receptor es

18
  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

Upload: rovillare

Post on 18-Jul-2015

106 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 1/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

1

1. Radioreceptores........................................................................................................................21.1. Sensibilidade....................................................................................................................21.1.1. Sinal Mínimo Detectável .............................................................................................31.2. Seletividade......................................................................................................................3

1.2.1. O Receptor Heterodino ............................................................................................41.2.2. Sintonia do Receptor Heterodino .............................................................................51.2.3. Receptores de Conversão Direta (Homodinos)........................................................6

1.3. Faixa Dinâmica (Controle Automático de Ganho) ..........................................................71.3.1. Um Receptor Completo ...........................................................................................8

1.4. Duplexadores e Chave T/R ............................................................................................112. Cristais Piezelétricos ..............................................................................................................13

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

Page 2: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 2/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

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 epermitindo um melhor uso do espectro radioelétrico por mais usuários, cobrindo maiores distânciase 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. SensibilidadeÉ 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, asensibilidade é expressa em volts ou em dBm de intensidade de sinal, na entrada do receptor, paraobter-se uma certa potência na saída de um receptor de sinal de voz ou obter-se uma certa taxa deerros, no caso de um receptor digital. Intensidades de sinal muito baixas se tornam não inteligíveis enão detectáveis.

Exemplos:

1)  Para o circuito integrado TDA-7000 (receptor de FM da Phillips): Sensibilidade = 1,5 uV, parauma 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, comciclo de trabalho de 50%.

Para aumentar a sensibilidade de um sistema receptor, devem ser utilizadas etapasamplificadoras. Num receptor ideal a sensibilidade deve ser elevada, porém, conforme serámostrado, 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 deinformação devido à distorção do sinal. Normalmente, um receptor possui um ganho máximo de 90a 120 dB, para restaurar a potência do sinal recebido próximo ao valor do sinal presente na entradado transmissor. Um ganho de potência de 100 dB corresponde a um ganho de tensão de 100.000vezes e toda essa amplificação não deve ser totalmente concentrada numa única etapaamplificadora, 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 umamplificador aumentam com a freqüência de trabalho é um aspecto que leva a concentrar as etapasde maior ganho de um receptor nos estágios amplificadores em freqüências menores

(amplificadores de FI).

Page 3: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 3/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

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 umdeterminado 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 naentrada 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 55Celular AMPS 18

Demodulação AM-PCM 30 a 40Demodulação 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  N SSINAD +=

+

= 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 derelação sinal-ruído (SNRmin) ou SINAD e o ruído na entrada do sistema receptor, pode-se calcular apotência mínima de sinal detectável.

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

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

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

TeFG

Ta Si

So / No

Page 4: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 4/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

4

muito estreita na faixa de RF e que, além disso, seja também sintonizável (que seja ajustado numafreqüência escolhida) não é viável econômica e tecnicamente. Uma solução mais viável é convertero sinal de entrada para uma freqüência menor que a freqüência de RF, chamada de freqüênciaintermediária (FI).

Um arranjo típico de receptor bastante difundido, chamado heterodino, baseia-se numoscilador variável e um misturador associado ao uma, ou mais etapas de amplificaçãoimplementadas numa freqüência intermediária (entre a freqüência de RF e da informação - bandabase). Conforme a Figura 1, após a etapa amplificadora na freqüência intermediária, o sinalrecebido é finalmente demodulado.

1.2.1. O Receptor Heterodino

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

Exemplo:

Um canal de rádio na freqüência de f  RF = 1 GHz que possui banda passante de 10 KHz, deveser filtrado num receptor. Há duas opções:

•  Se filtro operar na freqüência de 1 GHz:BW = 10 KHzFator Q = 1 GHz / 10 KHz = 100.000 (Q muito elevado, com implementação cara, sendo maisdifícil ainda se a freqüência de recepção, f  RF , tiver de ser ajustada)

•  Se filtro operar na freqüência intermediária de f FI = 10 MHz:BW = 10 KHzFator 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

Page 5: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 5/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

5

A Figura 1 – Receptor heterodino mostra um receptor super-heterodino, onde:

F1 = Filtro (passa banda) de entrada, na freqüência de recepção ( f  RF  )A1 = Amplificador de RF ( f  RF )M = Misturador de freqüênciaF2 = Filtro (passa banda) de freqüência intermediária ( f FI )A1 = Amplificador de freqüência intermediária ( f FI )

Num receptor heterodino o filtro F1 deve possuir uma banda relativamente larga (algunsMHz), permitindo que todos os canais a serem recebidos sejam amplificados sem atenuação peloprimeiro estágio.

