cavalcanti e cabral - receptor fm com amplificador de baixo ruido e antena - 2009

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UFPE - CTG - DES ES261: Eletrônica 3 2 Receptor FM com amplificador de baixo Hercílio Menezes Cavalcanti & ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral 2-1 RECEPTOR FM COM AMPLIFICADOR DE BAIXO RUÍDO E ANTENA Por, Hercílio Menezes Cavalcanti Pedro Lyra Pereira Cabral Projeto Final da Disciplina Eletrônica 3

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A modulação FM é muito popular devido a sua maior qualidade, ou seja, menor sensibilidade a ruído, maior eficiência de potência e maior banda, podendo transmitir tipicamente sinais de áudio de até 15kHz.Este trabalho foi realizado por requisito da disciplina de eletrônica III, no segundo semestre letivo de 2009, do curso de engenharia eletrônica da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE).

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2 – Receptor FM com amplificador de baixo Hercílio Menezes Cavalcanti &

ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral

2-1

RECEPTOR FM COM

AMPLIFICADOR DE BAIXO RUÍDO

E ANTENA

Por,

Hercílio Menezes Cavalcanti

Pedro Lyra Pereira Cabral

Projeto Final da Disciplina Eletrônica 3

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2-2

ERRATA

Os buffers de acoplamento não funcionam na frequência. O oscilador também não

funcionou de maneira apropriada. Esperamos que alguém que leia este trabalho tenha

discernimento e posso absorver algumas idéias boas, descartar as não boas e melhorar o

projeto de receptor FM.

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SUMÁRIO

2-1) INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 4

2-2) OBJETIVO .......................................................................................................................... 4

2-3) TEORIA ............................................................................................................................... 5

2-3.1) Modulação FM ........................................................................................................ 5

2-3.2) Demodulação FM ................................................................................................... 7

2-3.2.1) Detecção Por Inclinação .................................................................................. 8

2-3.3) Diagrama de Blocos do Circuito ............................................................................. 8

2-3.4) Amplificador de RF .............................................................................................. 10

2-3.5) Oscilador Local ..................................................................................................... 11

2-3.6) Misturador ............................................................................................................. 11

2-3.7) Amplificador de FI ................................................................................................ 13

2-3.8) Discriminador ....................................................................................................... 15

2-4) SIMULAÇÕES .................................................................................................................. 18

2-4.1) Amplificador de RF .............................................................................................. 18

2-3.5) Oscilador Local ..................................................................................................... 20

2-3.6) Misturador ............................................................................................................. 21

2-3.7) Amplificador de FI ................................................................................................ 22

2-3.8) Discriminador ....................................................................................................... 23

2-5) RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE ........................................................... 24

2-6) MELHORIAS .................................................................................................................... 25

2-7) CONCLUSÃO ................................................................................................................... 26

2-8) BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 27

2-9) ANEXOS ........................................................................................................................... 28

2-9.1) OUTRAS TOPOLOGIAS .............................................................................................. 28

2-9.2) PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO UTILIZADA ...................................................... 29

2-9.3) ANTENA UTILIZADA ................................................................................................. 30

2-9.4) Esquemático completo .................................................................................................... 31

2-9.5) Esquema da placa de circuito impresso .......................................................................... 33

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2-1) INTRODUÇÃO

A modulação FM tem se difundido bastante nos últimos anos devido a sua maior

qualidade, ou seja, menor sensibilidade a ruído, maior eficiência de potência e maior

banda, podendo transmitir tipicamente sinais de áudio de até 15kHz.

Este trabalho foi realizado por requisito da disciplina de eletrônica III, no primeiro

semestre letivo de 2009, do curso de engenharia eletrônica da Universidade Federal de

Pernambuco (UFPE). A realização do projeto solidifica a aprofunda o entendimento do

conteúdo da disciplina, além de estimular a criatividade dos alunos.

O trabalho escolhido pela dupla foi o desenvolvimento de um receptor FM com

amplificador de baixo ruído. Considerou-se que este projeto apresenta aplicações práticas,

já que as rádios FM são muito escutadas.

