Tema 3: Circuitos
3.1 Combinación de componentes
Resistencias en serie
Resistencias en paralelo
Para dos resistencias: Rtotal = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)
Condensadores en serie
(Fórmula inversa a resistencias)
Condensadores en paralelo
Bobinas en serie (sin acoplamiento mutuo)
Bobinas en paralelo (sin acoplamiento mutuo)
Impedancia
X = XL - XC (reactancia neta)
Comportamiento a altas frecuencias
- Resistencias: presentan inductancia parásita (terminales) y capacidad parásita
- Condensadores: presentan inductancia en serie (ESL) y resistencia (ESR)
- Bobinas: presentan capacidad parásita entre espiras, autorresonancia
3.2 Filtros
Circuitos sintonizados
Circuito LC serie (resonancia serie)
A la frecuencia de resonancia, la impedancia es mínima (solo R).
Circuito LC paralelo (resonancia paralela)
A la frecuencia de resonancia, la impedancia es máxima.
Factor de calidad Q
Q alto → banda estrecha, mayor selectividad.
Ancho de banda
Tipos de filtros
| Tipo | Función | Aplicación |
|---|---|---|
| Paso bajo | Deja pasar frecuencias bajas, atenúa altas | Eliminar armónicos, audio |
| Paso alto | Deja pasar frecuencias altas, atenúa bajas | Eliminar DC, zumbido |
| Paso banda | Deja pasar un rango de frecuencias | Selectividad en receptores |
| Rechazo de banda (notch) | Atenúa un rango específico | Eliminar interferencias |
Filtros en Pi y en T
- Filtro en Pi (π): Dos condensadores en paralelo con bobina en serie. Común en salida de transmisores.
- Filtro en T: Dos bobinas en serie con condensador en paralelo.
Filtros de cuarzo
Cristales de cuarzo como elementos resonantes. Q extremadamente alto (10.000-100.000). Usados para filtros de FI en receptores SSB/CW.
Filtros digitales
Implementados mediante DSP:
- FIR (Finite Impulse Response): Respuesta finita, fase lineal, estables
- IIR (Infinite Impulse Response): Respuesta infinita, más eficientes, pueden ser inestables
3.3 Fuentes de alimentación
Rectificadores
| Tipo | Descripción | Rizado |
|---|---|---|
| Media onda | Un diodo, usa solo semiciclo positivo | Alto (frecuencia = f red) |
| Onda completa (toma central) | Dos diodos, transformador con toma central | Menor (f = 2× f red) |
| Puente de diodos | Cuatro diodos, usa ambos semiciclos | Menor (f = 2× f red) |
Filtrado
Condensadores electrolíticos de gran capacidad para reducir el rizado. A veces combinados con bobinas (filtro LC).
Estabilización (regulación)
- Zener: Regulación simple, baja potencia
- Reguladores integrados: 78xx (positivo), 79xx (negativo). Ejemplo: 7812 = +12V
- Reguladores ajustables: LM317, LM337
Fuentes conmutadas (switching)
Convierten DC a alta frecuencia, transforman y rectifican. Ventajas: alta eficiencia, menor tamaño/peso.
- Consideraciones
-
Aislamiento: Transformador de alta frecuencia proporciona aislamiento galvánico.
EMC: Generan ruido RF, requieren filtrado y apantallamiento adecuados.
3.4 Amplificadores
Ganancia
Ganancia de potencia: Ap = Psalida / Pentrada
En dB: G(dB) = 10 log(Pout/Pin) = 20 log(Vout/Vin)
Respuesta en frecuencia y ancho de banda
Rango de frecuencias donde la ganancia se mantiene dentro de -3dB del valor máximo.
Clases de amplificadores
| Clase | Ángulo de conducción | Rendimiento | Distorsión | Uso |
|---|---|---|---|---|
| A | 360° | ~25-50% | Baja | Audio, pequeña señal |
| AB | 180°-360° | ~50-70% | Media | Audio potencia |
| B | 180° | ~70% | Alta (cruce) | Push-pull audio |
| C | <180° | ~80% | Alta | RF potencia (sintonizado) |
Distorsión
- Distorsión armónica
- Generación de armónicos de la señal de entrada. Se especifica como THD (Total Harmonic Distortion).
