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A veces nos encontramos en la necesidad de medir señales de muy, muy bajo voltaje, del orden de nanovoltios o incluso más pequeñas. Podríamos pensar que no debería ser un problema y dar por sentado que tales señales pueden amplificarse utilizando una cadena tradicional de amplificadores operacionales.
Bueno, estaríamos equivocados. Porque nos olvidamos del ruido.
Si se amplifica una señal, entonces el ruido acompañante. Por lo tanto, incluso si amplificamos la señal deseada, no podremos distinguirla del ruido de fondo.
En este tipo de situación, la solución es un amplificador de bloqueo. Este artículo presenta la teoría en la que se basan, así como sus características principales.

Amplificadores de bloqueo y ruido

Imagine que desea medir una onda sinusoidal de 50 nV a 100 KHz. La frecuencia no es muy alta, por lo que los instrumentos normales, como un osciloscopio o un multímetro, tienen suficiente ancho de banda. Por otro lado, la amplitud es bastante baja, por lo que, por supuesto, se necesita algo de amplificación.
Aquí, podemos usar un amplificador de bajo ruido (LNA) como el AD8429, que tiene un ruido de entrada de 2 (nV / sqrt {Hz} ) y un ancho de banda de 1.2 MHz con una ganancia de 100. Señal y ruido en la salida serán respectivamente:

(s_ {out} = s_ {in} * G = 50nV * 100 = 5 mu V )
(n_ {out} = n_ {in} * G = 2 frac {nV} { sqrt {Hz}} * sqrt {1.2 * 10 ^ 6Hz} * 100 = 219.089 mu V )

El ruido es varias veces mayor que la señal, lo que hace imposible medir adecuadamente la señal, incluso utilizando un amplificador con buenas características de ruido. Incluso si agregamos un filtro de alta Q antes de amplificar, lo que puede ser difícil de lograr, el ruido sigue siendo demasiado alto para recuperar la señal del ruido de fondo.
Necesitamos una nueva solución, y su nombre es amplificador de bloqueo.

¿Qué es un receptor homodyne?

Antes de entrar en detalles, recordemos un concepto relativamente antiguo.
Cuando una señal se envía a través de una antena, normalmente nunca se envía en su banda base, sino que se modula utilizando una señal portadora. Esta portadora o señal de referencia puede ser de algunos KHz a varios MHz, dependiendo de la tecnología disponible, el consumo de energía y el costo.
Un receptor homodino (y transmisor) usa solo una frecuencia para subir y bajar la señal, a diferencia de un heterodino, que usa una frecuencia intermedia.
Un receptor homodino básico tiene el siguiente aspecto:

Figura 1. Esquema de un receptor homodino

La señal recibida se filtra primero usando un filtro de paso de banda y luego un amplificador con un amplificador de bajo ruido (LNA). Un oscilador local genera una señal de referencia con una frecuencia fo. Esta señal se desplaza 90º para que se genere la señal de cuadratura.
Este receptor también se conoce como un demodulador I / Q porque utiliza los componentes I ( (sin omega _ot )) y Q ( (cos omega _ot )).
En la etapa final, cada componente se filtra con un filtro de paso bajo.
Tenga en cuenta este concepto, ya que lo usaremos para comprender los amplificadores de bloqueo.

Dominios de tiempo frente a frecuencia: mirando a ambos mundos

Si la señal (s (t) = A cos ( omega_st) ), se envía usando un transmisor homodino, se multiplica de la misma manera que se hará en el receptor por la señal de referencia, de la siguiente manera:

(s (t) * s_c (t) = ( omega_st + phi_1 * cos ( omega_ct + phi_2) = frac {A} {2} (cos (( omega_s + omega_ct + phi_1 + phi_2) + cos ( ( omega_c- omega_s) t + phi_2- phi_1))) )

Por lo tanto, multiplicar dos señales genera dos nuevas que se desplazan, respectivamente, a la frecuencia ( omega_c + omega_s ) y ( omega_c – omega_s ).
Podemos observar gráficamente el resultado en los dominios de tiempo y frecuencia:

Figura 2. s (t) suele ser una señal de baja frecuencia

Figura 3. sc (t) es una señal de alta frecuencia generada con precisión

Figura 4. La combinación del componente lento (envolvente) y el componente rápido (modulado) se puede observar claramente en el resultado.

Figura 5. Las señales sinusoidales son tonos puros en los dominios de frecuencia.

Figura 6 La frecuencia de una señal se puede aumentar o disminuir con una simple operación

Uno de los aspectos más relevantes es que la información de fase se convierte en una función de ( phi_1 ). Por lo tanto, la calidad de la fase en la señal de referencia determinará la calidad de la señal recuperada.

Principios de amplificador de bloqueo

Un amplificador básico de bloqueo se muestra en la Figura 7.

Figura 7 Un amplificador básico de bloqueo. Imagen utilizada por cortesía de Signal Recovery

¿Te parece familiar?
Es muy similar a un receptor homodyne, con algunas diferencias sutiles. El corazón del sistema es el cambiador de fase y el multiplicador. Esta configuración garantiza que la señal en la salida sea coherente con la que queremos medir y que ninguna otra señal interfiera con ella.

Detección sensible a la fase (PSD)
El bloque multiplicador también se conoce como mezclador o detector sensible a la fase. Esto se debe a que la señal de salida depende de la diferencia de fase entre la señal de referencia y la medida.
En una situación regular, la frecuencia de la señal de referencia será la misma que la medida, es decir, ( omega_s = omega_c ), al multiplicar ambas. El resultado será:

(s (t) * s_ct = frac {A} {2} (cos ((2 omega_s) t + phi_1 + phi_2) + cos ( phi_2- phi_1))) )

El resultado es una combinación de dos términos:
Una señal de alta frecuencia en (2f_s ) que se filtrará y segundo
Una señal de CC ( frac {A} {2} cos : cos ( phi_2 + phi_1) ) proporcional al cambio de fase entre la señal de referencia y la deseada
Por lo tanto, un amplificador de bloqueo siempre producirá un continuo señal.

Reserva dinámica: ¿Qué tan pequeña puede ser mi señal?
"Reserva dinámica" es un término utilizado en amplificadores de bloqueo para definir su capacidad de recuperar la señal de un nivel de ruido determinado. Su definición regular es la relación entre la señal de ruido tolerable más grande y la señal de escala completa.
La reserva dinámica generalmente se expresa en una escala logarítmica (dB). Por ejemplo, una reserva dinámica de 120 dB en una escala completa de 1 µV significa que el ruido puede ser tan grande como 1 V sin saturar la cadena de amplificación.
Es importante tener en cuenta que la reserva dinámica depende de la escala completa seleccionada; de lo contrario, un amplificador de bloqueo tendría que poder medir señales de entrada enormes al seleccionar grandes valores de escala completa.

Revisión básica del amplificador de bloqueo

Espero que este artículo le haya ayudado a comprender mejor los amplificadores de bloqueo y sus usos. Podemos resumir nuestros hallazgos en los siguientes puntos:
Los amplificadores de bloqueo, que se basan en el concepto de transceptores homodinos, pueden ser la única solución cuando se miden voltajes muy bajos en presencia de mucho ruido.
Los amplificadores de bloqueo siempre proporcionan una señal continua proporcional al cambio de fase entre la señal medida y la de referencia.
La calidad de la señal de referencia determina el éxito de la detección de la señal.