta es más simple
construir.
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Las funciones de filtro de muesca de retroalimentación múltiple al igual que su
homólogo de paso de banda, pero con algunas diferencias. Brevemente, podemos
calcular el valor de f0 usando:
(11)
También cabe señalar que 1 ACL fuera de la banda parada
Dos aplicaciones de filtro activo
1) Una red de cruce es un circuito que divide una señal de audiofrecuencia en
componentes de alta y baja frecuencia. Las frecuencias altas van a un
altavoz de agudos y los graves van a un woofer. La Figura 13 muestra un
diagrama de bloques que ilustra cómo una red de cruce podría utilizarse en
un sistema de audio.
Figura 13. Divisor en un sistema de audio.
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2) Un ecualizador gráfico es un sistema que está diseñado para permitirle
controlar la amplitud de diversas gamas de audiofrecuencia. Un ecualizador
gráfico simple puede construirse como se muestra en la figura 14. Aunque
este circuito sólo utiliza tres filtros de pasa banda, se pueden usar más
filtros para aumentar la sofisticación del sistema. La ganancia de cada filtro
pasa-banda aumenta o atenúa la señal dentro de su gama de frecuencias.
El componente final es el amplificador sumador que combina las señales de
los varios filtros pasa banda.
Figura 14.Equalizador Grafico simple.
Referencias
1) http://wps.prenhall.com/chet_paynter_introduct_7/30/7755/1985444.cw/-/1985447/index.html
2) http://wps.prenhall.com/chet_paynter_introduct_6/6/1665/426298.cw/index.html
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