departamento de eletrÔnica e telecomunicaÇÕes circuitos de ...gil/circom/receptores.pdf · o...

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕES CIRCUITOS DE COMUNICAÇÃO PROF. GIL PINHEIRO (Versão: julho/2006)

1

1. Radioreceptores........................................................................................................................2 1.1. Sensibilidade ....................................................................................................................2 1.1.1. Sinal Mínimo Detectável .............................................................................................3 1.2. Seletividade......................................................................................................................3

1.2.1. O Receptor Heterodino ............................................................................................4 1.2.2. Sintonia do Receptor Heterodino.............................................................................5 1.2.3. Receptores de Conversão Direta (Homodinos)........................................................6

1.3. Faixa Dinâmica (Controle Automático de Ganho) ..........................................................7 1.3.1. Um Receptor Completo ...........................................................................................8

1.4. Duplexadores e Chave T/R ............................................................................................11 2. Cristais Piezelétricos..............................................................................................................13

2.1. Ressonadores Cerâmicos................................................................................................16


2

1. Radioreceptores

O projeto dos receptores de rádio tem evoluído, a partir dos circuitos mais simples, utilizados nos primórdios das radiocomunicações. Buscando um aprimoramento na performance e permitindo um melhor uso do espectro radioelétrico por mais usuários, cobrindo maiores distâncias e utilizando menores potências de transmissão.

Um rádio receptor bem projetado deve possuir as seguintes características: • Sensibilidade • Seletividade • Faixa Dinâmica • Detecção (digital ou analógica)

1.1. Sensibilidade É a capacidade do receptor detectar sinais de intensidade muito pequena, quanto maior a

sensibilidade de um receptor, menor a potência de sinal detectável na sua antena. Normalmente, a sensibilidade é expressa em volts ou em dBm de intensidade de sinal, na entrada do receptor, para obter-se uma certa potência na saída de um receptor de sinal de voz ou obter-se uma certa taxa de erros, no caso de um receptor digital. Intensidades de sinal muito baixas se tornam não inteligíveis e não detectáveis. Exemplos: 1) Para o circuito integrado TDA-7000 (receptor de FM da Phillips): Sensibilidade = 1,5 uV, para

uma tensão de saída de 75 mV, o que corresponde a um ganho de 50000 ou 94 dB. 2) Para o circuito integrado MICRF002 (receptor digital com modulação FSK da Micrel):

sensibilidade = -103 dBm (1,6 uV) para um BER = 0,01 e taxa de transmissão de 300 bps, com ciclo de trabalho de 50%.

Para aumentar a sensibilidade de um sistema receptor, devem ser utilizadas etapas

amplificadoras. Num receptor ideal a sensibilidade deve ser elevada, porém, conforme será mostrado, muitas etapas amplificadoras em cascata diminuem a relação sinal-ruído, devido à figura de ruído de cada estágio amplificador, além disso, um ganho excessivo pode levar a perda de informação devido à distorção do sinal. Normalmente, um receptor possui um ganho máximo de 90 a 120 dB, para restaurar a potência do sinal recebido próximo ao valor do sinal presente na entrada do transmissor. Um ganho de potência de 100 dB corresponde a um ganho de tensão de 100.000 vezes e toda essa amplificação não deve ser totalmente concentrada numa única etapa amplificadora, mas ser dividida entre os vários estágios ativos de um receptor (etapas de RF, FI,...) para evitar instabilidades, saturação, oscilações e tornar o receptor viável tecnicamente. Além disso, é uma boa prática não usar mais do que 50 a 60 dB de ganho numa etapa amplificadora, normalmente para evitar instabilidades. O custo e as dificuldades de implementação de um amplificador aumentam com a freqüência de trabalho é um aspecto que leva a concentrar as etapas de maior ganho de um receptor nos estágios amplificadores em freqüências menores (amplificadores de FI).


3

1.1.1. Sinal Mínimo Detectável O desempenho de um detector está relacionado à intensidade mínima de sinal em sua entrada.

