APOSTILA ELE 276

CIRCUITOS

de

COMUNICAÇÕES

Parte 1

PROF. ARILSON BASTOS

1

CIRCUITOS DE COMUNICAÇÕES

Realimentação negativa =⟩+⇒ 1AB1 (Atenuação Degeneração)

Realimentação positiva =⟨+⇒ 1AB1 (Ganho Regeneração)

REALIMENTAÇÃO NEGATIVA

Características: 1) Estabiliza o ganho de tensão; 2) Aumenta a impedância de entrada; 3) Diminui a impedância de saída; 4) Atenua ruído → Aumenta a relação sinal/ruído e BW com o advento dos transistores e CI´s

surgiram mais 3 tipos de realimentação negativa. (Total = 4). a) Fonte de tensão controlada por tensão (VcVs) (Voltage – Controled Voltage Source) → Av;

Zin = ∞; Zo = 0. b) Fonte de tensão controlada por corrente (IcVs) → Rm = Amplificador de transresistência;

Zin = 0; 0Z0 = (Conversor I/V).

c) Fonte de corrente controlada por tensão (VcIs) → gm = Amplificador de transcondutância; Zin = ∞; Zo = ∞ (Conversor V/I).

d) Fonte de corrente controlada por corrente (IcIs) → Ai = Amplificador de corrente; Zin = 0; Zo = ∞.

REALIMENTAÇÃO NEGATIVA

Representação esquemática de um amplificador realimentado com malha única

REALIMENTAÇÃO POSITIVA

2

Amplificador de tensão com realimentação série de tensão

Amplificador de transcondutância com realimentação série de corrente

Amplificador de corrente com realimentação paralela de corrente

Amplificador de transresistência com realimentação paralela de tensão

Topologia de amplificadores com realimentação. A resistência de fonte Rs é considerada

como sendo parte do amplificador.

DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS REALIMENTAÇÃO NEGATIVA

Fonte de tensão controlada por tensão

Fonte de tensão controlada por corrente

Fonte de corrente controlada por tensão

Fonte de corrente controlada por corrente

3

FÓRMULAS

Fração de Realimentação ⇒⇒⇒⇒====ββββ⇒⇒⇒⇒ββββOUT

2

VV

fator de atenuação β⇒

Ganho de tensão em malha fechada β+

=⇒VOL

VOLV A1

AA

Ideal ⇒ fazer βVOLA muito grande, pois melhora a estabilidade do circuito. Então

aproxima-se a expressão anterior para β

≅ 1A V .

TOPOLOGIAS DE CIRCUITOS REALIMENTADOS

Paralelo-paralelo

Série-paralelo

4

Paralelo-série

Série-série

CIRCUITOS DISCRETOS REALIMENTADOS

Realimentação paralela de tensão

Amplificador sem alimentação, mas incluindo a influência de R¹

Par com realimentação do segundo coletor para o primeiro emissor

5

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA EM MALHA FECHADA

CMINVOLIN R//R)A1()CL(Z β+=

Onde: =INR Resistência de entrada malha aberta

=CMR Resistência de entrada modo comum

IMPEDÂNCIA DE SAÍDA EM MALHA FECHADA

β+=

VOL

OUTOUT A1

R)CL(Z

Onde: =OUTR Resistência de saída malha aberta

DISTORÇÃO NÃO LINEAR

O uso da realimentação negativa, diminui a distorção nos amplificadores. A distorção linear produz harmônicos interferente.

Por Exemplo: Se um amplificador gera 1 kHz senoidal puro na saída, pode também

gerar outras ondas de 2 kHz, 3 kHz etc. O valor de todos os harmônicos medidos juntos se dá em VRMS –

(Distorção Harmônica).

100%lfundamentaTensão

totalharmônicaTensão)DistortionHarmonic(TotalTHD ×=

EXERCÍCIOS

1) No circuito abaixo, determine a fração de realimentação e ganho de tensão em malha fechada.

Dados: 2

VOL 10A =

6

Solução:

40025,011

A

025,0K9,3100

100RR

R

V

V

V

F1

1

OUT

2

==β

=

=+

=+

==β

2) A partir do circuito anterior, determinar )CL(Z IN , ).CL(ZOUT Suponha que o amplificador

tenha um, THD = 7,5%, determinar THD (CL). Dados: Ω= M2RIN ; Ω= M200RCM ; ;000.100A VOL = 025,0=β ; Ω= 75ROUT .

Solução:

%003,0500.2

%5,7A1

THD)CL(THD

03,0500.2

75A1

R)CL(Z

M192M200//M000.5)CL(Z

M000.5)M2()500.2(R)A1()CL(Z

500.2)025,0()000.100(1A1

VOL

VOL

OUTOUT

IN

INVOLIN

VOL

==β+

=

Ω=Ω=β+

=

Ω=ΩΩ=Ω=Ω×⇒β+≅

≅×+=β+

ESTABILIDADE

É o parâmetro que define se o circuito é auto-oscilante.

DIAGRAMA DE BLOCOS

R(S) = Sinal referência B(S) = Retroação E(S) = Sinal atuante C(S) = Variável controlada H(S) = Função de transferência de retroação

Função de transferência malha fechada = F.T.M.F

)S(H)S(G1)S(G

)S(R)S(C

F.M.T.F×+

==

Equação característica = 0)S(H)S(G1 =×+

7

DIAGRAMA DE PÓLOS E ZEROS

Este diagrama mostra através dos coeficientes no gráfico se o circuito e instável ou

estável. • Zeros são os valores em (S) que anulam o numerador . 0 • Pólos são os valores em (S) que anulam o denominador . (x)

Exemplo: )2S(S)1S(Z

)S(G++=

O sistema é estável se os pólos estão no semi-plano (S) da esquerda. O sistema é instável se ∃ ao menos um pólo no semi-plano (S) da direita.

OBS.: Os zeros afetam as fases do sistema.

ESTÁVEL

INSTÁVEL

INSTÁVEL OSCILADOR IDEAL

8

OSCILADOR SENOIDAL

• Deve possuir um dispositivo ativo (transistor, amplificador operacional) capaz de

proporcionar ganho (amplificar); • Dever possuir uma malha responsável pela estabilidade em freqüência; • Deve possuir um sistema de controle de amplitude.

CONDIÇÕES DE BARKHAUSEN

Para que um circuito oscilador senoidal funcione é preciso que duas condições sejam atendidas: • O ganho do circuito fechado deve ser igual a 1. • O deslocamento total da fase do sinal no circuito deve ser de zero radianos.

0)j(Le1)j(L 00 =ω∠=ω

CRITÉRIO DE OSCILAÇÃO • A realimentação deve ser positiva • O ganho de malha deve ser unitário

Critério de Barkhausen

1)j(B)j(A 00 =ωω

0)j(Le1)j(L 00 =ω∠=ω

9

ESTABILIDADE E A POSIÇÃO DOS PÓLOS

Podemos analisar a estabilidade verificando a

posição dos pólos da equação

característica

LOCALIZAÇÃO DOS PÓLOS

É criado um par de pólos complexos conjugados exatamente colocados no eixo imaginário do plano complexo para garantir a instabilidade do circuito e a conseqüente oscilação.

10

MALHA DE REALIMENTAÇÃO DO OSCILADOR

)S(B)S(A1)S(A

)S(A f −=

REALIMENTAÇÂO POSITIVA

CRITÉRIOS DE BARKHAUSEN

0

1A

=φ

=β

A1A

V

V

i

0

β−=

Realimentação Positiva

AB1A

V

V

I

0

−=

Realimentação Negativa

AB1A

V

V

I

0

+=

11

OSCILADORES SENOIDAIS - TIPOS

OSCILAÇÃO INICIAL

• Quando inicialmente energizado, o único sinal no circuito oscilador é o ruído. • Como componente deste ruído, a freqüência que satisfaz a condição de fase da oscilação,

é propagada em todo o ciclo com amplitude crescente. • A amplitude continua a aumentar até que o ganho do amplificador seja reduzido, quer por

não-linearidades dos elementos ativos (“auto-limitação”) ou por algum controle de nível automático.

OSCILADOR SENOIDAL POR DESLOCAMENTO DE FASE (SHIFL PHASE OSCILATTOR)

• Oscilador por deslocamento de fase é o termo destinado a uma classe de circuitos

osciladores cuja topologia usa uma rede RC na malha de realimentação de um transistor ou amplificador operacional para gerar a necessária mudança de fase em uma freqüência particular para sustentar as oscilações.

• São moderadamente estáveis na freqüência e amplitude, e muito fácil de projetar e construir.

OSCILADOR SENOIDAL POR DESLOCAMENTO DE FASE

21

21

1S

)tsin(ω+

ω⇔ω

12

Oscilador por deslocamento de fase

29R

RA F == para oscilar!

