ELECTRÓNICA RÁPIDA MEDIDAS EM CIRCUITOS DE MICROONDAS 3º TRABALHO DE LABORATÓRIO 2º SEMESTRE 2012/2013 PEDRO VITOR

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Ísis Márcia da Conceição Camilo
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1 ELECTRÓNICA RÁPIDA 3º TRABALHO DE LABORATÓRIO MEDIDAS EM CIRCUITOS DE MICROONDAS 2º SEMESTRE 2012/2013 PEDRO VITOR MAIO 2013

$Os circuitos objecto das medidas são: Amplificador 1.5GHz Amplificador de sinais fracos para 1.5GHz utilizando um transístor bipolar planar de silício; Filtro 1.5GHz Filtro passa-baixo até 1.$

2 1. Objectivos Pretende-se neste trabalho a realização de medidas em laboratório de um conjunto de circuitos de microondas e o confronto entre os resultados teóricos e os resultados experimentais. Os circuitos objecto das medidas são: Amplificador 1.5GHz Amplificador de sinais fracos para 1.5GHz utilizando um transístor bipolar planar de silício; Filtro 1.5GHz Filtro passa-baixo até 1.5GHz, baseado em linhas e stubs em circuito aberto; Oscilador 900MHz Oscilador de máxima instabilidade para a frequência de 900MHz. 2. Placa para ensaio laboratorial Para o ensaio laboratorial será utilizada uma placa que contém os três circuitos em análise, cuja parte superior representa-se na figura 1, onde cada placa foi numerada. Figura 1 Parte superior da placa. 2

3 A figura Fig. 2 representa a placa de circuito impresso com o desenho dos três circuitos à escala de 1:1, tendo uma dimensão de 16x14cm. Fig. 2 Placa com os circuitos à escala 1:1. 3

4 3. Amplificador 1.5GHz 3.1. Esquema do amplificador A amplificador 1.5GHz utiliza um transístor bipolar modelo BFQ67 e baseia-se no esquema da Fig. 3, que compreende o circuito de alta frequência e o circuito de polarização. A polarização é activa e utiliza um transístor bipolar PNP (Q3: BC557A) e um díodo (D1: 1N4148) para compensação da variação de V BE com a temperatura. Fig. 3 Esquema do Amplificador 1.5GHz. A Fig. 4 representa o esquema de implantação dos componentes na placa de circuito impresso. 4

INPUT OUTPUT D1 R2 VCC R1 GND Q3 e C4 R3 b c C3 R5 R4 L1 L2 C1 e b c C2 SNP1 Fig. 4 Esquema de implantação do amplificador. 3.2. Cálculos teóricos 3.

5GHz, determine o ganho de transdução previsto para o circuito. 3.2.

5 INPUT OUTPUT D1 R2 VCC R1 GND Q3 e C4 R3 b c C3 R5 R4 L1 L2 C1 e b c C2 SNP1 Fig. 4 Esquema de implantação do amplificador Cálculos teóricos Determine o ponto de funcionamento em repouso do transístor BFQ67 (I C e V CE ) Considerando que o critério de dimensionamento das malhas de adaptação do circuito foi considerar a maximização do ganho a 1.5GHz, determine o ganho de transdução previsto para o circuito Confirme o dimensionamento das malhas de adaptação de entrada e de saída do circuito. 5

$3.3. Medidas experimentais 3.3.1 Realize as medidas necessárias para obter o ponto de funcionamento em repouso do transístor (I C e V CE ). 3.3.2 Obtenha a característica de ganho em função da frequência para sinais fracos, medindo em particular o ganho à frequência central (aprox.$

6 3.3. Medidas experimentais Realize as medidas necessárias para obter o ponto de funcionamento em repouso do transístor (I C e V CE ) Obtenha a característica de ganho em função da frequência para sinais fracos, medindo em particular o ganho à frequência central (aprox. 1.5GHz) e a largura de banda a -3dB. Para a medida do ganho do amplificador para sinais fracos utilize o analisador de espectros Agilent N9320B (Fig. 5), funcionando como analisador de redes. Fig. 5 Analisador de espectros Agilent N9320B com tracking generator. Deverá realizar os seguintes passos: 1. Frequências Frequency > Start Freq > 1.4 > GHz Frequency > Stop Freq > 1.9 > GHz 2. Ligar o tracking genetator Tracking generator > Amplitude TG (On) > -10 > dbm 6

3. Calibração do analisador de redes Ligar dois pequenos cabos BNC-BNC à saída do gerador (ficha TO SOURCE ) e à entrada do analisador de espectros (ficha RF IN 50 ), realizando uma ligação directa

7 3. Calibração do analisador de redes Ligar dois pequenos cabos BNC-BNC à saída do gerador (ficha TO SOURCE ) e à entrada do analisador de espectros (ficha RF IN 50 ), realizando uma ligação directa entre eles através de uma junção BNC-BNC fêmea (Fig. 6). Fig. 6 Calibração utilizando uma junção BNC-BNC fêmea. Mode > Tracking generator > More > Normalize > > Normalize (Off) > Store Ref (14) > Normalize (On) 4. Realização da medida de ganho do amplificador Retire a junção BNC-BNC fêmea e intercale o amplificador entre os dois cabos BNC: entrada do amplificador ao gerador (ficha TO SOURCE ) e saída do amplificador ao analisador de espectros (ficha RF IN 50 ), tal como representado na Fig. 7. 7

Entrada Saída Fig. 7 Esquema de montagem para medida do ganho do amplificador. De seguida deverá alimentar o circuito com uma fonte de alimentação DC de 12V.