Para a comunicação confiável é necessário que a potência de sinal seja igual ou maior que um determinado nível mínimo, chamado sinal mínimo detectável (MDS = minmum detectable signal). Para um certo nível de ruído do sistema, o MDS define um limite mínimo de relação sinal-ruído na entrada do demodulador do sistema. A mínima intensidade útil de SNR depende da aplicação, alguns exemplos de valores mínimos de SNR estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Valores típicos de SNR mínimo para algumas aplicações

Sistema SNR (dB) Voz analógica 3 a 10

Telefone analógico 25 a 30 Televisão analógica 45 a 55

Celular AMPS 18 Demodulação AM-PCM 30 a 40

Demodulação QPSK (Pe = 10-5) 10

A mínima intensidade de SNR na saída do receptor é normalmente expressa pela relação ( sinal

+ ruído + distorção ) / (ruído + distorção), que também é chamada de SINAD (signal plus noise pus distortion to noise and distortion ratio)

N

S

N

NSSINAD +=+= 1

Onde N = ruído total do sistema, incluindo ruído na entrada do receptor e das etapas do receptor

(ruído interno e distorção de sinal). Para uma dada condição de operação (uma certa taxa de erros), conhecendo o limite mínimo de

relação sinal-ruído (SNRmin) ou SINAD e o ruído na entrada do sistema receptor, pode-se calcular a potência mínima de sinal detectável.

• Isolação em relação ao transmissor para evitar saturação do receptor (exemplo: rádios transceptores de comunicação full-duplex)

1.2. Seletividade Um receptor normalmente deve poder operar em uma dentre diversas freqüências de

recepção, que estão bem próximas entre si, como por exemplo, num telefone celular. Havendo vários canais adjacentes na faixa de RF, a seletividade torna-se indispensável. A seletividade é conseguida com filtros passa faixa de larguras de banda adequadas. Porém, um filtro de banda

Te F G

Ta, Si

So / No


4

muito estreita na faixa de RF e que, além disso, seja também sintonizável (que seja ajustado numa freqüência escolhida) não é viável econômica e tecnicamente. Uma solução mais viável é converter o sinal de entrada para uma freqüência menor que a freqüência de RF, chamada de freqüência intermediária (FI). Um arranjo típico de receptor bastante difundido, chamado heterodino, baseia-se num oscilador variável e um misturador associado ao uma, ou mais etapas de amplificação implementadas numa freqüência intermediária (entre a freqüência de RF e da informação - banda base). Conforme a Figura 1, após a etapa amplificadora na freqüência intermediária, o sinal recebido é finalmente demodulado.

1.2.1. O Receptor Heterodino

Como já foi dito, um receptor deve poder operar em diversas freqüências de recepção bem próximas entre si. A seleção, ou a sintonia, do canal escolhido de modo a minimizar a o sinal dos canais adjacentes, a seletividade torna-se então indispensável. Uma solução é a utilização de um canal de freqüência fixa, denominado de freqüência intermediária (FI), onde as principais etapas de ganho e filtragem de um canal se concentrarão.

Exemplo:

Um canal de rádio na freqüência de fRF = 1 GHz que possui banda passante de 10 KHz, deve ser filtrado num receptor. Há duas opções: • Se filtro operar na freqüência de 1 GHz:

BW = 10 KHz Fator Q = 1 GHz / 10 KHz = 100.000 (Q muito elevado, com implementação cara, sendo mais difícil ainda se a freqüência de recepção, fRF, tiver de ser ajustada)

• Se filtro operar na freqüência intermediária de fFI = 10 MHz:

BW = 10 KHz Fator Q = 10 MHz / 10 KHz = 1.000 (viável técnica e economicamente)

O arranjo de um receptor heterodino é mostrado na Figura 1.

Figura 1 – Receptor heterodino


5

A Figura 1 – Receptor heterodino mostra um receptor super-heterodino, onde: F1 = Filtro (passa banda) de entrada, na freqüência de recepção ( fRF ) A1 = Amplificador de RF (fRF ) M = Misturador de freqüência F2 = Filtro (passa banda) de freqüência intermediária (fFI ) A1 = Amplificador de freqüência intermediária ( fFI )

Num receptor heterodino o filtro F1 deve possuir uma banda relativamente larga (alguns

MHz), permitindo que todos os canais a serem recebidos sejam amplificados sem atenuação pelo primeiro estágio.

A seleção de cada canal (alguns KHz) será obtida utilizando-se o filtro F2, cuja freqüência central equivale a freqüência intermediária (fF2 =fFI). Adicionalmente, a escolha de uma freqüência intermediária menor do que a freqüência do sinal (fRF > fFI), permite implementar um filtro F2, bastante seletivo (fator Q elevado) e realizável com baixos custos. Para o filtro F2, são utilizados filtros cerâmicos, filtros a cristal ou filtros tipo SAW (surface acoustic wave), todas essas tecnologias permitem implementar filtros de banda estreita (alto Q), freqüência de sintonia fixa, pequeno tamanho e baixo custo.

