Electrónica para Telecomunicações

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Maria do Mar Andreia Bicalho Madeira
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1 Dept. de Engenharia Electrotécnica e Computadores Fac. de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Electrónica para Telecomunicações Trabalho Prático Nº5 Misturador de 4 Quadrantes. INTRODUÇÃO O circuito representado na figura, normalmente conhecido por Gilbert Cell, é utilizado frequentemente em circuitos de RF para converter ou misturar frequências. O circuito produz na saída uma voltagem que é proporcional ao produto das tensões v e v. Se estas tensões forem sinusoidais, v ( t) = V cos( ωt θ) e v( t) = V cos( ωt θ), a tensão de saída (em R8) terá uma componente (mistura) na frequência (ω - ω ) e outra em (ω ω ): v ( t) = K v ( t) v ( t) = O = K V cos( ω t θ ) V cos( ω t θ ) = KVV ω ω θ θ KVV cos[( ω ω ) t ( θ θ )] = cos[( ) t ( )]

2 Como v e v podem ser positivos ou negativos o circuito também é conhecido como misturador de 4 quadrantes. Neste trabalho as frequências dos sinais v e v são muito baixas, MHz e 700KHz, para facilitar as medições laboratoriais e encurtar os tempo de simulação em SPICE do circuito. Na prática este tipo de circuito é utilizado em frequências até cerca de GHz.. PREPARAÇÃO E SIMULAÇÃO Estude o funcionamento do circuito com as notas recolhidas na aula teórica. Deverá simular o funcionamento dos vários circuitos propostos usando o simulador NI Multisim Analog Devices Edition. No relatório do trabalho responda às questões que se seguem e, se entender, assinale qualquer consideração que julgue importante respeitante ao funcionamento do circuito misturador..a) Considere o circuito em repouso v =0 e v =0. Calcule as correntes em todos os transístores. Note que é preciso polarizar os pares de transístores superiores com uma tensão de base positiva ou, senão, o par inferior fica saturado. Calcule as tensões entre colector e emissor para todos os transístores..b) O transformador T tem uma relação de espiras entre primário e secundário de para e transforma a entrada v numa entrada diferencial. T tem uma atenuação de : e transforma a saída diferencial entre as resistências R e R numa saída não diferencial em R8. Determine a expressão aproximada da tensão de saída para tensões de entrada pequenas (despreze qualquer efeito de carga de R8 nos colectores dos transístores superiores)..c) Relembre o princípio de funcionamento de um receptor super-heterodino e suponha que o misturador é usado para num circuito receptor de rádio em que o sinal de RF (de baixo nível) é misturado com um sinal de um oscilador local (LO) para gerar um sinal de frequência intermédia (IF). Este sinal de frequência intermédia é então amplificado por um circuito selectivo de frequência fixa (IF). Simule o circuito usando transístores do tipo N. Note que deve iniciar a tensão em C com o valor permanente da tensão DC que deverá ter calculado em.a)..d) Ligue o analisador de espectros à saída configure-o de modo a fazer um varrimento de 0 a 5 MHz conforme está na figura: Com amplitudes de 5mV em ambas as entradas observe o espectro do sinal de saída. Use o cursor e anote o valor da frequência das principais riscas que são visíveis. Justifique os valores encontrados.