8 Entrada Saída Fig. 7 Esquema de montagem para medida do ganho do amplificador. De seguida deverá alimentar o circuito com uma fonte de alimentação DC de 12V. Finalmente deverá realizar a medida do ganho do amplificador. Utilize o Marker para realizar as medidas que entender Obtenha a característica de ganho em função da potência para sinais fortes, para a frequência de maior ganho, medindo em particular o ponto de compressão a 1dB. Para tal deve colocar o cursor na frequência de maior ganho e ir aumentando a potência do Tracking Generator desde -10dBm a 0dBm de 1 em 1 db, medindo o valor do ganho. Deverá ter-se em atenção que o valor do ganho medido não é real atendendo a que aumentando a potência do gerador tem que se descontar no ganho o valor que se aumentou acima do ponto em que foi feita a calibração (-10dBm). Assim por exemplo para uma potência de gerador de -9dBm deve subtrair-se 1dB ao valor do ganho medido, para uma potência de gerador de -8dBm deve subtrairse 2dB e para uma potência de gerador de 0dBm deve subtrair-se 10dB Obtenha o espectro do sinal de saída no ponto de compressão a 1dB (obtido em 3.3.3), comparando as amplitudes das harmónicas com a fundamental. 8

4. Filtro 1.5GHz 4.1. Esquema do filtro Pretende-se realizar a medida da característica de um filtro passa-baixo de 1.5GHz cujo esquema representa-se na Fig. 8 e o desenho de implantação na Fig. 9.

9 4. Filtro 1.5GHz 4.1. Esquema do filtro Pretende-se realizar a medida da característica de um filtro passa-baixo de 1.5GHz cujo esquema representa-se na Fig. 8 e o desenho de implantação na Fig. 9. Fig. 8 Esquema do filtro 1.5GHz. Fig. 9 Desenho de implantação do filtro 1.5GHz Cálculos teóricos Baseando-se na topologia do circuito identifique o tipo de filtro e o respectivo número de polos Através de simulação estime a característica de ganho do circuito. 9

10 4.3. Medidas experimentais Obtenha a característica de ganho do amplificador, medindo em particular o o seu valor nos pontos notáveis. Para a medida do ganho do filtro utilize o analisador de espectros Agilent N9320B, realizando a calibração utilizando o esquema de calibração (Fig. 6) e a medida utilizando o esquema de medida (Fig. 7). A banda de medida deve ser de 0 a 3GHz, a potência do Tracking Generator 0dBm e a escala de ganho com 5dB por divisão Obtenha os seguintes valores: - Frequência de corte a 3dB - Frequência para uma atenuação de 30dB Verifique que s12 = s21 e justifique esta igualdade. 10

11 5. Oscilador 900MHz 5.1. Esquema do oscilador A Fig. 10 representa o esquema do oscilador 900MHz, o qual foi dimensionado com o critério dos osciladores de máxima instabilidade. Fig. 10 Oscilador 900MHz. A Fig. 11 representa o esquema de implantação dos componentes na placa de circuito impresso. 11

OUTPUT D1 R2 VCC R1 GND Q3 R3 b e c C3 R5 R4 C4 L1 C1 e b Q1 c L2 C2 Fig. 11 Esquema de implantação do oscilador. 5.2. Cálculos teóricos 5.2.1 Determine o ponto de funcionamento em repouso do transístor BFQ67 (I C e V CE ).

12 OUTPUT D1 R2 VCC R1 GND Q3 R3 b e c C3 R5 R4 C4 L1 C1 e b Q1 c L2 C2 Fig. 11 Esquema de implantação do oscilador Cálculos teóricos Determine o ponto de funcionamento em repouso do transístor BFQ67 (I C e V CE ) Obtenha os parâmetros S do transístor para o PFR calculado em e Verifique se o circuito tem condições para oscilar. 12

13 5.3. Medidas experimentais Meça a frequência de oscilação e a potência à saída do circuito. Deve utilizar o analisador de espectros (retirando do modo Tracking Generator) e a banda de medida deve ser de 0 a 3GHz A partir do espectro do sinal do oscilador meça a amplitude das harmónicas e das espúrias caso existam Centrando o analisador de espectros na frequência fundamental do oscilador e com um SPAM de 1MHz varie a tensão de alimentação para 11V e 13V, medindo a respectiva frequência de oscilação. Calcule a variação da frequência de oscilação com a tensão de alimentação, apresentando o resultado em partes por milhão por Volt: ppm/v. 13

14 6. Relatório O relatório deve obrigatoriamente respeitar a seguinte sequência de capítulos/secções: Introdução Amplificador 1.5GHz o Análise teórica o Trabalho experimental o Comparação de resultados Filtro 1.5GHz o Análise teórica o Trabalho experimental o Comparação de resultados Oscilador 900MHz o Análise teórica o Trabalho experimental o Comparação de resultados Conclusões 14

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