- Distorsión por intermodulación (IMD)
- Con dos o más señales de entrada, aparecen productos en frecuencias suma y diferencia. Crítica en transmisores y receptores.
Sobrecarga de etapas
Cuando la señal excede el rango lineal del amplificador, se produce recorte (clipping) y distorsión severa. En transmisores causa splatter (interferencia a canales adyacentes).
3.5 Detectores/Demoduladores
Detectores de AM
- Detector de envolvente: Diodo + RC. Simple, para AM convencional (A3E).
- Detector de producto: Mezclador con oscilador local. Para SSB y CW.
Oscilador de batido (BFO)
Oscilador local necesario para demodular CW y SSB. Genera la portadora que falta.
Demoduladores de FM
- Detector de pendiente: Usa la pendiente de un circuito sintonizado descentrado.
- Discriminador (Foster-Seeley): Dos circuitos sintonizados, mejor linealidad.
- Detector de relación (ratio detector): Insensible a variaciones de amplitud.
- PLL: Detector moderno, muy lineal.
3.6 Osciladores
Condiciones de oscilación (Barkhausen)
- Ganancia del lazo ≥ 1 (|Aβ| ≥ 1)
- Desfase total del lazo = 0° (o múltiplo de 360°)
Realimentación
- Oscilación intencionada: Realimentación positiva controlada para generar señal.
- Oscilación no intencionada: Realimentación parásita en amplificadores. Causa inestabilidad.
Factores que afectan la frecuencia
- Valores de L y C del circuito resonante
- Capacidades parásitas
- Temperatura (afecta a componentes)
- Tensión de alimentación
- Carga
Osciladores LC
- Hartley: Bobina con toma central
- Colpitts: Divisor capacitivo
- Clapp: Variante de Colpitts, mejor estabilidad
Osciladores a cristal
Cristal de cuarzo como elemento resonante. Muy alta estabilidad (partes por millón).
- Oscilador de sobretonos (overtone)
- Usa armónicos mecánicos del cristal para frecuencias más altas (3º, 5º, 7º sobretono).
VCO (Voltage Controlled Oscillator)
Oscilador cuya frecuencia varía con una tensión de control. Usa varicap. Fundamental en sintetizadores PLL.
Ruido de fase
Fluctuaciones aleatorias de la fase/frecuencia del oscilador. Importante en sistemas de comunicaciones. Aparece como "faldas" alrededor de la portadora en el analizador de espectros.
3.7 Sintetizadores de frecuencia (PLL)
Lazo de enganche de fase (PLL)
Sistema realimentado que sincroniza un VCO con una referencia estable.
Componentes del PLL
- Detector de fase: Compara fase del VCO con la referencia
- Filtro de lazo: Filtra el error, determina respuesta del sistema
- VCO: Genera la frecuencia de salida
- Divisor programable: Divide la frecuencia del VCO por N
Funcionamiento
Cambiando N (divisor programable) se obtienen diferentes frecuencias de salida, todas con la estabilidad de la referencia (cristal).
Aplicaciones
- Sintetizadores de frecuencia en transceivers
- Demoduladores FM
- Recuperación de reloj en sistemas digitales
3.8 Circuitos con procesadores digitales de señal (DSP)
Filtros digitales
- IIR: Eficientes, pueden emular filtros analógicos clásicos
- FIR: Fase lineal, siempre estables, más predecibles
Síntesis digital directa (DDS)
Genera formas de onda mediante tabla de valores y conversor D/A. Permite cambios de frecuencia instantáneos, muy baja fase de ruido.
Otros circuitos DSP
- Moduladores y demoduladores digitales
- Reducción de ruido
- Cancelación de interferencias
- Ecualización automática