Este projeto faz parte de um projeto maior da disciplina, de um robô móvel. Cada

dupla pode desenvolver uma parte, fazendo assim um processo de divisão do trabalho

essencial para a realização de grandes projetos.

2-2) OBJETIVO

Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um circuito com antena,

capaz de receber e demodular um sinal modulado em freqüência (FM), com portadora

14MHz. Este receptor também deve trabalhar com baixo ruído, da ordem de 1μW.

Aplicam-se os conhecimentos adquiridos na disciplina, tanto no desenvolvimento de

blocos do circuito, apoiado em teoria e técnicas, quanto na montagem prática no

laboratório.

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2-3) TEORIA

2-3.1) Modulação FM

A modulação em freqüência, FM – Frequency Modulation, tem se difundido

bastante nos últimos anos devido a sua maior qualidade, ou seja, menor sensibilidade a

ruído, maior eficiência de potência e maior banda, podendo transmitir tipicamente sinais de

áudio de até 15kHz.

É superior a modulação em amplitude, AM – Amplitude Modulation, para

transmissão de músicas por exemplo, já que AM trabalha tipicamente até 5kHz ou 7kHz.

A informação do sinal pode ser transmitida tanto na amplitude (AM) como na fase

(FM).

Um conceito importante quando se trata de sistemas de modulação exponencial,

como FM, é a freqüência angular instantânea:

Uma das formas de transmitir o sinal consiste em escolher .

Neste caso tem-se o sistema conhecido como modulação em fase, PM – Phase

Modulation, que é semelhante ao FM.

A partir disto pode-se encontrar outra forma, a modulação em freqüência

propriamente dita, FM.

Então:

Pode-se definir:

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O sinal FM tem então uma variação na freqüência instantânea proporcional ao sinal

modulador f(t). A forma de onda FM é mostrada a seguir, com variação exagerada na

freqüência instantânea.

Figura 1 - Forma de onda FM

Seja o sinal modulador

O máximo desvio da freqüência instantânea é dado por

Define-se o índice de modulação FM

No caso de um sinal multitom tem-se

, índice de modulação parcial para cada tom

Existe também o índice de modulação generalizado:

Onde é o desvio máximo de freqüência e é a banda do sinal modulador

Existem dois tipos de sinais FM:

FM banda estreita (NBFM) para

FM banda larga (WBFM) para

Colocam-se aqui algumas considerações, que podem ser encontradas com mais

detalhes em DE OLIVEIRA, 2008.

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O sinal de FM tem uma banda infinita e pode ser representado em termos da função

de Bessel

Porém em termos da potência

Como tende a decair rapidamente para tem-se

Tem-se a regra de Carson

, a 10% de significância

No caso NBFM

No caso WBFM

O sinal FM pode ser gerado por diversos métodos. Não faz parte do escopo deste

trabalho discursar sobre tais métodos. Apenas citam-se o método direto, método digital,

método Armstrong.

2-3.2) Demodulação FM

A detecção de sinais FM pode ser realizada de diversas formas. Citam-se detecção

por inclinação, passagem pelo zero (detecção digital) e detecção com realimentação, como

PLL.

Tipicamente rádios comerciais utilizam detecção por inclinação e PLL (Phase-

Locked Loop ou malha travada em fase), sendo este último mais popular na forma

integrada.

Neste projeto optou-se pelo método de detecção por inclinação, por ser mais

adequado ao projeto ao projeto, já que se trabalha com componentes discretos.

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O PLL poderia ser montado, porém em altas freqüências seu funcionamento é

difícil com componentes discretos (HOROWITZ).

2-3.2.1) Detecção Por Inclinação

Seja o sinal FM representado a seguir

Diferenciando o sinal

Este é um sinal modulado em amplitude e freqüência ao mesmo tempo.

Pode ser considerado um sinal AM com índice de modulação:

Como tipicamente logo não sobremodula o sinal e é possível

recuperar o sinal.

Aplica-se um detector de envoltória e obtem-se

Isto corresponde ao sinal de áudio modulador original amplificado e deslocado de

uma tensão contínua.