1.2.2. Sintonia do Receptor Heterodino

A função do misturador, no receptor da Figura 1, é promover a conversão da freqüência do sinal de entrada, da freqüência fRF, para a freqüência intermediária, fFI. Se a freqüência do oscilador local for fOSC, então:

A saída do misturador possuirá sinais com duas componentes de freqüência, basicamente:

• | fOSC – fRF | • fOSC + fRF

O filtro F2 é dimensionado para a freqüência intermediária ( fFI ), que normalmente é igual à

menor freqüência do misturador ( = | fOSC – fRF | ). Como a freqüência do filtro F2 é fixa ( fFI ), a freqüência de recepção selecionada atenderá a

equação:

| fOSC – fRF | = fFI

Ou então: fRF = fOSC ± fFI

fRF = fOSC + fFI Resultando:

fRF = fOSC – fFI


6

A freqüência intermediária pode ser maior ou menor que fRF. Normalmente utiliza-se: fRF = fOSC – fFI , onde: fRF > fFI . O arranjo do receptor nesse caso é chamado de super-heterodino.

Desse modo, a seleção do canal a ser recebido é função da freqüência ajustada no oscilador local.

Exemplo: Um receptor de radiodifusão opera na faixa de 550 a 1670 kHz. O estágio de freqüência

intermediária é em 455 kHz. A faixa de freqüência do oscilador local será:

Sabendo que: fRF = fOSC – fFI , logo: fOSC = fRF + fFI fOSC = 550 + 455 a 1670 + 455 kHz = 1005 a 2125 kHz

1.2.3. Receptores de Conversão Direta (Homodinos)

Os receptores de conversão direta ou homodinos diferem dos receptores superheterodinos pelo fato do oscilador local estar sintonizado na mesma freqüência do sinal de entrada. Ou seja: fOSC = fRF . Não existindo estágios de freqüência intermediária nem outros conversores de freqüência. A Figura 2 mostra o diagrama de blocos de um receptor de conversão direta.

Figura 2 – Receptor de Conversão Direta

Na entrada do misturador M a freqüência do oscilador local (fOSC) é igual à freqüência do

sinal da portadora na entrada do misturador (fRF). O filtro passa baixa F2, permite que apenas o sinal diferença ( fOSC - fRF ) seja selecionado na saída do misturador M e este sinal é o próprio sinal modulante em banda base. Além disso, o filtro F2 também rejeita as componentes de alta freqüência porventura presentes na saída do misturador (fOSC + fRF , fOSC , fRF , etc).

O receptor de conversão direta possui uma estrutura mais simples e mais barata que um receptor superheterodino, pois não requer filtros nem etapas de amplificação de freqüência intermediária. Toda a amplificação é feita na freqüência do sinal detectado (banda base).

Vantagens do receptor de conversão direta:

- Custo menor, pois usa menos componentes;


7

- Circuito mais simples (ocupa menos espaço num CI) - Menor consumo de energia - Permite que se utilize o mesmo circuito oscilador em transceptores half duplex

Desvantagens do receptor de conversão direta:

- Menor seletividade - Oscilador local deve ser bastante estável e sua freqüência deve ser igual à do sinal de

entrada.

Apesar de suas desvantagens, devido ao seu menor custo e maior simplicidade, o receptor de conversão direta tem sido empregado em aparelhos (celulares) GSM.

1.3. Faixa Dinâmica (Controle Automático de Ganho)

De maneira a poder operar com uma ampla faixa de valores de intensidade de sinal de entrada, um rádio receptor deve possuir algum artifício de controle automático de ganho. Por exemplo, um celular operando muito próximo um muito longe de uma ERB (Estação Rádio Base) deve operar em todas as situações possíveis sem perder o sinal e sem saturar o receptor.

Conforme já foi dito, um ganho típico da ordem de 100 dB é utilizado num receptor, porém todo esse ganho deve ser controlado para que o receptor não sature (sinal elevado na antena) ou não consiga detectar os sinais recebidos com baixíssima potência na antena do receptor.

Esquematicamente, a Figura 3 mostra as diversas amplitudes de sinal num receptor desde a sua entrada, na saída da antena, até a entrada do detector.

