Generación de ondas portadoras de FM

Q2 y el circuito que lo rodea forman un oscilador Colpitts . Esto hace uso del hecho de que un transistor en la configuración de base común puede tener una ganancia de voltaje desde el emisor hasta el colector. Considere este circuito simple:

Cuando IN está polarizado de modo que OUT está cerca de la mitad de su rango, los pequeños cambios de voltaje en IN provocan grandes cambios de voltaje en OUT. La ganancia es en parte proporcional a R1. Cuanto mayor sea R1, mayor será el cambio de voltaje resultante de un pequeño cambio de corriente. Tenga en cuenta también que se conserva la polaridad. Cuando IN baja un poco, OUT baja mucho.

Un oscilador Colpitts aprovecha esta ganancia superior a la unidad de un amplificador de base común. En lugar de que la carga sea R1, se utiliza un circuito de tanque resonante en paralelo. Un tanque resonante paralelo tiene baja impedancia excepto en el punto resonante, en el que tiene una impedancia infinita en teoría. Dado que la ganancia del amplificador depende de la impedancia ligada al colector, tendrá mucha ganancia en la frecuencia resonante, pero esa ganancia caerá rápidamente por debajo de 1 fuera de una banda estrecha alrededor de esa frecuencia.

Hasta ahora, eso explica Q2, C4 y L1. C5 alimenta un poco del voltaje de salida del amplificador de base común de OUT a IN. Dado que la ganancia en el punto resonante es mayor que uno, esto hace que el sistema oscile. Parte del cambio en OUT aparece en IN, que luego se amplifica para hacer un cambio mayor en OUT, que se retroalimenta a IN, etc.

Ahora puedo oírte pensar, pero la base de Q2 no está vinculada a un voltaje fijo como en el ejemplo anterior . Lo que mostré arriba funciona en DC, y usé DC para explicarlo porque es más fácil de entender. En su circuito, debe pensar en lo que sucede en CA, particularmente en la frecuencia oscilante. A esa frecuencia, C3 es un corto. Dado que está vinculado a un voltaje fijo, la base de Q2 se mantiene esencialmente a un voltaje fijo desde el punto de vista de la frecuencia de oscilación . Tenga en cuenta que a 100 MHz (en el medio de la banda FM comercial), la impedancia de C2 es de solo 160 mΩ, que es la impedancia con la que se mantiene constante la base de Q2.

R6 y R7 para una red de polarización de CC cruda para mantener Q2 lo suficientemente cerca de la mitad de su rango operativo para que todo lo anterior sea válido. No es particularmente inteligente o robusto, pero probablemente funcionará con la elección correcta de Q2. Tenga en cuenta que las impedancias de R6 y R7 son órdenes de magnitud más altas que la impedancia de C3 en la frecuencia de oscilación. No les importan las oscilaciones en absoluto.

El resto del circuito es solo un amplificador ordinario y no particularmente inteligente o robusto para la señal del micrófono. R1 polariza el (presumiblemente) micrófono electret. C1 acopla la señal del micrófono al amplificador Q1 mientras bloquea la CC. Eso permite que los puntos de polarización de CC del micrófono y Q1 sean independientes y no interfieran entre sí. Dado que incluso el audio de alta fidelidad solo baja a 20 Hz, podemos hacer lo que queramos con el punto de CC. R2, R3 y R5 forman una red de polarización cruda que trabaja contra la carga de R4. El resultado es que la señal del micrófono se amplifica y el resultado aparece en el colector de Q1.

C2 luego acopla esta señal de audio al oscilador. Dado que las frecuencias de audio son mucho más bajas que la frecuencia oscilante, la señal de audio que pasa a través de C2 perturba un poco el punto de polarización de Q2. Esto cambia ligeramente la impedancia de conducción vista por el tanque, lo que cambia ligeramente la frecuencia de resonancia a la que funciona el oscilador.

En ese esquema, Q1 es un amplificador de audio de clase A con una ganancia de aproximadamente 50-100. Se utiliza para controlar la etapa del oscilador. Nunca se me ha dado muy bien reconocer los tipos de osciladores [resulta que Q2 es un oscilador Colpitts] con C4/L1 a ~110 MHz. Si mi memoria no me falla, C5 aumenta el efecto Miller para llevar a Q2 a un estado inestable y autooscilante.

EDITAR : vea la respuesta de Kevin White sobre cómo funciona la modulación en este circuito.

Q2 está configurado como lo que se conoce como un oscilador Colpitts. C5 alimenta la señal del colector al emisor. Un componente importante en el oscilador de Colpitt es un segundo capacitor que no existe como componente físico y es la capacitancia de emisor a base de Q2.

Como menciona, el tanque LC forma un circuito resonante a la frecuencia de transmisión.

Sin embargo, para hacer un oscilador se necesita algo más que un circuito resonante, se necesita un amplificador para compensar las pérdidas debidas a la resistencia del inductor y al hecho de que parte de la potencia se irradia.

El transistor Q2 forma un amplificador al llevar parte de la señal a través de C5 al emisor, una versión amplificada de la señal aparece en el colector y regresa al tanque LC. Luego, esta señal se retroalimenta al emisor para que se amplifique aún más, y así sucesivamente.

Esto se llama retroalimentación positiva y la señal continuará aumentando hasta que sea limitada por algo como alcanzar la amplitud del riel de potencia o la no linealidad en Q2 que limita la amplitud. Solo necesita una señal infinitesimal para comenzar a funcionar y las oscilaciones se acumularán rápidamente.

¿Cómo empiezan las cosas? Como dice Martin, puede comenzar por la perturbación causada cuando se enciende la energía, pero eso no es necesario. Cualquier circuito electrónico práctico genera lo que se denomina ruido (el silbido de fondo del audio, por ejemplo). Incluso si esto es solo unas pocas millonésimas de voltio, se acumulará como lo describí en el párrafo anterior.

¿Qué hace Q1?

Q1 amplifica la señal del micrófono a un nivel de 10 o 100 de milivoltios que se alimenta al oscilador Q2. Aunque dije que la frecuencia de oscilación está determinada por el tanque LC, también se ve afectada por las características del transistor Q2. A medida que el voltaje de entrada de Q1 se alimenta a Q2, cambia ligeramente sus características y variará la frecuencia de la oscilación que causa FM.

También variará la amplitud de la oscilación y provocará modulación de amplitud (AM), pero un receptor de FM lo ignorará.

Con respecto a la puesta en marcha del circuito del oscilador, sospecho que C3 es la parte importante. En el primer momento, mientras se aplica energía, C3 es básicamente un cortocircuito y enciende Q2. Esto proporciona energía para la oscilación inicial. C5 luego proporciona retroalimentación positiva para sostener la oscilación.