2-3.3) Diagrama de Blocos do Circuito

Decidiu-se utilizar um esquema de receptor de rádio super-heteródino.

O receptor super-heteródino foi inventado em 1918 por Edwin Armstrong.

O princípio de funcionamento, que ainda hoje se aplica aos mais modernos

aparelhos de rádio, constituiu o maior salto na evolução das radiocomunicações uma vez

que permitiu resolver alguns graves problemas que os receptores da época tinham: fraca

estabilidade, pouca seletividade e grande sensibilidade às interferências.

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Esta sensibilidade às interferências era motivada pela grande largura de banda dos

circuitos utilizados para amplificar o fraco sinal de radiofreqüência (RF) dos postos

emissores de TSF.

Nos receptores super-heteródinos todas as freqüências são convertidas para valor

mais baixo antes da detecção, ou seja, da extração do sinal de áudio da portadora de RF.

Esta freqüência constante denomina-se "Freqüência intermediária" (FI) que nos

receptores domésticos se situa entre os 455 e os 470KHz para AM e 10.7MHz para FM.

Nestes receptores é gerada internamente uma freqüência de oscilação que se

mistura com o sinal de entrada de antena. Procedendo com uma análise espectral verifica-

se que aparecem duas freqüências, uma alta (soma de freqüências) e uma baixa ( diferença

de freqüências).

Com a descoberta do circuito super-heteródino, os problemas enfrentados no

receptor RF foram suprimidos, conseguindo-se boa seletividade e sensibilidade a um custo

reduzido, sendo ainda hoje o circuito mais usado na construção de modernos receptores.

Um super-heteródino básico recebe o sinal (portadora RF) da estação de rádio na

antena que está ligada a um circuito LC ( bobina/condensador) sintonizado. Este sinal é

misturado com uma freqüência gerada por um oscilador local e a diferença da freqüência

da portadora da estação e o oscilador local é a freqüência Intermédia (FI). Depois desta

conversão, é usado um amplificador de FI de banda estreita e fixa que proporciona um

ganho no sinal a ser detectado.

Outro inconveniente eliminado nos receptores super-heteródinos é a “fuga” de RF

que é realimentada para a antena nos circuitos a RF.

O esquema do super-heteródino é mostrado a seguir

Figura 2 - Diagrama de Blocos do receptor Superheterodino

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2-3.4) Amplificador de RF

Tipicamente, utiliza-se um amplificador de baixo ruído sintonizado na freqüência

da portadora, isto porque por ser o primeiro estágio de amplificação, o ruído produzido por

ele é amplificado nos estágios subseqüentes e pode comprometer a relação sinal ruído,

diminuindo assim a qualidade do receptor.

Para a implementação do receptor, utilizou-se a seguinte topologia

Foi escolhido um transistor de baixo ruído (BC549) para garantir que o ruído não

seja alto na entrada.

Na prática foram utilizados os seguintes componentes

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2-3.5) Oscilador Local

O Oscilador local é utilizado para fazer a sintonia do receptor FM.

Ele consiste de um Oscilador Collpits, com a seguinte topologia

Figura 3 Oscilador Latex

2-3.6) Misturador

O misturador consiste basicamente de dois blocos, sendo o primeiro um

multiplicador e o segundo um filtro BPF. Sua função é realizar uma mudança na

freqüência de portadora recebida pelo FM para uma freqüência intermediária (FI).

O teorema da modulação garante que ao multiplicar um sinal por um cosseno em

, o resultado é o mesmo sinal de entrada, deslocado de . Para o receptor deste

projeto, usou-se um oscilador local em 13Mhz, fazendo com que ao receber um sinal em

14Mhz, o misturador translade o sinal de RF para uma FI de 1Mhz.