3 .e) Mude o analisador para uma escala linear e determine a amplitude do sinal de saída nas frequências de 300KHz e 700kHz. Verifique se essa amplitude é compatível com o estudo realizado em.b)..f) Cs sinais de RF e LO têm amplitudes muito sendo o sinal de LO aplicado normalmente em V e o sinal de RF em V. Repita a experiência.d) nas situações: (i) V =00mV e V =5mV (ii) V =5mV e V =00mV. As suas observações sugerem a utilização da situação (i) como acontece na prática?.g) Fixando a amplitude do sinal de RF em 5mV verifique a sensibilidade do misturador em relação à amplitude do oscilador local (V ) avaliando a amplitude do sinal de saída nas frequências de 300KHz e 700kHz e nos casos assinalados na tabela. Comente os resultados. V =5mV V =0mV V =00mV V =500mV V =V.h) Escolha o nível de injecção V =V mas use o circuito da figura em alternativa ao transformador T para aplicar a tensão v de modo diferencial. Mostre que ambas as saídas do circuito da figura têm a mesma tensão de modo comum que tinham no circuito anterior (,V). Mais exactamente mostre que as tensões das saídas são dadas por,±0,5 V. Verifique que os transístores comutam entre a zona activa e o corte mas nunca saturam (o que é essencial para uma operação em alta frequência)..i) Mostre que sendo as tensões nas bases de Q Q Q3 e Q4 dadas por,±0,5 V aqueles transístores nunca saturam..j) Simule o circuito com o par Q e Q e verifique com o osciloscópio se as tensões de saída têm o valor,±0,5 V ou seja têm uma tensão em modo comum de,v e uma tensão diferencial máxima de 0,5V..k) Carregue a saída do misturador com um circuito ressonante LC que retenha a diferença e rejeite a soma (das frequências em jogo). Use L=50uH. Note que a resistência de perdas do circuito tanque é x Rc em paralelo com a resistência de perdas da bobine. Supondo a bobine ideal estime a atenuação que o filtro introduz na frequência de 700kHz. Para isso note que a tensão de saída diferencial nos colectores dos transístores superiores é dada por i C x Z. Na frequência de ressonância Z será x Rc e à frequência de 700kHz será essencialmente a impedância do condensador. Neste estádio terá o circuito da figura seguinte.

4 .l) Fixando agora a amplitude do oscilador local em V =50mV (Q7 e Q8 transformam este valor num sinal diferencial de V como se viu atrás), meça a amplitude da tensão de saída para os valores da tensão de RF indicados no quadro: V =mv V =mv V =3mV V =4mV V =5mV Verifique se o misturador tem um funcionamento linear. Determine o ganho em tensão do conversor em dbs (igual à relação entre a amplitude da tensão diferencial na frequência IF medida entre os colectores dos transístores superiores e a amplitude da tensão v ). 3. REALIZAÇÃO LABORATORIAL Construa o transformador T com uma indutância de primário de cerca de 50uH. Monte o circuito num deck usando circuitos integrados CA3086. Os 4 transístores superiores deverão pertencer ao mesmo circuito integrado. O pino 3 de ambos os integrados devem estar ligados ao ponto de tensão mais negativa do circuito (-5V). Leia o data sheet do circuito integrado para ter uma ideia dos parâmetros dos transístores. Utilize fios de ligação de comprimento certo e rentes ao deck. Use ainda condensadores entre V CC e V EE e a massa.

5 3.a) Coloque v =v =0 (repouso) e com um multímetro anote numa tabela o valor DC das tensões de colector de todos os transístores bem como dos emissores dos pares inferiores. Todos os valores devem estar em conformidade com os valores estudados antes. Se isso não acontecer verifique todas as ligações antes de prosseguir. 3.b) Coloque a ponta de prova do osciloscópio medindo a tensão na carga R8. Varie a frequência da tensão v em torno de 700kHz até obter o máximo de tensão na carga. Isso permitirá corrigir algum desvio dos valores L e C3 em relação aos seus valores nominais (L e C3 devem ter uma frequência de ressonância de 300kHz). Se a frequência de ressonância for muito diferente reajuste o valor de C3. 3.c) Realize as medições utilizadas no simulador para verificar a linearidade e o ganho do conversor: V =mv V =mv V =3mV V =4mV V =5mV Comente os desvios entre os valores observados e os valores obtidos por simulação. 3.d) Num circuito prático de conversão de frequência o sinal de RF deve passar por um circuito de sintonia antes de entrar no misturador. De facto para uma frequência do oscilador local de MHz, as frequências de 700kHz e,3mhz geram sinais na frequência de 300kHz. Verifique este facto ajustando a frequência do sinal v em torno de,3 MHz. Determine o valor exacto da frequência que provoca um máximo na amplitude do sinal de saída. 3.e) Como foi dito os circuitos misturadores são frequentemente usados em circuitos de rádio frequência. Para terminar este trabalho verifique o funcionamento do misturador como modulador AM. Para isso retire o condensador de 56nF de modo a remover o filtro de sintonia a 300kHz na saída. De seguida aplique em v um sinal de onda rectangular na frequência de khz. Ajuste a amplitude do sinal para 4mV pico a pico e com valor médio nulo. Observe no osciloscópio o sinal modulado. Deverá observar um sinal modulado em amplitude sem portadora. Ajuste o valor da tensão DC do sinal v de modo a obter um sinal modulado em amplitude com portadora. Faça esboços das tensões observadas no osciloscópio em ambos os casos.

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