6RC2

1f

π=

OSCILADOR POR DESLOCAMENTO DE FASE COM TRANSISTOR

13

PONTE DE WIEN

Possui uma realimentação positiva dependente da freqüência e uma realimentação negativa independente da freqüência.

OSCILADOR LC

21

21

2

2

212

2

t0

2

t0

1

CC

CCC

0idt

idLC

0C

iCi

dt

idL

0idtC1

idtC1

dtdi

L

+=

=+

=++

=∫+∫+

Oscilador Hartley

C)LL(

1

210

+=ω

Oscilador Colpitts

21

21T

T0 CC

CCC

LC

1+

==ω

14

OSCILADOR A CRISTAL

PARÂMETROS IMPORTANTES

Transcondutância: É a taxa de variação da corrente de dreno em relação a tensão aplicada na porta/fonte.

Transcondutância mede uma variação da corrente de dreno em função de uma tensão aplicada na porta/fonte.

Matematicamente temos:

vgsid

gm =

Quando o sinal da fonte é corrente, este é chamado de amplificador de transimpedância ou transresistência. Um circuito com o amplificador operando no modo de transimpedância (transresistência) significa transformar a fotocorrente de entrada do fotodiodo em tensão de saída. Os outros tipos de amplificadores são o transcondutância, βVOLA = Ganho de malha de um circuito hie = Impedância de entrada de um circuito hfe = Ganho de amplificação do transistor VCVS = Fonte controlada por tensão.(Av) ICVS = Fonte controlada por corrente. VCIS = Fonte de corrente controlada por tensão.(Gm) ICIS = Fonte de corrente controlada por corrente. AVol = Ganho de malha aberta AVcl = Ganho de malha fechada VT = Variação da tensão com relação a temperatura

15

CRISTAIS

Tipos de cristais : sais de rochelle, turmalina e Quartzo. Rochelle = muito quebrável Turmalina = freqüência muito alta Quartzo = mais econômico

A forma natural é de um prisma hexagonal. O seu corte vai determinar a sua freqüência fundamental ou freqüência mais alta (sobreton), freqüências múltiplas da fundamental.

Através do efeito piezoelétrico, os cristais podem gerar uma freqüência de ressonância.

PARÂMETROS DO CRISTAL PARA FINS DE PROJETOS Fs = Freqüência de ressonância série Fp = Freqüência de ressonância paralela Ls = Indutância série Cs = capacitância série Cp = Capacitância paralela Rs = Resistência série Cm = Capacitância dielétrica estática Ws = Velocidade angular série (freqüência) Wp = Velocidade angular paralela (freqüência) Q = Fator de qualidade do cristal (muito alta)

CRISTAL

CIRCUITO EQUIVALENTE

FREQUÊNCIA OPERACIONAL

• A menor freqüência fundamental disponíveis em um cristal de quartzo é cerca de 1 MHz. • A maior freqüência fundamental é de cerca de 32 MHz, acima do qual, o cristal se torna

muito fino e delicado para ser manuseado. • Em sobretom, ou seja, atuando com harmônicos pode operar de 30 MHz a 250 MHz (3rd;

5th; 7th; 9th).

16

QUARTZO & CERÂMICA

• O material piezelétrico do elemento ressonante pode ser quartzo ou cerâmica. • O quartzo apresenta menor tolerância de freqüência, menor variação com a temperatura e

menor capacitância própria e, por isso, é adequado para freqüências mais altas. • A cerâmica tem melhor resistência mecânica, menor volume e menor custo e é usada em

muitas aplicações, onde as melhores características do quartzo não são determinantes.

OSCILADOR PIERCE • Um cristal operando na região de ressonância paralela apresenta-se ao circuito como um

indutor e pode, então, substituir a reatância indutiva no oscilador Colpitts dando origem ao oscilador Pierce.

Equivalente Elétrico

Símbolo

Equivalente Elétrico

17

Reatâncias XTAL

EXERCÍCIOS

1) Dado o circuito abaixo, determinar: a) Qual o nome do circuito oscilador? b) Qual a fração de realimentação? c) Qual o ganho de tensão que o circuito precisa para iniciar as oscilações? d) Qual a freqüência de oscilação?

18

SOLUÇÃO

a) Oscilador Colpitts

b) 1,0F01,0F001,0

C

CB

2

1 =µµ

⇒=

c) Mínimo de: 10C

CAV10

F001,0F01,0

AV1

2m)MÍNIMO( ===

µµ

=

d) A capacitância equivalente pF909F01,0001,0F01,0001,0

C =µ+µ×

=⇒

MHz36,1FpF909H152

1

LC2

1F RR =∴

×µπ⇒

π=

2) Exemplo de Projeto

Como exemplo, considere o oscilador Colpitts em base comum na figura a baixo. Dimensionar o oscilador para a freqüência de 400 kHz, dados: 1) Resistência de carga Ω= K10RL 2) Indutância L=100 µH 3) Tensão de alimentação V10VCC = 4) Tensão de polarização de emissor

V1VEq =

5) Excursão de tensão no coletor igual a 10 V

6) Β=500, 0C EB´` ≅ (desprezível) e

V7,0VBEq =

Oscilador Colpitts em base comum Polarização:

Pela especificação de excursão de tensão no coletor, temos

mA11010

10R

VI

3L

mcq =

•==

Ω=→=•×→=→= − K1R1101R1IR1V E3

ECqEEq

A tensão da base é V7,17,01VBq =+=

E conseqüentemente V7,1V 2Rb =

V3,87,110V 1Rb =−=

19

Considerando a corrente que circula por 2b1b ReR iguais, e dez vezes superior a

BqI , temos

A2500101101

I33

Bq µ=•=β

•=−−

A2010210I10II 6Bq2Rb1Rb µ=•×=×== −

Ω=→•

==−

K85R1020

7,1I

VR 2b6

2Rb

2Rb2b

Ω=→•

==−

K415R1020

3,8I

VR 1b6

1Rb

1Rb1b

O capacitor bC deve ser um bypassing para freqüência de oscilação. Podemos, por

exemplo, dimensioná-lo para freqüência de corte de 10 kHz. Temos então que .026,0temp/VVT =∆=

Gráfico de ieh

Ω=•

==−

K13102

026,0I

Vh

6Bq

Tie

nF45,1C1013//1085//1041510102

1

h//R//R10102

1C b3333

ie2b1b3b =→

•••×•×π=

ו×π=

Dimensionamento dos capacitores de realimentação:

Pela freqüência de oscilação temos: kHz4002f2 00 ×πω→π=ω

6

21

21

21

216

23

21

21

20 1065,631

CC

CC

CC

CC10100

1)104002(

CC

CCL

1 •=+

→

+ו

=•×π→

+

=ω−

(5.28)

Assumindo o valor ótimo para razão entre os capacitores, temos

19C

C1

101

026,0//101

10101

I

V//101

10101

r//RRL

C

C

1

2

33

3

Cq

T3

3

ee1

2 =→−

••

•=−

•

•=−=

−

(5.29)

Solucionando o sistema de equações formado por 5.28 e 5.29, temos finalmente

coletorcqTe I

temp/VI/Vr

∆→= Resistência coletor/emissor.

Sistema

=

×=+×

19C

C

1065,631CC

CC

2

1

6

21

21

nF7,31CenF7,1C 21 ==

O circuito completo e a forma de onda do sinal de saída )t(v 0 encontram-se na figura

seguinte respectivamente. Podemos notar que o sinal de saída não é puramente senoidal,

20

tendo uma deformação visível na parte inferior, e a excursão é de aproximadamente 10 V de pico. Isto se deve ao mecanismo de limitação da amplitude do sinal, que neste caso é

o corte e saturação da corrente e tensão de coletor.

Exemplo de projeto de oscilador Colpitts

Circuito Completo

Sinal de Saída

3) Exemplo de Projeto

Como exemplo, vamos dimensionar o oscilador Colpitts á cristal da figura abaixo, com as seguintes especificações:

1. Cristal oscilador de 1 MHz; Sf = 999678,83 Hz; pf = 1019476,37 Hz; SL = 0.254647909 H;

2. SC = 9,95357648 F10 14−• ; PC =2,48839412 F10 12−• ; SR = 64 Ω.

3. Resistência de carga LR = 5 KΩ.

4. Tensão de alimentação CCV = 10 V.

5. Tensão de polarização de emissor EqV = 1 V.

6. Excursão de tensão no coletor igual a 10 V. 7. β = 500, pF12C e´b ≅ (desprezível) e BEqV = 0,7 V.

Polarização :

Pela especificação de excursão de tensão no coletor, temos:

mA2105

V10

R

VI

3CC

L

mCq =

∗==

O circuito das duas figuras abaixo são um oscilador Colpitts, em emissor comum, com

cristal, também conhecido como Pierce. O Indutor XL tem a função de polarizar o transistor, mas é um circuito aberto na freqüência de oscilação.