O projeto do misturador usou a seguinte topologia

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Figura 4 Misturador

Funcionamento do misturador:

A corrente de dreno no JFET é dada por

Para o circuito misturador, tem-se que

Onde é o sinal proveniente da seção de RF e é dado por

E é o sinal proveniente do Oscilador local e é dado por

Substituindo na equação da corrente de dreno do JFET, obtém-se

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2

=

cos( + + 2cos2

Ao passar-se por um filtro BPF centrado em obtém-se

Que é o mesmo sinal de FM da seção de RF, deslocado para .

2-3.7) Amplificador de FI

O principal objetivo de se trabalhar em uma única freqüência é garantir uma alta

seletividade por parte do receptor. Uma das grandes vantagens do receptor super-

heteródino é sua alta seletividade. Isso é conseguido através do cascateamento de

amplificadores sintonizados na freqüência intermediária (FI). Estes amplificadores são

conhecidos como Amplificadores de FI.

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Figura 5 Amplificador de FI

A freqüência de sintonia dos amplificadores de FI, foi escolhida como sendo de

. Isto foi conseguido utilizando-se uma bobina de 1uH e um capacitor de

22nF. A freqüência intermediária pode ser então facilmente calculada através da relação

A tensão no emissor, tanto de quanto de pode ser obtida a partir de

e pela tensão na base dos transistores, obtida a partir dos resistores de polarização.

Ela é dada por

Onde é a tensão de polarização na base e pode ser obtida a partir do divisor de tensão

Logo, obtém-se

A corrente de coletor será aproximadamente igual à corrente de emissor que é dada

por

O amplificador de FI utilizado nada mais é do que um emissor comum com um

circuito RLC paralelo como carga. Seu ganho é então dado por

A impedância do circuito RLC paralelo é dada por

Portanto o ganho é dado por

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Seu valor exato depende do resistor de perdas R referente à combinação indutor +

capacitor em paralelo.

2-3.8) Discriminador

Conforme visto anteriormente, o sinal FM é da forma

Ao derivar este sinal, obtém-se

Este sinal é um AM+FM, o que implica portanto que ele possui envoltória e pode

facilmente ser demodulado através de um detector de pico.

O discriminante é um circuito que deriva o sinal FM, para transformá-lo em um

AM+FM e assim fazer com que a detecção de envoltória possa ser utilizada a fim de obter

o sinal modulador.

Uma possível implementação deste circuito é ilustrada no esquema abaixo. Esta foi

a topologia adotada no presente projeto.

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Figura 6 - Discriminador com limitador na entrada

O circuito acima é um amplificador sintonizado em uma freqüência levemente

diferente da freqüência de FI. Com isso, aproveita-se a região da resposta em freqüência do

tanque LC em que há aproximadamente uma reta. Assim, efetivamente é feita a

diferenciação do sinal de entrada.

O Discriminador tem em sua entrada um limitador com diodos, ou neste caso

transistores com coletor e base conectados funcionando como diodo. Este limitador faz

com que o sinal tenha uma amplitude máxima de aproximadamente -0,7V a +0,7V. Isto é

importante para assegurar que a amplitude do sinal é realmente constante o que não ocorre

devido à presença do ruído na transmissão é necessário incluir um limitador antes do

diferenciador. Se a amplitude não se mantém constante um termo de distorção de fase

devido à variação da amplitude aparece na saída.

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Figura 7 - Banda de passagem do discriminador

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2-4) SIMULAÇÕES

Foram feitas simulações por blocos no programa CircuitMaker 2000. Em seguida

fomos juntando blocos por área do circuito e em seguida todos os blocos. O esquema com

todos os blocos não funcionou, porém como os blocos funcionaram bem individualmente,

o circuito deve funcionar como um todo.

2-4.1) Amplificador de RF

Foi feita a simulação do bloco inicial de amplificador de RF. Este deve ser um

amplificador de baixo ruído então também foi feita a simulação do ruído (.NOISE).

Figura 8 - Esquema do amplificador RF de baixo ruído

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Figura 9 - Gráfico Vsa x f do Amplificador de RF

Figura 10 - Gráfico da análise de ruído do Amplificador de RF

Observou-se que o amplificador de RF está sintonizado bem próximo de 14MHz e

que o seu ruído próximo desta freqüência é

O é a banda do amplificador, neste caso é aproximadamente 6MHz. Então

Considerando uma resistência e entrada pode-se estimar a potência do

ruído do amplificador

Esta potência está bem abaixo de .