A seleção de cada canal (alguns KHz) será obtida utilizando-se o filtro F2, cuja freqüência

central equivale a freqüência intermediária ( f F2 = f FI ). Adicionalmente, a escolha de uma freqüênciaintermediária menor do que a freqüência do sinal ( f  RF  >  f FI ), permite implementar um filtro F2,bastante seletivo (fator Q elevado) e realizável com baixos custos. Para o filtro F2, são utilizadosfiltros cerâmicos, filtros a cristal ou filtros tipo SAW (surface acoustic wave), todas essastecnologias 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 f  RF , para a freqüência intermediária, f FI . Se a freqüência do osciladorlocal for f OSC , então:

A saída do misturador possuirá sinais com duas componentes de freqüência, basicamente:•  | f OSC  –  f  RF |

•   f OSC  + f  RF  

O filtro F2 é dimensionado para a freqüência intermediária ( f FI  ), que normalmente é igual àmenor freqüência do misturador ( = | f OSC  –  f  RF | ).

Como a freqüência do filtro F2 é fixa ( f FI ), a freqüência de recepção selecionada atenderá aequação:

| f OSC  –  f  RF | = f FI  

Ou então: f  RF  = f OSC  ±  f FI 

 f  RF  = f OSC  + f FI  

Resultando: f  RF  = f OSC  – f FI  

Page 6: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 6/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

6

A freqüência intermediária pode ser maior ou menor que  f  RF . Normalmente utiliza-se:  f  RF  =

 f OSC  – f FI  , onde:  f  RF  > f FI . 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 freqüênciaintermediária é em 455 kHz. A faixa de freqüência do oscilador local será:

Sabendo que:  f  RF  = f OSC  – f FI  , logo:  f OSC  = f  RF  + f FI  

 f OSC  = 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 superheterodinospelo fato do oscilador local estar sintonizado na mesma freqüência do sinal de entrada. Ou seja:

 f OSC  = f  RF  . Não existindo estágios de freqüência intermediária nem outros conversores defreqüência. 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 ( f OSC ) é igual à freqüência dosinal da portadora na entrada do misturador ( f  RF ). O filtro passa baixa F2, permite que apenas o sinaldiferença (  f OSC  -  f  RF  ) seja selecionado na saída do misturador M e este sinal é o próprio sinalmodulante em banda base. Além disso, o filtro F2 também rejeita as componentes de alta freqüênciaporventura presentes na saída do misturador ( f OSC + f  RF , f OSC , f  RF  , etc).

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

Vantagens do receptor de conversão direta:-  Custo menor, pois usa menos componentes;

Page 7: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 7/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

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 deconversão 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. Porexemplo, 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, porémtodo esse ganho deve ser controlado para que o receptor não sature (sinal elevado na antena) ou nãoconsiga detectar os sinais recebidos com baixíssima potência na antena do receptor.

Esquematicamente, a Figura 3 mostra as diversas amplitudes de sinal num receptor desde asua 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 áudioe 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 doReceptor

Alto Ganho

Baixo Ganho

FaixaDinâmicana Entrada

do Receptor

Processamento emBanda Base ouDemodulação

FaixaDinâmicade Saída

Page 8: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 8/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

8

circuito processador digital de sinal (DSP), ou ao conversor digital/analógico (DAC). A tensão naentrada 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 aoconversor D/A (DAC), onde é convertido ao sinal analógico de voz. Utilizando um conversor D/Ade 10 bits, onde uma tensão de 1V fornece uma resolução de 1 / 1024 ≈ 1mV, resulta numa faixadinâmica de 20 log (1024) ≈ 60 dB. Assim, a faixa dinâmica do sinal de saída do conversor D/A émuito menor que a faixa dinâmica de 80 a 100 dB, na entrada do receptor, o que demonstra anecessidade 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 converteruma amostra do sinal de FI, que é retificado no valor DC. O sinal retificado é então comparado comum nível de referência (no amplificador DC) e passado por um filtro passa baixa (FPB), para evitarque o ganho seja afetado pela modulação do sinal. A saída do filtro é então aplicada ao amplificadorde ganho variável, de modo a manter o valor do sinal da amostra do sinal próxima do valor dereferência.

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 adiferença em dB, entre o menor e o maior sinal que o receptor consegue processar. Exemplo: umreceptor cujo sinal de entrada na antena pode variar entre -103 dBm e -20 dBm, possui uma faixadinâmica de 83 dB.