21

Circuito completo

Modelo AC

Ω=→=•×→=→= − 500R1102R1IR1V e3

eCqeEq

A tensão de base é

V7,17,01VBq =+=

E conseqüentemente

V3,87,110V

V7,1V

1Rb

2Rb

=−==

22

Considerando a corrente que circula por 1bR e 2bR iguais, e dez vezes superior a

BqI , temos

Ω=→•

==

Ω=→•

==

µ=•×=×==

β=→µ=•=

β•=

−

−

−

−−

K75,103R1080

3,8I

VR

K25,21R1080

7,1I

VR

A8010420I20II

IIA4

500102102

I

1b61Rb

1Rb1b

2b62Rb

2Rb2b

6Bq2Rb1Rb

cb

33

Bq

O capacitor eC deve ser um bypassing para freqüência de oscilação, por exemplo

10 kHz. Temos então que

F2,1C97,1210102

1

r10102

1XF2

1C

97,12501

105,61

hr

Emissor/ColetorsistênciaRer

ZK5,6104

026,0I

Vh

e3e

3L

e

3ie

e

e

in6Bq

Tie

µ=→ו×π

=ו×π

→∗π

=

Ω=•=+β

=

=

→Ω=•

=≅−

Dimensionamento dos capacitores de realimentação : Substituindo os valores pela equação abaixo temos:

3ie2b1bb 1075,4h//R//RR ×==

pF279C

RR2

4RRCRRRC2RRCC

1

SL0

bS2P

20bLS

2P

20LS

2P

20

1

⟩⟩

ω

+ω+ω+ω⟩⟩

Podemos escolher, por exemplo,

nF1C1 =

Pela equação abaixo, que prevê a relação entre os capacitores, temos:

nF1C05,11075,4

105R

R

C

CC23

3

b

L

1

e´b2 ≅→=•

•==+

O indutor XL deve ter reatância muito elevada na freqüência de oscilação, representando

um circuito aberto. Podemos fazer LXL RX ⟩⟩ , e um valor que satisfaz a esta condição é XL=10 mH.

O circuito completo e a forma de onda do sinal de saída )t(v 0 , obtida por simulação, encontram-se nas duas figuras abaixo respectivamente.

Observe que a excursão de sinal é um pouco menor que 10 V, isto se deve à dissipação de potencia nas outras resistências do circuito, inclusive SR , que não foram consideradas.

Ω=×→×= K50K510R10X LXL (Reatância indutiva).

23

Então: mH8

102

1050L

F2XL

LFL2XL6

3

≡×π×=→

π=→π= Valor Comercial L = 10 mH.

Circuito completo

Tensão de saída

Oscilador Colpitts a cristal

EXEMPLO

Calcular as freqüências de ressonância e o fator de qualidade de um cristal oscilador, operando no modo fundamental, com as seguintes especificações:

Ω==== 125RemH250L,pF04,0C,pF4C SSSP .

Substituindo os valores nas equações temos:

20000Q125

10250101R

LQ

MHz5994874,1fs/rd100049876,11041004,010250

1041004,0CCL

CC

MHz5915494,1fs/rd1011004,010250

1

CL

1

37

S

SS

p7

12123

1212

PSS

PSP

S7

123SS

S

=→•×•=ω

=

=→•=•×•×•

•+•=+

=ω

=→•=•×•

==ω

−

−−−

−−

−−

Observe que o capacitor SC é muito pequeno e o indutor SL é muito grande, e estes

valores não são compatíveis com as dimensões físicas do cristal, que mede alguns milímetros. Mas na verdade estes componentes não existem, são apenas partes de um modelo elétrico para um dispositivo eletromecânico. Os valores irreais destes componentes é conseqüência do elevadíssimo fator de qualidade associado.

24

OS MULTIVIBRADORES ASTÁVEIS E MONOESTÁVEIS MULVIBRADORES ASTÁVEIS

Os circuitos digitais trabalham sincronizados, em sua maioria, por sinais retangulares que precisam ser produzidos por algum tipo de oscilador. O oscilador, que produz o sinal de “clock” ou “relógio” deve ter características especiais e para isso podem ser usadas diversas configurações.

Uma das configurações mais interessantes é justamente aquela que parte de um circuito bastante semelhante aos flip-flops que estudamos na lição anterior.

Este circuito recebe o nome de multivibrador astável e se caracteriza por não ter dois, nem um estado estável. Este circuito muda constantemente de estado, numa velocidade que depende dos valores dos componentes usados e que, portanto gera um sinal retangular.

Da mesma forma que estudamos os f]ip-flops partindo da configuração básica com transistores, vamos estudar o multivibrador astável.

Assim, caso tenhamos a configuração mostrada na figura abaixo, usando transistores, os capacitores proporcionam uma realimentação que leva o circuito à oscilação.

O multivibrador astável é um circuito em que a freqüência é determinada por um capacitor e um resistor, ou seja, por uma constante de tempo RC. Dizemos que este tipo de oscilador é do tipo RC. Analisemos melhor como funciona a configuração mostrada na figura abaixo.

Quando a alimentação é estabelecida, um dos transistores conduz mais do que outro e inicialmente podemos ter, por exemplo, Q1 saturado, e Q2 cortado. Com Q1 saturado o capacitor C1 carrega-se via R1 de modo que a tensão no capacitor sobe gradualmente até o ponto em que, estando carregado, o transistor Q2 é polarizado no sentido de conduzir. Quando isso ocorre, Q2 tem um dos seus terminais aterrado e descarrega-se. Nestas condições Q1 vai ao corte e Q2 satura. Agora é a vez de C2 carregar-se até que ocorra novamente uma comutação dos transistores e um novo ciclo de funcionamento.

As formas de onda geradas neste circuito são mostradas na figura abaixo, observando-se o ciclo de carga e descarga dos capacitores.

O leitor pode perceber então que o tempo de carga e descarga dos capacitores e portanto, das oscilações geradas por este circuito, dependem tanto dos valores dos capacitores como dos resistores de base através dos quais ocorrem as descargas.

25

Também podemos observar que os sinais gerados são retangulares, pois ocorre uma comutação rápida dos transistores de tal forma que a tensão em seus coletores sobe

e desce muito rapidamente. Da mesma forma que no caso dos flip-flops, podemos elaborar multivibradores astáveis,

tanto usando válvulas como transistores de efeito de campo. Podemos também ter osciladores RC que geram sinais com boa estabilidade com menos

componentes.

O VERSÁTIL CI 555: CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES

Os circuitos integrados LM555; CA555; NE555; MC1455 são similares. É o CI mais utilizado como temporizador. È utilizado em 2 modos: MONOESTÁVEL (um estado estável) ASTÁVEL (nenhum estado estável) Pode também funcionar na condição de Flip FIop; Neste caso como este circuito é

estável nos dois estados ás vezes é chamado de BIESTÁVEL,

Ligações dos pinos do CI 555, vistas de cima, em encapsulamento tipo ‘duplo em linha’

Estas especificações aplicam-se ao NE555. Outros temporizadores 555 podem ter

parâmetros diferenciados dependendo do uso a que se destinam (uso militar, médico, etc).

Parâmetro Valor(es) Tensão de alimentação (Vcc) 4.5 até 15 V

Corrente de alimentação (Vcc = +5 V) 3 até 6 mA Corrente de alimentação (Vcc = +15 V) 10 até 15 mA

Corrente de saída (máxima) 200 mA

Diagrama em blocos do integrado 555

26

ASTÁVEL

Configuração elétrica típica para o 555, funcionando como oscilador

Largura Pulso = ( )CRR693,0W 21 +=

Tempo (CT) = ( )CR2R693,0T 21 +=

27

Freqüência = ( ) CR2R44,1

f21 +

=

Ciclo de Trabalho = 21

21

R2R

RRD

++

=

MONOESTÁVEL

Circuito típico para o funcionamento do 555 como temporizador

28

3

V2UTP CC=

3

VLTP CC=

RC1,1W =

UTP = Ponto de comutação do comparador superior LTP = Ponto de comutação do comparador inferior W = Largura do pulso

EXERCÍCIO

4) Dado a figura abaixo, com as seguintes características. Vcc = 12 V; R = 33 KΩ; C = 0,47 µF. Determinar: a) Tensão de disparo mínima para gerar um

pulso em 0V . b) Tensão máxima no capacitor. c) Largura do pulso em 0V d) Identificar o circuito.