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2-3.5) Oscilador Local

Foram feitas também simulações com o oscilador local Colpitts, cujo esquema é

mostrado a seguir

Figura 11 - Esquema do Oscilador Local Colpitts

Tem-se a seguinte forma de onda no tempo

Figura 12 - Oscilador Local com frequência de 15,2 MHz

A freqüência pode ser variada mexendo na polarização do potenciômetro, ficando

entre 13,8MHz e 15,2MHz aproximadamente.

A freqüência deve ficar 1MHz acima ou abaixo de 14MHz para que o misturador se

desloque o sinal recebido para a freqüência de FI escolhida de 1MHz

.

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2-3.6) Misturador

O misturador tem a função de deslocar o sinal recebido para a FI. Foi utilizado o

multiplicador quadrático com JFET mostrado a seguir

Figura 13 - Misturador com JFET

Fazendo o produto do sinal de 14MHz com o sinal do oscilador de 15MHZ, e com

o filtro sintonizado, encontra-se um sinal de 1MHz

Figura 14 - Saída do misturador

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2-3.7) Amplificador de FI

O Amplificador de FI é um amplificador sintonizado. São utilizados dois

amplificadores sintonizados em série para ter maior ganho e maior seletividade. O

esquema é mostrado a seguir

Figura 15 - Amplificador FI

Encontrou-se na simulação a seguinte saída, claramente sintonizada em 1,07MHz

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2-3.8) Discriminador

O Discriminador tem em sua entrada um limitador com diodos, ou neste caso

transistores com coletor e base conectados funcionando como diodo. Este limitador faz

com que o sinal tenha uma amplitude máxima de aproximadamente -0,7V a +0,7V.

Figura 16 - Discriminador

Figura 17 - Sinal após a diferenciação

Figura 18 - Sinal após o detector de envoltória

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2-5) RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE

Após as simulações o circuito foi montado.

Montaram-se blocos na protoboard. Verificou-se que o Colpitts escolhido não

oscilava. Os blocos que funcionam na freqüência intermediária de 1MHz foram testados

com um gerador de sinais. Para os circuitos que trabalham com freqüências mais altas não

foi possível testar o funcionamento, pois não se dispunha de gerador para freqüências mais

altas que 2MHz, nem um gerador capaz de gerar FM.

Foi verificada a resposta em freqüência do amplificador de FI que ficou bem

próxima do valor esperado de devido aos capacitores e indutores utilizados

.

Também se verificou a resposta em freqüência do discriminador, que funciona

como um filtro sintonizado numa freqüência um pouco menor com e

. Neste caso a freqüência de ressonância foi de

.

Também verificou-se o misturador, como um multiplicador para freqüências

menores. Foram feitos os devidos ajustes nos capacitores e indutores e verificou-se seu

funcionamento como modulador AM.

Figura 19 - Funcionamento do Misturador JFET como modulador AM

O não funcionamento do oscilador Colpitts poderia ser devido a capacitâncias

parasitas da placa de contatos. Portanto como o trabalho pedia uma sintonia em HF de

14MHz foi decidido utilizar uma placa de circuito impresso.

Projetou-se a placa de circuito impresso com os programas OrCAD PSpice,

Capture, Layout e foi enviada a um fornecedor para ser feita.

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Após o recebimento da placa os componentes foram soldados, deixando

inicialmente os estados isolados, sem os capacitores e amplificadores operacionais de

acoplamento.

Após alguns ajustes foram realizados testes, porém verificou-se que o oscilador não

funcionou. Poderiam ter sido utilizados outros osciladores como de relaxação ou Pierce e

aferido seu funcionamento em Protoboard, mesmo não sendo o ideal para altas

freqüências.

2-6) MELHORIAS

Para o funcionamento da topologia escolhida é essencial o uso de um bom

oscilador. Seria interessante escolher entre os vários osciladores existentes alguns e testá-

los na prática, para verificar o seu funcionamento.