Figura 3 – Níveis de sinal na entrada e saída de um receptor Nos receptores analógicos de voz, a saída do detector é enviada a um amplificador de áudio

e ao alto falante. Nos receptores digitais trabalhando com voz, a saída do detector é enviada a um

+13

Pb (dBm)

+3

-7

-17

Pr (dBm)

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

Ganho do Receptor

Alto Ganho

Baixo Ganho

Faixa Dinâmica na Entrada do Receptor

Processamento em Banda Base ou Demodulação

Faixa Dinâmica de Saída


8

circuito processador digital de sinal (DSP), ou ao conversor digital/analógico (DAC). A tensão na entrada de um DSP ou de um DAC está normalmente compreendida entre 1 e 1000 mV.

Exemplo: Um telefone digital TDMA, o sinal demodulado é enviado em seguida ao

conversor D/A (DAC), onde é convertido ao sinal analógico de voz. Utilizando um conversor D/A de 10 bits, onde uma tensão de 1V fornece uma resolução de 1 / 1024 ≈ 1mV, resulta numa faixa dinâmica de 20 log (1024) ≈ 60 dB. Assim, a faixa dinâmica do sinal de saída do conversor D/A é muito menor que a faixa dinâmica de 80 a 100 dB, na entrada do receptor, o que demonstra a necessidade do controle automático de ganho.

A Figura 3 mostra as faixas dinâmicas de entrada e saída do receptor. Um sistema típico de controle automático de ganho (CAG) é mostrado na Figura 4. Consiste

num amplificador de ganho controlado pela tensão, associado a um detector de CAG para converter uma amostra do sinal de FI, que é retificado no valor DC. O sinal retificado é então comparado com um nível de referência (no amplificador DC) e passado por um filtro passa baixa (FPB), para evitar que o ganho seja afetado pela modulação do sinal. A saída do filtro é então aplicada ao amplificador de ganho variável, de modo a manter o valor do sinal da amostra do sinal próxima do valor de referência.

Figura 4 – Diagrama de blocos de sistema CAG num estágio amplificador de FI

O circuito de CAG da Figura 4 atua apenas numa etapa de FI do receptor. Normalmente,

vários estágios num receptor possuem ganho controlado. A faixa dinâmica é expressa como a diferença em dB, entre o menor e o maior sinal que o receptor consegue processar. Exemplo: um receptor cujo sinal de entrada na antena pode variar entre -103 dBm e -20 dBm, possui uma faixa dinâmica de 83 dB.

1.3.1. Um Receptor Completo


9

Conforme mostrado na Figura 1, um receptor super-heterodino é composto basicamente dos seguintes blocos:

• Amplificador de Radio Freqüência e de Freqüência Intermediária - são amplificadores para

uma estreita faixa de freqüência. Sua estrutura consiste essencialmente na associação de elementos amplificadores ativos com transistores e filtros passa faixa.

• Oscilador Local – são circuitos geradores de sinal senoidal puro, ou de baixo conteúdo

harmônico. Deve possuir, portanto freqüência estável e baixíssima distorção. • Misturadores e Conversores – são circuitos que permitem efetuar a translação de freqüência

de um sinal de uma freqüência para outra, Para isso, utilizam dispositivos não lineares e podem estar associados a um filtro para a seleção da freqüência desejada.

• Demoduladores – são circuitos responsáveis pela recuperação do sinal modulante em sua forma

original (digital ou analógica).

A Figura 5 apresenta o diagrama de blocos de um circuito integrado de um receptor digital do fabricante Micrel. O receptor opera na faixa de UHF (433 MHz) e utiliza modulação ASK (amplitude switching keying) ou OOK (on-off keying), obtida ligando e desligando o oscilador do transmissor, a taxa de transmissão pode ser de até 10 kbps. Esse receptor gera um sinal digital que pode ser ligado diretamente aos circuitos de processamento digital (UART, microprocessadores ou microcontroladores) de um sistema de comunicação.