Solução :

a) LTP = V43V12

3

VCC =⇒

b) UTP = V83

V243

V2 CC =⇒

c) W = Largura do pulso CR1,1W ××=⇒ ms1,17W)F47,0K33(1,1W =⇒µ×= d) Circuito monoestável

29

5) Dado a figura abaixo, com as seguintes características

R1 = 75 KΩ; R2 = 30 KΩ; C = 47 nF Determinar: a) Freqüência. b) Ciclo de trabalho. c) Identificar o circuito.

Solução :

a) Hz227)nF47)(K60K75(

44,1F

)R2R(44,1

F21

=+

=⇒+

=

b) %8,77778,0K60K75K30K75

DR2R

RRD

21

21 ⇒=++

=⇒++

=

c) Oscilador astável

PLL E SINTETIZADORES DE FREQÜÊNCIA

A sigla PLL, de Phase Locked Loop, significa elo (de realimentação) fechado por fase. Um PLL é composto por diversos blocos, sendo o diagrama mostrado na figura abaixo uma de suas versões mais utilizadas.

Diagrama em blocos de um PLL básico

Nem todos os PLLs são construídos exatamente de acordo com o diagrama em blocos

mostrado na figura acima, sendo possíveis as seguintes modificações: a) A supressão do divisor por N. Neste caso, N será igual à unidade. b) A inclusão de um estágio amplificador entre a saída do filtro passa-baixa e a entrada de

controle do VCO. Esse amplificador é necessário quando a tensão produzida pelo comparador de fase não é suficiente para controlar diretamente a entrada do VCO.

30

A FINALIDADE DO PLL

PLL possui duas finalidades básicas:

1) Para sinais de entrada de freqüência variável: fazer com que o VCO siga a freqüência do

sinal aplicado, produzindo um sinal de saída, 0f com a mesma freqüência do sinal de

entrada, Sf ou, no caso de N ser maior do que a unidade, a freqüência de saída será N vezes a freqüência do sinal de entrada.

2) Para sinais de entrada de freqüência fixa: manter constante a diferença de fase entre o sinal produzido pelo VCO e o sinal aplicado na entrada do PLL.

APLICAÇÕES DO PLL

Os PLLs podem ser utilizados nas seguintes aplicações: • Controle Automático de Freqüência (CAF); • Controle Automático de Fase; • Regeneração de portadora; • Demoduladores para sinais FM ou FSK; • Sintetizadores de freqüência.

Um PLL pode ser totalmente incluído em um circuito integrado monolítico, como, por exemplo, o CD4046, o CMOS ou o NE565, bipolar.

AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

Os amplificadores têm como objetivo alterar o nível de um sinal. Por exemplo, consideremos um amplificador de áudio que recebe um sinal tênue de um microfone, eleva seu nível por um fator A, e aplica-o a um alto-falante. Além do ganho A, a resistência da carga (alto-falante) é uma componente que deve ser cuidadosamente considerada no projeto do amplificador.

Muitos parâmetros foram definidos para caracterização dos amplificadores, cujos principais são: o ganho de tensão (ou corrente) A; a freqüência de corte; a potência de saída, o slew-rate; a distorção harmônica total (THD); a distorção por intermodulação; a eficiência.

Um parâmetro muito importante é a eficiência η, que relaciona a potência média VccP

que a fonte de alimentação dá ao circuito e a potência média LP que o amplificador dá à carga, conforme a equação 1.1.

Vcc

L

P

P=η (1.1)

A eficiência nos mostra quanta potência AP foi desperdiçada no amplificador,

normalmente sob forma de calor, conforme a equação 1.2.

−

η=−= 1

1PPPP LLVccA (1.2)

Portanto, um amplificador com potência de saída de 100 W e eficiência de 50%,

desperdiça W100PA = sob forma de calor, obrigando a fonte ser capaz de gerar 200 W. Quanto maior for a eficiência melhor será o amplificador, sendo o limite físico η = 1 (100 W =

)W200PW100P VCCVCC =→− .

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Muitas configurações foram desenvolvidas para implementação dos amplificadores, mais especificamente para o estágio de saída, das quais estudaremos as principais que

são as classes A, B, AB e C. A definição de cada classe depende do tipo de polarização do estágio de saída, e para cada uma temos uma característica própria de eficiência.

AMPLIFICADOR CLASSE A

No amplificador classe A, o sinal de saída deve ser uma cópia exata do sinal aplicado à sua entrada. Neste caso, o transistor deve conduzir durante todo o ciclo sinal de entrada. Operando em classe A, pode haver distorção do sinal de saída, pode ser evitado se o transistor operar na sua região linear. Uma operação em classe acha-se delineada na figura abaixo.

4

IVIVP CMAXCCCQCEQCMAX

•=•=

O rendimento dessa classe de amplificador é estipulado em torno de 25%, com um

mínimo de distorção de saída.

DEMONSTRAÇÃO DO MÁXIMO RENDIMENTO

Tensão de Saída Máxima ( )PICOCC V2

V≅

Tensão de Saída Eficaz 22

VCC≅

Corrente de Saída Eficaz 22

ICMAX≅

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AMPLIFICADORES CLASSE B

Os amplificadores em classe A, como pudemos observar, apresentam fatores que

limitam o seu uso, como o baixo rendimento e o consumo de energia da fonte de alimentação mesmo na ausência de sinal de entrada.

Para equipamentos alimentados por bateria, o ideal é que ela seja utilizada apenas quando existir um sinal aplicado à entrada do circuito. Com os amplificadores que operam em classe B, é isso que ocorre.

Em um amplificador em classe B, na ausência de sinal aplicado à base, a corrente de coletor será nula. Isso significa que o transistor opera no ponto de corte.

Para a operação em classe B, é preciso utilizar dois transistores. Um deles amplifica a parte positiva do sinal e o outro, a parte negativa.

Na ausência de um dos dois, teremos na saída uma grande distorção.

AMPLIFICADOR PUSH-PULL

33

Num amplificador que opera em classe B, temos a base polarizada de tal maneira, que a corrente de coletor é nula na ausência de sinal aplicado, portanto operamos no corte. Deste modo, temos consumo de corrente de coletor apenas na presença de um sinal aplicado à entrada, evitando perdas altamente desnecessárias, como ocorre na operação em classe A, cujo circuito praticamente é o mesmo, a menos da mudança do ponto de polarização.

Apesar do menor consumo e do aumento do rendimento em relação ao classe A, o amplificador em classe B apresenta uma desvantagem, a qual é denominada “Distorção Crossover”, cujo significado é distorção por transição, o que representamos na figura abaixo.

AMPLIFICADOR CLASSE AB ESTÁGIO DE SAÍDA UTILIZANDO PAR COMPLEMENTAR E FONT E ÚNICA

A figura abaixo representa um circuito muito utilizado, cuja carga é acoplada ao estágio de saída por intermédio de um capacitor, dispensando, desta forma, o uso de um transformador de saída, além de necessitar de apenas uma única fonte de alimentação.

)rR(F21

C0LCI +π

=

OBS.: Por se tratar de saída que opera em coletor comum, a máxima tensão de pico na carga

é dada por 2

VCC , pois é a máxima tensão que pode ser aplicada à entrada do circuito.

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AMPLIFICADOR CLASSE C

As correntes de coletor nos amplificadores classe A e B conduzem com ângulos de 360º

e 180º respectivamente, nos circuitos classe C a condução se dá com ângulos menores que 180º, conforme a figura abaixo. Este tipo de configuração tem sua principal aplicação nos circuito de radio freqüência (RF), e será melhor estudado mais à frente.

Condução da corrente no amplificador classe C

Um amplificador de potência opera em classe C quando circula corrente de coletor

apenas nos sinais positivos aplicados à base do transistor. Em tal classe de operação, polarizamos o transistor num ponto abaixo do corte, de modo que o sinal aplicado à base tenha de vencer a tensão de início de condução do transistor para que ele reinicie a sua operação, resultando numa grande distorção do sinal de saída.

Por esse motivo, tal classe de amplificador é apenas empregada em circuitos transmissores de radiofreqüência, nos quais, por meio de circuitos ressonantes conseguimos eliminar a distorção, ou em circuitos que empregam compensação para reprodução da segunda harmônica do sinal.

SAÍDA DE ÁUDIO EM CLASSE D

Geralmente esta configuração de áudio é utilizada em circuitos de alta potência de saída com MOSFET. Tem como vantagem a obtenção de alta potência de saída com menor consumo da fonte. Entretanto, possui mais componentes na PCI e é altamente ruidoso, necessitando de filtros eficientes para eliminar EMI (Interferência Eletromagnética).