1.3.1. Um Receptor Completo

Page 9: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 9/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

9

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

•  Amplificador de Radio Freqüência e de Freqüência Intermediária - são amplificadores parauma estreita faixa de freqüência. Sua estrutura consiste essencialmente na associação deelementos amplificadores ativos com transistores e filtros passa faixa.

•  Oscilador Local – são circuitos geradores de sinal senoidal puro, ou de baixo conteúdoharmônico. Deve possuir, portanto freqüência estável e baixíssima distorção.

•  Misturadores e Conversores – são circuitos que permitem efetuar a translação de freqüênciade um sinal de uma freqüência para outra, Para isso, utilizam dispositivos não lineares e podemestar associados a um filtro para a seleção da freqüência desejada.

•  Demoduladores – são circuitos responsáveis pela recuperação do sinal modulante em sua formaoriginal (digital ou analógica).

A Figura 5 apresenta o diagrama de blocos de um circuito integrado de um receptor digital dofabricante 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 dotransmissor, a taxa de transmissão pode ser de até 10 kbps. Esse receptor gera um sinal digital quepode ser ligado diretamente aos circuitos de processamento digital (UART, microprocessadores oumicrocontroladores) de um sistema de comunicação.

Page 10: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 10/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

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 pinotambém é ligado um filtro LC (externo) em paralelo, para rejeitar freqüências espúrias e melhorar arelação 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 éresponsável 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 etapasamplificadoras de FI (IF AMP) que são intercaladas por um filtro passa faixa de 5ª ordem centradoem 500 kHz (500 kHz BPF ORDER 5), formando o canal de FI. O sinal amplificado e filtrado vaipara 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 érecuperado o sinal modulante, que é em seguida filtrado para eliminar vestígios de sinais de altasfreqüências. Após ser filtrado, o sinal passa por um comparador (COMP), que compara o sinaldetectado com o valor da tensão do circuito de AGC (controle automático de ganho). Como atensão de saída do detector varia com o sinal presente à entrada de antena, pois se trata de um sinalanalógico, o comparador é na verdade um conversor A/D de 1 bit, gerando um sinal de saída (pinoDO) que assume apenas os valores binários (0 ou 1). Quando a tensão do detector é maior que V AGC 

é gerado o nível lógico 1, caso contrário, o nível lógico é 0. A tensão de AGC é gerada pelo circuitoAGC CNTRL, que varia com a intensidade média do sinal e é filtrada pelo capacitor conectado aopino CAGC. A tensão do circuito de AGC controla o ganho das etapas amplificadoras de FI,

Page 11: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 11/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

11

obtendo-se uma faixa dinâmica de 83 dB (o nível de sinal na antena do receptor, pino ANT, podevariar entre -103 e -20 dBm). O receptor possui ainda um circuito para economia de bateria (WAKEUP FUNCTION) que mantém o consumo do receptor baixo se não houver nenhum sinal detectávelem sua saída. O filtro de 500 kHz (FI) é implementado dentro do próprio chip, o que só é viáveldevido 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, rádiosdigitais, etc);

•  Permite a utilização de um filtro seletor de canal, de freqüência central fixa e largura debanda 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/RSistemas 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 aisolação entre os sinais transmitido e recebido. Adicionalmente, utiliza-se uma mesma antena paratransmitir 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 dessessubsistemas à antena.

Se uma antena tiver de ser compartilhada simultaneamente entre o subsistema receptor etransmissor, uma solução possível é o duplexador. O duplexador, mostrado na Figura 6, consistenum dispositivo que permite a conexão permanente do transmissor e receptor à antena, garantindoainda a isolação necessária (≈ 120 dB) entre o transmissor e o receptor. Com o isolamento, o sinaldo transmissor chega até a antena, mas é atenuado até o receptor, evitando que o sinal intenso nasaída 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

Page 12: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 12/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

12

O duplexador é utilizado em sistemas com característica  full-duplex, onde a antena estápermanentemente 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 quedeixa passar apenas as freqüências de transmissão entre TX-Antena e a freqüência de recepção entreRX-Antena.

Exemplo:

Num terminal AMPS, as freqüências de transmissão estão compreendidas entre 824-849MHz e de recepção entre 869-894 MHz, o duplexador é um filtro duplo, com um estágio passa altaentre receptor e antena e um estágio passa baixa entre antena e transmissor. Conforme mostrado naFigura 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 filtrosduplexadores, usando em seu lugar as chaves T/R (transmissão / recepção). Conforme mostrado naFigura 8.