10

Figura 5 – Receptor digital da Micrel (MICRF-002)

Conforme a Figura 4, o sinal da antena é aplicado diretamente ao pino ANT do CI, nesse pino

também é ligado um filtro LC (externo) em paralelo, para rejeitar freqüências espúrias e melhorar a relação S/N. O sinal é amplificado pelo estágio RF AMP de ganho fixo e passa pelo misturador, onde será convertido para a freqüência de FI de 500 kHz. Um sintetizador de freqüência é responsável pela geração do sinal do oscilador local, a partir de um oscilador de referência acionado por um ressonador cerâmico conectado ao pino REFOSC. Após o misturador, há duas etapas amplificadoras de FI (IF AMP) que são intercaladas por um filtro passa faixa de 5ª ordem centrado em 500 kHz (500 kHz BPF ORDER 5), formando o canal de FI. O sinal amplificado e filtrado vai para um detector de pico (PEAK DETECTOR) e a um filtro passa baixa de 2ª ordem programável (LOW PASS FILTER). O detector de pico é um demodulador do tipo ASK e em sua saída é recuperado o sinal modulante, que é em seguida filtrado para eliminar vestígios de sinais de altas freqüências. Após ser filtrado, o sinal passa por um comparador (COMP), que compara o sinal detectado com o valor da tensão do circuito de AGC (controle automático de ganho). Como a tensão de saída do detector varia com o sinal presente à entrada de antena, pois se trata de um sinal analógico, o comparador é na verdade um conversor A/D de 1 bit, gerando um sinal de saída (pino DO) que assume apenas os valores binários (0 ou 1). Quando a tensão do detector é maior que VAGC é gerado o nível lógico 1, caso contrário, o nível lógico é 0. A tensão de AGC é gerada pelo circuito AGC CNTRL, que varia com a intensidade média do sinal e é filtrada pelo capacitor conectado ao pino CAGC. A tensão do circuito de AGC controla o ganho das etapas amplificadoras de FI,


11

obtendo-se uma faixa dinâmica de 83 dB (o nível de sinal na antena do receptor, pino ANT, pode variar entre -103 e -20 dBm). O receptor possui ainda um circuito para economia de bateria (WAKE UP FUNCTION) que mantém o consumo do receptor baixo se não houver nenhum sinal detectável em sua saída. O filtro de 500 kHz (FI) é implementado dentro do próprio chip, o que só é viável devido à baixa freqüência.

Finalizando, são enumeradas a seguir as vantagens do receptor de arranjo heterodino: • Permite a seleção da freqüência de sinal através de apenas um ajuste, do oscilador local,

possibilitando inclusive a sintonia através de microprocessadores (telefones celulares, rádios digitais, etc);

• Permite a utilização de um filtro seletor de canal, de freqüência central fixa e largura de banda estreita, adequada ao sinal a ser recebido em freqüências menores (FI), onde os custos e a implementação desse tipo de filtro são mais viáveis. No arranjo super-heterodino apenas

• Concentra as etapas de maior ganho em freqüências menores (super-heterodino), reduzindo custos e facilitando a implementação;

• Permite a eliminação de freqüências imagem se a freqüência do canal de FI for adequadamente escolhida

1.4. Duplexadores e Chave T/R Sistemas sem fio podem ser half-duplex ou full-duplex. Atualmente, a maior parte dos sistemas sem fio é bidirecional, requerendo a transmissão e recepção simultâneas. Sistemas full-duplex normalmente utilizam duas freqüências distintas para transmissão e recepção, o que facilita a isolação entre os sinais transmitido e recebido. Adicionalmente, utiliza-se uma mesma antena para transmitir e receber os sinais num sistema full-duplex. Assim, é necessário utilizar um dispositivo (filtro) duplexador (duplexer) entre o transmissor e o receptor, porém mantendo a conexão desses subsistemas à antena.

Se uma antena tiver de ser compartilhada simultaneamente entre o subsistema receptor e transmissor, uma solução possível é o duplexador. O duplexador, mostrado na Figura 6, consiste num dispositivo que permite a conexão permanente do transmissor e receptor à antena, garantindo ainda a isolação necessária (≈ 120 dB) entre o transmissor e o receptor. Com o isolamento, o sinal do transmissor chega até a antena, mas é atenuado até o receptor, evitando que o sinal intenso na saída do transmissor possa danificar ou saturar o receptor. De modo similar, o sinal recebido pela antena pode chegar até o receptor, mas é atenuado até o transmissor. Exemplo de aplicação: aparelhos telefones celulares.

Figura 6 – Duplexador num sistema Full-duplex


12

O duplexador é utilizado em sistemas com característica full-duplex, onde a antena está

permanentemente conectada ao transmissor e receptor. Em sistemas do tipo FDD (Frequency Division Duplexing), como os terminais AMPS e CDMA, o duplexador é basicamente um filtro que deixa passar apenas as freqüências de transmissão entre TX-Antena e a freqüência de recepção entre RX-Antena.