O sinal de áudio é modulado com uma onda do tipo quadrada de 500 kHz em um amplificador operacional. Na saída deste operacional teremos uma onda modulada PWM (Modulação por Largura de Pulso) da forma quadrada cuja largura dos pulsos depende do tipo de sinal de áudio. A onda quadrada chaveia dois MOSFETs na saída de áudio e após o ganho proporcionado pelos transistores, passa por um circuito conformador de senóide que na

35

realidade é um filtro (bobina e capacitor) sendo novamente transformado em sinal de áudio já com alta potência para o alto-falante. Ver na figura abaixo. Na atualidade este

circuito é o mais utilizado nos melhores Minisystems, pois o som é mais puro.

Saída de áudio em classe D com transistores

OBS.: Já existe amplificadores de alta potência utilizando as classes K e DAB.

Gráfico da curva de transferência das três classes de amplificação

Classe A η = 25 % Classe B η = 35 %

Classe AB η = 50% Classe C η= 75 %

36

AMPLIFICADOR SINTONIZADO

Os amplificadores sintonizados são empregados quando desejamos separar e

amplificar uma faixa de freqüências de um sinal. Suponha que a figura abaixo seja uma faixa de transmissão de rádio, e desejamos separar (sintonizar) e amplificar o canal centrado na freqüência 0ω . Devemos usar um amplificador com função de transferência

( )ωjA passa-banda.

Espectro de rádio freqüência

A seletividade Q do amplificador e definida como sendo a razão entre a freqüência de sintonia 0ω e a faixa onde o ganho cai 3 dB (faixa de passagem), ou meia potência, conforme a equação 2.1 e a figura abaixo.

12

0Qω−ω

ω= (2.1)

Curva de resposta em freqüência do amplificador sintonizado

CIRCUITO RLC DE SEGUNDA ORDEM Normalmente utilizam-se circuitos RLC de segunda ordem, como o da figura abaixo, para a realização do filtro. É fácil verificar que a função de transferência; do ganho de tensão é

dada por LC

10 =ω . O ganho na freqüência de sintonia e calculado fazendo

LC

1=ω na

equação ou seja, ( ) gmRA 0 =ω (2.6)

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Circuito RLC de segunda ordem

Circuito com transistor

Modelo AC

AMPLIFICADOR DE BANDA PLANA

Em algumas aplicações, e necessário que a faixa de passagem do amplificador sintonizado seja quase plana. Uma aplicação típica é a sintonia de canais de televisão, cuja faixa de freqüências é aproximadamente 4 MHz. Um filtro sintonizado de segunda ordem ou com sintonia síncrona, provoca um desnível progressivo de 3 dB entre os extremos da faixa e a freqüência central. Isto gera uma distorção inaceitável para sinais de vídeo.

Uma forma simples, mas eficiente, de projetar filtros com banda quase plana, consiste em uma cascata de amplificadores sintonizados, mas com freqüências de ressonância ligeiramente diferentes. A figura abaixo ilustra o procedimento. No exemplo, três amplificadores sintonizados ( ) ( ) ( ),jAejA,jA 321 ωωω com freqüências de ressonância

1ω , 2ω e 3ω respectivamente, compõem o filtro ( )ωjA .

Filtro de banda plana.

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FATOR DE QUALIDADE

O fator de qualidade Q mede o quão próximo o componente esta do ideal. Este

parâmetro normalmente e usado para caracterizar indutores e capacitores, e em geral depende da freqüência.

FATOR DE QUALIDADE DOS INDUTORES

Um indutor ideal deve possuir impedância puramente reativa Ljω . Entretanto, fatores como resistência do fio, efeito pelicular, irradiação eletromagnética e capacitância parasita, alteram o valor medido da reatância e acrescenta uma componente resistiva. De forma geral, ao estabelecermos a relação entre os fatores de tensão e corrente no indutor em uma freqüência ω, estamos medindo a fase

Representação do circuito no modelo AC de pequenos sinais, conforme abaixo.

Circuito Equivalente

Equipamentos de rádio fazem uso intensivo de amplificadores sintonizados. Esses

amplificadores são responsáveis pela sensibilidade e seletividade dos receptores. As principais características dos amplificadores sintonizados são:

a) Seletividade; b) Sensibilidade; c) Faixa dinâmica.

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SELETIVIDADE

A seletividade dos amplificadores sintonizados está relacionada com o número de filtros

passa-faixa utilizados em sua construção e, também, com sua qualidade. Normalmente, os filtros passa-faixa são dispostos entre os dispositivos amplificadores, fazendo parte da rede de acoplamento do sinal. A figura mostra a configuração típica de um amplificador sintonizado. Os filtros podem ser do tipo LC, cerâmico, mecânico ou a cristal, dependendo do uso a que se destina o circuito. Os dois primeiros filtros são muito utilizados por serem simples e econômicos, enquanto os filtros mecânicos e a cristal são usados em equipamentos de radiocomunicação, radioamador, TV e outros.

SENSIBILIDADE A sensibilidade dos amplificadores está relacionada com o número de estágios

empregados, o ganho de cada estágio e o nível de ruído. Um amplificador sensível deve obedecer aos seguintes requisitos:

a) O fator de ruído do dispositivo amplificador deve ser o menor possível. b) O casamento de impedâncias entre o gerador e a entrada do amplificador deve ser o mais

perfeito possível. c) O ganho de potência do primeiro estágio deve ser suficiente para superar o ruído do

segundo estágio.

FATOR DE RUÍDO O fator de ruído de um dispositivo é dado por:

( )( )( )( )saídaR

RSentradaR

RS

Nf +

+

=

FAIXA DINÂMICA É a relação entre o máximo sinal na entrada do amplificador para uma certa quantidade

de distorção por intermodulação e o mínimo sinal discernível, também aplicado à entrada. A faixa dinâmica depende dos seguintes fatores:

a) Fator de ruído; b) Ganho; c) Capacidade de potência.

Todas as características descritas estão relacionadas ao dispositivo amplificador. O fator

ruído determina o mínimo sinal discernível, que é o menor sinal de entrada capaz de aumentar de forma perceptível o sinal de saída do amplificador. O ganho do amplificador afeta de forma negativa a faixa dinâmica, ou seja, um ganho elevado geralmente implica uma menor faixa dinâmica. Já a capacidade de potência do amplificador, quando elevada, aumenta a faixa dinâmica, desde que não haja prejuízo ao fator de ruído.

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MODULAÇÃO DE AMPLITUDE (REVISÃO)

A modulação de amplitude (AM) é uma forma eficiente de codificação do sinal na

freqüência. É muito usada nas transmissões de rádio e televisão, e é de simples implementação.

A modulação AM é feita simplesmente alterando a amplitude de uma senoide em alta freqüência (portadora), proporcionalmente a um determinado sinal modulador. Desta forma, a informação é enviada no entorno da freqüência da portadora.

Matematicamente, o sinal AM possui a forma

( ) ( )[ ] ( )tcostmf1Atv 0ω+= (6.1) Onde: • A é a amplitude da portadora ( )( )tcosA 0ω

• m é o índice de modulação, que varia entre 0 e 1. • f (t) é o sinal modulador (voz, música, dados, etc...), com módulo máximo igual a 1 e média

zero ou seja, ( ) ( ) 0tfe1tfmax == .

Considerando, como exemplo, ( ) ( )tsintf mω= e sendo 0m ω⟨ω , o gráfico de v(t) tem a

forma da figura abaixo. Podemos observar duas envoltórias de freqüência mω delimitando a

portadora em 0w . O índice de modulação. pode ser obtido facilmente do gráfico, sendo

MODULAÇÃO EM AMPLITUDE (AM)

O índice de modulação é dada pela proporção das amplitudes dos sinais e quando expresso como uma porcentagem, é conhecido como Modulação Percentual, m. Utilizando a notação da anterior.

%100ABAB

m ×+−=

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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O modulador de amplitude pode ser analisado pelo diagrama em blocos da figura abaixo. O dispositivo não-linear executa o produto da portadora com o sinal modulante.

Diagrama em blocos do modulador

Espectro do sinal AM

DEMODULADORES DE AMPLITUDE PARA AM COM PORTADORA Embora o circuito mostrado a seguir possa trabalhar com sinais desprovidos de portadora, desde que em conjunto com um oscilador de batimento, seu uso é mais indicado como detector de envoltória. Os detectores de envoltória podem ser classificados como: Quadrático : é aquele onde o sinal de RF é aplicado a um dispositivo cuja curva de transferência seja de uma equação não-linear. Geralmente é usado em condições de sinal fraco, ou seja, em receptores de baixo ganho antes do detector. Sua desvantagem é introduzir distorção em sinais modulados. Síncrono : é o tipo onde o sinal a ser detectado tem geralmente grande amplitude. Nesse caso, um diodo pode atuar como retificador, sendo a tensão retificada e filtrada posteriormente. O detector a diodo operará como detector quadrático se for polarizado no início da região de condução e for acionado por um sinal de baixa intensidade.