Figura 8 – Chave T/R

Page 13: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 13/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

13

As chaves T/R são de construção mais simples, são menores e mais baratas que os filtrosduplexadores. As chaves T/R são normalmente implementadas através de diodos PIN e trechos delinhas 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 umadeformação, que normalmente é decorrente de uma força externa.

Uma substância cristalina em repouso possui carga elétrica nula, a deformação da matrizatômica do material acarreta a um desequilíbrio de cargas elétricas nessa estrutura, ocorrendo ageração 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 ofluxo dessas cargas elétricas do cristal quando o mesmo é deformado. Do mesmo modo, como oefeito 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 darigidez 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 entreseus terminais, que varia em amplitude de acordo com a deformação. O efeito piezelétrico éreversível, ao se aplicar uma diferença de potencial aos terminais de um cristal, o mesmo sedeformará. 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 seumovimento de deformação pode ser modelado por um sistema massa-mola, possuindo umafreqüência natural de vibração.

Quando o cristal é posto a vibrar, é gerada uma diferença de potencial entre seus terminaisque 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 herméticasconforme a Figura 10.

Page 14: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 14/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

14

Figura 10 – Cristais com encapsulamento metálico (esquerda) eCristal 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 largoemprego em sistemas de comunicação e outras aplicações, tais como: telefones celulares, telefonessem fio, computadores, brinquedos, etc.

Sendo um sólido que vibra numa freqüência definida pela rigidez e massa do material, ocristal 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 aoseletrodos de conexão do cristal, normalmente duas placas metálicas paralelas, depositadas sobre omaterial cristalino. Na figura, são mostradas as freqüências de ressonância série e paralelo de umcristal. A reatância total é nula na ressonância série, por outro lado, a reatância muda rapidamentede 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  

Page 15: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 15/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

15

Os elementos L1, C1 e R1 dependem das características físicas e mecânicas do cristal, taiscomo: dimensões, rigidez, composição química, etc. As características físicas de um cristalpraticamente não se alteram, resultando na elevada estabilidade da freqüência de ressonância. Alémdisso, comparado aos circuitos ressonantes LC, os cristais apresentam fator Q elevado (da ordem de100.000), 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, umafreqüência 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 seguinteequação:

C  L f 

12

1

π  

=  

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

10

10

C C 

C C C 

+

= para freqüência de ressonância paralela (f = f p)

Conforme o gráfico da Figura 11, um cristal pode se comportar como uma reatânciapredominantemente capacitiva, nula ou indutiva. Como o fator Q de um cristal é bastante elevado, adifereça de frequência entre uma região e outra é muito pequena. Na prática, um cristal é utilizadonuma 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 circuitooscilador 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 .....

Page 16: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 16/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

16

2.1. Filtros e Ressonadores Cerâmicos

Algumas cerâmicas, que são materiais sintéticos obtidos pela mistura e prensagem de algumassubstâncias, também apresentam o efeito piezelétrico. Os ressonadores cerâmicos, como os cristaisde quartzo, podem ser empregados na construção de osciladores e filtros de alta freqüência. AFigura 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 cerâmicaspiezelétricas (normalmente utiliza-se a “Lead Zirconate Titanate” = PZT), que pode apresentar

diferentes modos de vibração, com diferentes freqüências de ressonância. O desenho dosressonadores cerâmicos utiliza um substrato cerâmico que recebe dois eletrodos metálicos no topo ena base do ressonador. Quando uma tensão é aplicada entre os eletrodos, ocorre a vibração dosubstrato 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 trêsterminais de conexão. Os ressonadores cerâmicos oferecem uma alternativa de menor custo aoscristais 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 deencapsulamento SMD são aproximadamente 25 a 50% mais baratos e de 50 a 75% mais baratos emencapsulamento convencional, quando comparados aos cristais de quartzo. Os ressonadorescerâmicos 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 resistênciamecânica, os ressonadores cerâmicos são mais resistentes e mais imunes a choques e vibrações emrelação aos cristais de quartzo.

Page 17: Receptor Es

5/16/2018 Receptor Es - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/receptor-es 17/17

 

 

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E TELECOMUNICAÇÕESCIRCUITOS DE COMUNICAÇÃOPROF. GIL PINHEIRO(Versão: julho/2006) 

17

Figura 14 – Modelo do Ressonador Cerâmico

Figura 15 – Curva de Resposta do Ressonador Cerâmico

Figura 16 – Modos de Vibração do Ressonador Cerâmico