Exemplo: Num terminal AMPS, as freqüências de transmissão estão compreendidas entre 824-849

MHz e de recepção entre 869-894 MHz, o duplexador é um filtro duplo, com um estágio passa alta entre receptor e antena e um estágio passa baixa entre antena e transmissor. Conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7 – Filtro duplexador de um aparelho celular AMPS

Os sistemas que não requerem a conexão simultânea da antena ao receptor e transmissor,

como os terminais TDMA, GSM e outros sistemas similares, normalmente não utilizam os filtros duplexadores, usando em seu lugar as chaves T/R (transmissão / recepção). Conforme mostrado na Figura 8.

Figura 8 – Chave T/R


13

As chaves T/R são de construção mais simples, são menores e mais baratas que os filtros duplexadores. As chaves T/R são normalmente implementadas através de diodos PIN e trechos de linhas de transmissão de ¼ de onda.

2. Cristais Piezelétricos Alguns materiais cristalinos tais como o quartzo e a turmalina, além de alguns tipos de

cerâmicas apresentam uma propriedade denominada efeito piezelétrico, (piezo = esforço mecânico) que está associado à geração de cargas elétricas no material quando este é submetido a uma deformação, que normalmente é decorrente de uma força externa.

Uma substância cristalina em repouso possui carga elétrica nula, a deformação da matriz atômica do material acarreta a um desequilíbrio de cargas elétricas nessa estrutura, ocorrendo a geração de cargas elétricas mensuráveis na superfície do material. Eletrodos (placas) extremamente finos e flexíveis são então aplicados nas faces do cristal permitindo a deformação do material e o fluxo dessas cargas elétricas do cristal quando o mesmo é deformado. Do mesmo modo, como o efeito é reversível, quando o material é submetido a um campo elétrico ocorre uma deformação. Esse efeito é um fenômeno eletro-mecânico, pois o grau da deformação do cristal depende da rigidez do material e da diferença de potencial aplicado.

A deformação de um cristal de quartzo sujeito a um campo elétrico é mostrada “exageradamente” na Figura 9.

Figura 9 – Deformação de um cristal devido ao campo elétrico

Ao ser deformado, o cristal fica sujeito a esforços mecânicos internos, devido a sua rigidez,

que tende a restaurar a sua forma original. Essa deformação gera uma diferença de potencial entre seus terminais, que varia em amplitude de acordo com a deformação. O efeito piezelétrico é reversível, ao se aplicar uma diferença de potencial aos terminais de um cristal, o mesmo se deformará. Esta propriedade inclusive é utilizada para a fabricação de micro atuadores.

Se o cristal for posto a vibrar, como o mesmo possui uma rigidez e certa massa, o seu movimento de deformação pode ser modelado por um sistema massa-mola, possuindo uma freqüência natural de vibração.

Quando o cristal é posto a vibrar, é gerada uma diferença de potencial entre seus terminais que muda de sinal de acordo com a deformação.Desse modo, o cristal se comporta como um circuito RLC ressonante.

Normalmente os cristais piezelétricos são montados em cápsulas metálicas herméticas conforme a Figura 10.


14

Figura 10 – Cristais com encapsulamento metálico (esquerda) e

Cristal piezelétrico aberto (direita) A Figura 10 mostra um cristal oscilador aberto, onde nota-se o cristal, os eletrodos (placas)

metálicos depositados por difusão sobre o cristal e os dois terminais de conexão. Os cristais piezelétricos são utilizados na fabricação de osciladores, filtros, etc. Tendo largo

emprego em sistemas de comunicação e outras aplicações, tais como: telefones celulares, telefones sem fio, computadores, brinquedos, etc. Sendo um sólido que vibra numa freqüência definida pela rigidez e massa do material, o cristal é semelhante a um circuito ressonante RLC. A Figura 11 apresenta o circuito equivalente elétrico do cristal, onde L1, C1 e R1 modelam o efeito piezo-elétrico. A capacitância C0 é devida aos eletrodos de conexão do cristal, normalmente duas placas metálicas paralelas, depositadas sobre o material cristalino. Na figura, são mostradas as freqüências de ressonância série e paralelo de um cristal. A reatância total é nula na ressonância série, por outro lado, a reatância muda rapidamente de sinal (indutiva para capacitiva) na freqüência de ressonância paralela, também chamada de anti-ressonância. Essa freqüência estão muito próximas,