Detector de envoltória

Sinal de RF ( )jV

Sinal demodulado

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MODULAÇÃO DE FREQÜÊNCIA E FASE

Nos moduladores AM, a informação é transmitida através de alterações na amplitude da

portadora. Qualquer perturbação no meio de propagação do sinal pode provocar atenuações na portadora, que são interpretadas como modulação indesejável, ou seja, interferência. Entretanto, se a informação for transmitida pelas variações de fase da portadora, as oscilações de amplitude são irrelevantes.

As modulações de freqüência (FM) e fase (PM) são basicamente o mesmo processo, consistindo simplesmente em alterar a fase de uma portadora, segundo um sinal modulador.

MODULAÇÃO DE FASE (PM)

O sinal modulado em fase possui a forma geral da equação 8.1.

( ) ( )( )ttcosAty 0C φ+ω= (8.1)

O ângulo instantâneo é dado por

( ) ( )ttt 0 θ+ω=θ sendo ( )tφ diretamente dependente do sinal modulador f(t) ou seja,

( ) ( )tft φ∆=φ onde é o máximo desvio de fase, e está limitado por

π≤φ∆≤0

O sinal modulador f(t) deve ser limitado em ( ) 1tf ≤ . Isto garante um desvio de fase entre

π− e π . Desvios de fase maiores que π devem ser evitados, pois o ângulo α+π é equivalente a α+π− , e α−π− equivale a α−π . Isto gera uma ambigüidade na modulação, e não podemos ter excesso de modulação de fase, pois a informação se perde.

Portanto, o sinal modulado em fase linear tem a forma

( ) ( )( ) π≤φ∆≤→φ∆+ω= 0tftcosAty 0C

MODULAÇÃO DE FREQÜÊNCIA (FM) O sinal modulado em freqüência possui a forma geral da equação 8.2.

( ) ( )( ) ( )( )ttcosAtcosAty 0CC φ+ϖ=θ= (8.2) Observe que as equações 8.1 e 8.2 são idênticas, e a diferença entre as modulações PM e FM está no ângulo ( )tφ .

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Modulador de freqüência

Modulador em fase

Sistemas de comunicação por rádio, que necessitem de elevada relação sinal-ruído,

empregam alguma forma de modulação angular. Nesses sistemas, a amplitude do sinal modulado é mantida constante, enquanto a freqüência do sinal varia em função da amplitude instantânea do sinal modulador. A modulação angular é normalmente dividida em dois tipos: a) Modulação em freqüência ou FM; b) Modulação em fase, ou PM.

Um tipo de modulação pode ser convertido em outro, bastando para isso que o sinal modulante receba um tratamento adequado.

OBTENÇÃO DA MODULAÇÃO ANGULAR

A modulação angular FM ou PM, pode ser obtida por circuitos diferenciados. No modulador em freqüência, utiliza-se um oscilador controlado por tensão. Sua freqüência é função da tensão moduladora. No modulador em fase, utiliza-se um filtro cuja freqüência central seja função da tensão moduladora. Assim, o ângulo de fase do sinal de saída será função da amplitude instantânea do sinal modulador.

A freqüência de RF modulada varia com a amplitude de modulação

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Modulador com VCO (Voltage-Controlled-Oscillator)

Modulador FM com VCO

O circuito da figura (Modulador FM com VCO) é um oscilador Colpitts, onde um dos

capacitores de sintonia é o diodo varactor. Este tipo de diodo possui capacitância de transição alta e variável com a tensão reversa, conforme a equação 8.17. 0C é uma constante do

dispositivo, RV é a tensão reversa, e TV é a tensão de junção do diodo.

DESVIO DE FREQÜÊNCIA E FASE

Devido à constante de freqüência, no FM, e a constante de fase, no PM, ocorre um desvio de freqüência no sinal gerado por ambos os tipos de moduladores. O desvio de freqüência pode ser calculado, no modulador em freqüência, a partir da Equação 1. Já no caso do modulador em fase, o desvio de freqüência é calculado pela Equação 4.

( )V/Hzef

Km

f ∆∆=

Equação 1: ( )teKf mf •=∆ (para moduladores em freqüência)

Equação 2: ( )tefKf mm ••=∆ θ (Para moduladores em fase)

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LARGURA DE FAIXA DE UM SINAL FM

Ao contrário do que acontece na modulação em amplitude, na qual é gerado apenas um par de faixas laterais, na modulação angular um grande número de pares de faixas laterais é gerado em função do índice de modulação em freqüência, dado pela Equação 5.

mff∆=β Equação 5

onde β = índice de modulação em freqüência.

Tabela 2 - Características dos tipos mais comuns de transmissão em FM

APLICAÇÃO ( )máxf∆ ( )máxfm RELAÇÃO DE DESVIO

RADIODIFUSÃO FM ± 75 kHz 15 kHz 5 CANAL DE ÁUDIO EM TELEVISÃO ± 25 kHz 15 kHz 1,67 RADIOCOMUNICAÇÃO VHF-UHF ± 5kHz 3 kHz 1,67

=nJ Amplitude de portadora sem modulação

β = Índice de modulação 2,4 = Portadora nula

Funções de Bessel (Mostra que toda a potência está nas faixas laterais)

Espectro de freqüências positivas de ( )ty

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ESPECTRO DO SINAL FM

O sinal modulado em freqüência distingue-se do sinal AM por outra interessante

característica também relacionada às faixas laterais: as faixas laterais inferiores de número ímpar têm suas fases invertidas em 180º com respeito à faixa lateral superior correspondente. A amplitude das raias espectrais do sinal FM pode ser calculada. Os coeficientes nj são obtidos na figura seguinte.

Outro ponto interessante relacionado à modulação angular reside na variação da amplitude da portadora em função do índice de modulação. De fato, para valores de β iguais a aproximadamente 2,4 - 5,5 - 8,6 - 11,8 e outros, ocorre a anulação da portadora, significando que toda a potência estará concentrada nas faixas laterais.

DEMODULADOR FM

Na demodulação de sinais modulados são empregadas duas técnicas: os detectores de inclinação e os detectores de quadratura.

DETECTORES DE INCLINAÇÃO Os detectores de inclinação utilizam a variação da amplitude em função da freqüência de um ou dois FPF (filtro passa-faixa) para transformar variações de freqüência em variações de amplitude. Para isso, a freqüência de ressonância do FPF é deslocada em relação à freqüência da portadora do sinal FM, de maneira a colocar a faixa de freqüência ocupada pelo sinal FM na região inclinada da curva de resposta do FPF. Assim, quando a freqüência do sinal FM variar, será produzida uma variação de amplitude no sinal. O sinal é então demodulado por um detector de envoltória, sendo recuperada a informação contida no sinal. A figura abaixo mostra o princípio de funcionamento de um detector de inclinação típico. Desvantagens do Detector de Inclinação : O detector de inclinação apresenta algumas desvantagens: ele é sensível às variações de amplitude (e ruídos) presentes no sinal aplicado, obrigando ao uso de limitadores para suprimir essas variações; apresenta baixa sensibilidade porque o filtro passa-faixa opera fora de sua freqüência central; distorce o sinal demodulado porque a inclinação da curva de resposta do filtro passa-faixa não é linear.

Estrutura básica de um detector de envoltória

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Curva de resposta do filtro passa-faixa usada para transformar variações de freqüência em

variações de amplitude

Resposta em freqüência do detector de Travis

DETECTOR DE QUADRATURA

O outro tipo de detector de FM muito utilizado é o detector de quadratura. Seu princípio de funcionamento é diferente do usado nos detectores de inclinação porque está baseado na variação da fase em função da freqüência do sinal aplicado. Essa variação de fase ocorre nos filtros passa-faixa quando a freqüência do sinal varia nas proximidades da sua freqüência central, mais especificamente, dentro da faixa de passagem do filtro.

O detector de quadratura recupera a informação contida no sinal FM por meio das seguintes operações: a) Converte as variações de freqüência em variações de fase, por meio de um filtro passa-

faixa, que atua como circuito de quadratura; b) Converte as variações de fase em variações de amplitude, por meio de um circuito

misturador, que atua como comparador de fase; c) Filtra as variações de amplitude, removendo os componentes de radiofreqüência, por meio

de um filtro passa-baixa restando apenas a informação.

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A figura abaixo mostra a estrutura do detector de quadratura.

Diagrama em blocos de um detector de quadratura

MODULAÇÃO AM-DSB/SC

A modulação AM sem portadora é usada com a finalidade de se melhorar a eficiência da transmissão. Existem dois tipos básicos de modulação AM sem portadora: AM-DSB/SC ou, simplesmente, DSB, e AM-SSB/SC ou SSB.