Entre as opções disponíveis, as mais interessantes parecem ser alguma topologia de

oscilador Pierce, com um cristal de freqüência próxima a 13MHz ou 15MHz (menor ou

maior 1MHz que 14MHz). Outra opção poderia ser o oscilador de relaxação controlado a

tensão que tem um funcionamento relativamente simples e tem como saída uma onda

triangular ou retangular.

Outra melhoria importante é fazer o casamento de impedância entre blocos para

maximizar a transferência de potência. Isto deve ser feito principalmente para estágios que

trabalham com freqüências mais altas, pois neste caso os efeitos eletromagnéticos fazem

com que ocorra uma reflexão de onda, podendo aparecer uma onda estacionária, piorando

a recepção.

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2-7) CONCLUSÃO

O projeto do receptor FM faz parte de um projeto maior, Robô Móvel. Foram

revisados diversos conceitos estudados em eletrônica 3. Outros assuntos como análise de

Fourier, antenas e modulação FM de outras disciplinas como Sinais e Sistemas,

Eletromagnetismo e Princípios de Comunicação foram abordados.

Desenvolver o receptor em blocos para depois acoplá-los, foi a melhor escolha para

projetar o circuito e detectar oportunidades de melhoria, pois o desenvolvimento de um

circuito inteiro torna mais difícil sua análise.

Infelizmente o bloco oscilador não funcionou como esperado na prática. Talvez

outra topologia como Pierce ou de relaxação fosse mais bem sucedida.

A modulação FM, proposta neste trabalho, é amplamente utilizada comercialmente,

pois possui menor sensibilidade à ruído e maior eficiência de potência, quando comparada

à modulação AM.

Neste projeto escolheu-se a topologia do receptor FM como sendo super-

heteródina, deslocando a freqüência recebida de 14MHz para freqüência intermediaria de

1MHz, mais prática para se trabalhar, aumentando a estabilidade, melhorando a

seletividade e reduzindo as interferências.

A utilização de acoplamento entre os estágios foi feita a fim de isolar a polarização

entre os estágios com capacitores. Também foi usado, para acoplar os estágios, foram

utilizados Amplificadores Operacionais como seguidores de tensão (buffers) para evitar

efeitos de carregamento na entrada do estágio seguinte.

Concluiu-se que a utilização da teoria em conjunto com a prática, com o auxílio da

matemática, física, simulações computacionais, dividindo bem o trabalho, é essencial para

o sucesso em um projeto desta magnitude.

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2-27

2-8) BIBLIOGRAFIA

Pederson & Mayaram. Analog Integrated Circuits For Communications. Kluwer

Academic Publisher, 1991.

Santos, E. J. P. Eletrônica Analógica Integrada e Aplicações. 2003.

Oliveira, Hélio M. de. Fundamentos de Engenharia de Telecomunicações. 2008.

HOROWITZ, Paul; HILL, Winfield. The Art of Electronics. 2nd ed. Cambridge:

Cambridge University Press, 1989.

VIZMULLER, Peter. RF design guide: systems, circuits, and equations. Boston: Artech

House, c1995.

BOWICK, Christopher. RF Circuit Design. 2nd ed. Newnes, 1997.

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2-28

2-9) ANEXOS

2-9.1) OUTRAS TOPOLOGIAS

Figura 20 PLL

Além do receptor super-heteródino, pode-se usar a malha travada (PLL) em fase para

realização do demodulador FM.

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2-9.2) PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO UTILIZADA

Figura 21 Placa de circuito impresso

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2-9.3) ANTENA UTILIZADA

Figura 22 Antena dipolo

Figura 23 Cabo coaxial

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2-9.4) Esquemático completo

Figura 24 Esquemático página 1

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Figura 25 Esquemático página 2

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2-9.5) Esquema da placa de circuito impresso

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Figura 26 Camada inferior

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Figura 27 Camada da máscara de solda

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2-36

Figura 28 Camada do silk screen

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Figura 29 Esquema de furação