Figura 11 - Circuito equivalente e gráfico de impedância de um cristal


15

Os elementos L1, C1 e R1 dependem das características físicas e mecânicas do cristal, tais como: dimensões, rigidez, composição química, etc. As características físicas de um cristal praticamente não se alteram, resultando na elevada estabilidade da freqüência de ressonância. Além disso, comparado aos circuitos ressonantes LC, os cristais apresentam fator Q elevado (da ordem de 100.000), o que é normalmente acima de 1000 vezes melhor que os circuitos LC. Conforme o gráfico da Figura 11, um cristal possui duas freqüências características, uma freqüência de ressonância série e outra freqüência de ressonância paralela, também clamada anti-ressonância. As freqüências de ressonância (série / paralela) de um cristal são dadas pela seguinte equação:

CLf

12

1

π=

Onde: C = C1 para freqüência de ressonância série (f = fs)

10

10

CC

CCC

+= para freqüência de ressonância paralela (f = fp)

Conforme o gráfico da Figura 11, um cristal pode se comportar como uma reatância predominantemente capacitiva, nula ou indutiva. Como o fator Q de um cristal é bastante elevado, a difereça de frequência entre uma região e outra é muito pequena. Na prática, um cristal é utilizado numa dessas regiões, associado a elementos reativos externos (capacitores e indutores). Os cristais piezelétricos podem ser empregados na construção de circuitos osciladores, sendo utilizados no modo série ou paralelo. Um exemplo de oscilador a cristal tipo Colpitts é mostrado na Figura 12.

Figura 12 – Oscilador a Cristal (modo Paralelo)

O sinal de saída do oscilador da Figura 12 é através do emissor (E1). O cristal no circuito oscilador anterior se comporta como um indutor associado aos dois capacitores C1 e C2. Para analisar o circuito anterior, utiliza-se o circuito equivalente da fig .....


16

2.1. Filtros e Ressonadores Cerâmicos

Algumas cerâmicas, que são materiais sintéticos obtidos pela mistura e prensagem de algumas substâncias, também apresentam o efeito piezelétrico. Os ressonadores cerâmicos, como os cristais de quartzo, podem ser empregados na construção de osciladores e filtros de alta freqüência. A Figura 13 mostra diversos ressonadores (2 terminais) e filtros cerâmicos (3 terminais).

Figura 13 – Ressonadores e filtros cerâmicos

Os ressonadores cerâmicos utilizam as propriedades de ressonância mecânica das cerâmicas piezelétricas (normalmente utiliza-se a “Lead Zirconate Titanate” = PZT), que pode apresentar diferentes modos de vibração, com diferentes freqüências de ressonância. O desenho dos ressonadores cerâmicos utiliza um substrato cerâmico que recebe dois eletrodos metálicos no topo e na base do ressonador. Quando uma tensão é aplicada entre os eletrodos, ocorre a vibração do substrato cerâmico. A espessura do substrato define a freqüência de ressonância do ressonador.

Os ressonadores cerâmicos são dispositivos de dois terminais e os filtros cerâmicos possuem três terminais de conexão. Os ressonadores cerâmicos oferecem uma alternativa de menor custo aos cristais de quartzo, para a estabilização da freqüência de osciladores.

Em relação aos cristais de quartzo, os ressonadores cerâmicos, sendo composto de materiais sintéticos, são mais facilmente produzidos em massa. Os ressonadores cerâmicos de encapsulamento SMD são aproximadamente 25 a 50% mais baratos e de 50 a 75% mais baratos em encapsulamento convencional, quando comparados aos cristais de quartzo. Os ressonadores cerâmicos podem ser fabricados em dimensões mais reduzidas que os cristais de quartzo, tornando-os uma boa opção para a miniaturização dos circuitos eletrônicos. Em termos de resistência mecânica, os ressonadores cerâmicos são mais resistentes e mais imunes a choques e vibrações em relação aos cristais de quartzo.


17

Figura 14 – Modelo do Ressonador Cerâmico

Figura 15 – Curva de Resposta do Ressonador Cerâmico

Figura 16 – Modos de Vibração do Ressonador Cerâmico

departamento de eletrÔnica e telecomunicaÇÕes circuitos de ...gil/circom/receptores.pdf · o...

Documents