A modulação AM-DSB/SC (Amplitude Modulation Double Sideband with Supressed Carrier) é um tipo de modulação empregada quando se deseja melhorar a eficiência do transmissor. Isso é obtido pela supressão da portadora de um sinal AM. E sabido que a portadora é responsável por 2/3 da potência irradiada por um transmissor de AM. A eliminação da portadora é teoricamente justificada pelo fato de que ela é invariável, ou seja, não sofre nenhuma influência do sinal modulante. Dessa maneira, é possível a criação de uma portadora substituta no local de recepção. Embora não seja um processo simples, essa possibilidade viabiliza um sistema de comunicação em AM com a portadora suprimida. Vantagens : Consegue-se uma economia de potência de 67% em relação ao transmissor AM convencional. Outra importante vantagem decorrente da não-irradiação da portadora diz respeito à eliminação dos apitos devido ao batimento de dois sinais AM com portadora quando detectados simultaneamente pelo receptor. Como na transmissão AM-DSB/SC a portadora é suprimida, esse tipo de interferência não existe/ocorre.

MODULADORES SÍNCRONOS

O sinal AM-DSB/SC também pode ser obtido pela comutação em alta freqüência do sinal modulante. A comutação é efetuada por meio de uma chave qualquer (desde que capaz de funcionar em freqüências elevadas), conectada em série ou em paralelo com o percurso do sinal modulante. Normalmente, a chave é constituída por um ou dois pares de diodos, que são levados à condução ou bloqueio pela portadora de alta freqüência veja as figuras abaixo. Os diodos são utilizados aos pares, com a finalidade de suprimir a portadora. Para que a condição de corte ou condução dos diodos não seja influenciada pela polaridade do sinal modulante, é necessário que a amplitude da portadora seja muito maior que a amplitude da tensão modulante. O sinal resultante pode ser aplicado em um filtro passa- faixa, para a eliminação dos harmônicos e reconstituição da forma de onda senoidal.

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Modulador síncrono passivo a diodo. 1T é o transformador toroidal de ferrite de enrolamento

trifilar. 1R ajusta o nulo da portadora

MODULADORES EM ANEL

Modulador em anel com ajuste de equilíbrio de amplitude (trimpot) e equilíbrio de fase (trimmer)

MODULAÇÃO EM SSB

O termo SSB é a sigla em inglês para Single SideBand ou faixa lateral única. Esse termo refere-se à principal característica desse tipo de emissão, que é a de transmitir somente uma das faixas laterais pelo processo de modulação em amplitude com supressão da portadora. De fato, o sistema de modulação em SSB pode ser encarado como um avanço em relação ao sistema AM-DSB/SC, e dele se origina. A figura abaixo mostra os espectros dos vários tipos de modulação em amplitude.

Como seria de se esperar, devido à existência de duas faixas laterais, existem dois modos para se emitir um sinal de SSB: em USB (Upper SideBand), faixa lateral superior, ou LSB (Lower SideBand), faixa lateral inferior.

50

Existem basicamente três métodos para a obtenção do SSB: por filtragem, por fase e por segmentação do espectro. Atualmente, porém, somente o método da filtragem é utilizado, devido à disponibilidade

de filtros apropriados para a execução dos circuitos de transmissão.

SSB POR FILTRAGEM

Neste método, inicialmente se produz um sinal AM-DSB/SC com um modulador balanceado, e na seqüência remove-se uma das faixas laterais com o auxilio de um filtro passa-faixa na figura seguinte mostra um diagrama em blocos de um transmissor SSB por filtragem. O funcionamento deste transmissor pode ser descrito como se segue.

Espectro dos vários tipos de modulação em amplitude

Diagrama em blocos de um transmissor SSB por filtragem

51

O FILTRO DE FAIXA LATERAL

Para cumprir sua finalidade, o filtro de faixa lateral deverá exibir uma curva de resposta

semelhante à da figura abaixo. A atenuação final precisa exceder –40 dB para uma boa supressão da faixa lateral. A ondulação da curva de resposta dentro da região plana não deverá ultrapassar a 3 dB e a largura de faixa, a –3 dB, deverá ser inferior a 3 kHz. O fator de forma da curva do filtro, que é a relação entre a largura de faixa a –60 dB e a largura de faixa a –6 dB, deve ser o menor possível. A freqüência da portadora é aquela em que a curva de resposta do filtro exibe uma atenuação de aproximadamente –20 dB.

Curva de resposta de um filtro de faixa lateral

FILTROS MECÂNICOS

A indústria americana iniciou a produção de modelos desse tipo de filtro em 1952 e a indústria japonesa, em meados dos anos 60. Sem dúvida, a mais significativa característica desse tipo de filtro é o alto Q dos ressoadores de disco metálico dos quais é feito.

Um Q de 10.000 é comum neste tipo de ressoador. Os filtros mecânicos desfrutam de uma excelente característica de estabilidade de

freqüência. Isso torna possível fabricá-los com uma faixa passante que vai de algumas centenas de hertz até alguns quilohertz.

A figura abaixo ilustra o modo de operação de um filtro mecânico. A figura seguinte mostra a constituição interna de um filtro com transdutores magneto-estritivos. Outros filtros utilizam transdutores piezoelétricos.

Princípio de operação de um filtro mecânico

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Constituição interna de um filtro mecânico com transdutores magneto-estritivos

A figura abaixo mostra o circuito equivalente elétrico de um filtro mecânico com transdutores magneto-estritivos.

Como observação final, o filtro mecânico é fabricado para freqüências inferiores a 1 MHz e sua perda inserção não ultrapassa 7 dB.

Circuito equivalente de um filtro mecânico

TRANSMISSORES

A modulação em amplitude é, sem dúvida, um dos meios mais utilizados para a transmissão de informações à distância. A radiodifusão em ondas médias e curtas e a televisão são exemplos bastante significativos da importância deste tipo de modulação. Ela é empregada na radiocomunicação entre aeronaves e torres de controle de vôo e nos serviços de radiotáxi e faixa-do-cidadão, sem falar nos equipamentos utilizados pelos radioamadores e nos aparelhos de radiocontrole.

DIAGRAMAS BÁSICOS DE TRANSMISSORES DE AM

O estudo dos transmissores modulados em amplitude será iniciado pela análise de alguns circuitos básicos, suas deficiências de funcionamento e os meios para saná-las.

As figuras seguintes mostram dois circuitos muito simples. São basicamente osciladores de radiofreqüência modulados em amplitude, sendo utilizados cristais para obtenção de uma maior estabilidade de freqüência. O dispositivo oscilador pode ser um transistor bipolar de junção, um FET ou uma válvula eletrônica.

O circuito da figura emprega o método da modulação síncrona, que será discutido mais tarde. A potência de saída é proporcional ao quadrado da tensão de alimentação, que, por sua vez, consiste da soma de uma tensão contínua, E, com a tensão do sinal modulador, ( )tem .

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O principio de funcionamento básico de um transmissor AM pode ser demonstrado pelo seguinte diagrama de blocos (Ver figura abaixo):

Os transmissores de AM podem ser construídos segundo duas técnicas distintas: a) Modulação em baixo nível; b) Modulação em alto nível.

Transmissor AM DSB

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Receptor regenerativo AM

TRANSMISSORES COM MODULAÇÃO EM BAIXO NÍVEL

Nesse tipo de transmissor, a modulação do sinal é efetuada, como o próprio nome indica, nos estágios de baixa potência, antes do último estágio amplificador de RF. Isso implica que os estágios amplificadores após o modulador deverão operar linearmente. A operação linear obriga um projeto mais cuidadoso dos amplificadores de potência, tanto no que se refere à polarização dos transistores, quanto na dissipação de calor, já que os amplificadores trabalham com menor rendimento.

O transmissor que emprega modulação em baixo nível, por outro lado, tem a vantagem de tornar possível a utilização de diversos tipos de modulação, como, por exemplo, AM, DSB, SSB, FM e RTTY (radioteletipo). Isso ocorre porque o mesmo amplificador de potência pode ser utilizado na amplificação de todos os sinais.

A figura abaixo mostra o diagrama simplificado de um transmissor de AM deste tipo. A potência necessária para efetuar-se a modulação é pequena, tomando-se mais fácil

obtê-la. Os estágios amplificadores após o modulador de AM fazem parte do amplificador linear. Os dispositivos amplificadores devem ser polarizados em classe A, B ou AB. A operação

em classe C não é permitida por gerar muita distorção por intermodulação, principalmente por produtos de terceira ordem.

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Transmissor de AM com modulação em baixo nível

O TRANSMISSOR DE VHF-FM

Os transmissores de VHF operam quase sempre em FM. A razão para o uso da modulação em freqüência em VHF deve-se à maior largura de faixa disponível nas freqüências elevadas. Por outro lado, a modulação em freqüência é muito suscetível ao desvanecimento seletivo (fading), comum nas freqüências destinadas às faixas de MF e HF (300 kHz a 30 MHz).

Existem diversas maneiras para obter-se um sinal modulado em freqüência na faixa de VHF, de acordo com a finalidade do transmissor e o desvio de freqüência utilizado. Em transmissores de radiodifusão, devido à utilização de um desvio de freqüência relativamente grande, de 75 kHz, não é possível o uso de um oscilador modulado em freqüência controlada a cristal. Para se conseguir o desvio necessário, deve-se utilizar um oscilador LC modulado em freqüência (Figura abaixo).

Para manter-se a estabilidade em freqüência, é utilizado um elo de controle automático de freqüência do tipo PLL, no qual a freqüência do oscilador LC é comparada com a freqüência do oscilador de referência controlado a cristal. Qualquer diferença entre a freqüência do oscilador LC e a do oscilador de referência, que não seja causada pela modulação, fará com que o comparador de fase gere uma tensão de controle. Essa tensão é aplicada ao diodo varactor, fazendo variar sua capacitância e corrigindo, dessa maneira, o erro de freqüência.

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RECEPTOR SUPERHETERODINO AM

Diagrama de blocos

Os circuitos sintonizados do receptor funcionam em uma freqüência fixa e pré-determinada, chamada de F.l. (Freqüência Intermediária) para evitar a alteração da banda passante com a variação de freqüência. Isso é possível pois há uma etapa de R.F. (radiofreqüência), um filtro que seleciona a freqüência desejada e é variada junto a outra freqüência originária do oscilador local (um gerador de radiofreqüência localizado no interior do receptor), é possível modificar as duas freqüências simultaneamente através de um capacitor variável de dupla seção. O misturador efetua o produto das duas tensões recebidas, entre o sinal da emissora e o do oscilador local, tem-se:

fol = frf + F.I

fol – fO tem de ser um valor constante para qualquer que seja a freqüência do sinal obtido em R.F. e quem faz essa função é o oscilador local, onde o valor da freqüência padronizada para AM-DSB é de 455 KHz. Os amplificadores de F.l. desprezam foI + fO mas amplificam o sinal fol – fO para tornar o seu nível adequado para o detector. O próximo passo é a passagem por um amplificador de áudio qualquer chegando assim ao seu destino, o alto-falante.

BLOCOS 1) Etapa de R.F. 2) Misturador 3) Oscilador Local 4) 1° e 2° Amplificador de F.l. 5) Detector 6) C.A.G. (Controle Automático de Ganho) 7) Amplificador de Áudio

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ETAPA DE RADIOFREQUÊNCIA

Composta por um circuito LC ajustada através do capacitor variável e o indutor exerce a

função de acoplamento à antena ou em muitos casos como a própria antena. Somente recebe o sinal pela antena.

MISTURADOR

Basicamente o sistema é composto por um transistor que na base se conecta ao sinal R.F. escolhido e no emissor recebe o sinal do oscilador local. Gera então no coletor a diferença dos sinais, pois trabalha com o coletor sintonizado na F.l. (455 KHz).

OSCILADOR LOCAL

Ele aproveita a corrente de coletor do transistor do misturador para realimentá-la por um circuito sintonizado ao emissor do mesmo transistor, assim obtendo a realimentação positiva levando-o a oscilar. Existem também outros métodos de se montar um oscilador local.

ETAPA DE F.I.

Constituída por 2 Amplificadores transistorizados, com os coletores sintonizados em 455 KHz por circuitos LC e uma banda passante de 10 KHz. Suas funções básicas são de aumentar a seletividade do receptor, proporcionar um alto ganho no sinal de saída do misturador e a possibilidade de controle do ganho total dado pelo amplificador de F.l.

DETECTOR

Um simples detector de envoltória, normalmente um diodo de R.F. e um circuito RC filtrando a portadora e fornecendo a tensão de saída com polaridade compatível para atenuação do C.A.G. Pode ser configurado com 2 células RC ou por uma única célula, possibilitando uma filtragem passa-baixas do sinal retificado pelo diodo.

CONTROLE AUTOMÁTICO DE GANHO

Um simples filtro passa-baixas que tem por objetivo recuperar o valor médio do sinal resultante da demodulação aplicando à base do 1° tr ansistor de F.l.. O objetivo do C.A.G. é solucionar o problema do inconveniente causado pela não uniformidade das potências colocadas no ar pelas emissoras e também pelo espaço entre elas e o receptor.

AMPLIFICADOR DE ÁUDIO

Composta por um circuito amplificador de áudio qualquer. Apenas para melhor audição do som.

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PROBLEMAS DO RECEPTOR AM-DSB

O Receptor AM-DSB tem comportamentos que fogem a sua regra e têm de ser

analisados. São eles: 1) Freqüência Imagem 2) Erro de Rastreio

FREQÜÊNCIA IMAGEM

O misturador filtra apenas a diferença entre os dois sinais obtidos que chegam até ele, sendo que o resultado tem de ser 455 KHz. Nem sempre isso ocorre. Se o filtro de entrada não atenuar o suficiente, as estações próximas aquela sintonizada podem causar interferência, provocando uma sintonia simultânea de duas emissoras.

ERRO DE RASTREIO

Há uma dificuldade de manter a relação: fol = fr + F.I. constante durante toda a faixa de

recepção. Isto ocorre pois o filtro de R.F. e o oscilador local obedecem a equação: LC

1,

assim isso pode não ocorrer pois temos o inverso de uma raiz tentando manter constante uma soma, O Erro de rastreio é calculado com a seguinte fórmula:

ε = fr – fol + F.I.

CONCLUSÃO As funções dos blocos são: 1) Etapa de R.,F.: Seleciona a emissora. 2) Oscilador local: Gera foi sendo igual fO + 455 KHz. 3) Misturador: Multiplicador gerando fol – fO e fol + fO. 4) Amplificador de F.I.: Efeito amplificador e F.P.F. (em fol – fO). 5) Controle automático de ganho: Manter constante o sinal na entrada do amplificador de

áudio.

Se o filtro de R.F. for muito seletivo e conseguir rejeitar a freqüência imagem qualquer erro de rastreio provocará uma alta atenuação no sinal recebido e se o filtro for pouco seletivo evita-se o problema com o rastreio, mas havendo o risco do efeito freqüência imagem.

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O RECEPTOR DE FM

Os receptores de FM possuem a mesma estrutura adotada nos receptores de AM, diferenciando-se pelo tipo de detector utilizado. Este deverá apresentar características que permitam a transformação de variações de freqüência em variações de amplitude, para se recuperar o sinal modulante. Na figura abaixo vê-se o diagrama em blocos de um receptor de FM. A etapa de F.I. opera em 10,7 MHz e o último estágio amplificador atua como limitador. Um detector de relação fornece o sinal de áudio e a tensão de C.A.F. (Controle Automático de Freqüência). A linha de CAG não é empregada nesse tipo de receptor.

Diagrama em blocos de um receptor de FM

LIMITADOR

Os receptores de FM necessitam de estágios limitadores que eliminem ruídos e variações de amplitude do sinal recebido. O limitador nada mais é que um amplificador que opera em regime de sobrecarga. Para que isso aconteça, é necessário um ganho elevado do amplificador de F.I. Por isso, são utilizados pelo menos três estágios amplificadores, incluindo o limitador, que é o último estágio. Quando se utiliza um circuito integrado especialmente concebido para trabalhar como amplificador de F.I. em receptores de FM, o efeito limitador é mais acentuado do que o obtido com amplificadores construídos com elementos discretos, porque naqueles o número de estágios é superior, assim como o ganho de tensão, permitindo que a limitação inicie-se com sinais de entrada de amplitude inferior a 50 µV, como ocorre com o TBA120S, por exemplo. Outro CI, o MC3361A, possui um conversor de freqüência interno, o que propicia maior ganho. Em conseqüência, a limitação ocorre para sinais de apenas alguns microvolts. A figura abaixo mostra graficamente a ação limitadora sobre um sinal de entrada de amplitude variável.

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Ação limitadora sobre as variações do sinal de entrada Controle automático de freqüência (CAF): (Figura abaixo) permite ao receptor (principalmente receptores de VHF-FM) manter a sintonia correta com o sinal transmitido. Funciona sobre o princípio de controle e realimentação entre o demodulador de FM e o oscilador local. Não é empregado em receptores controlados a cristal. Seu funcionamento está baseado no fato de que a tensão do detector de relação é nula quando a freqüência está corretamente sintonizada. Se o oscilador local estiver funcionando acima da freqüência desejada, o valor da freqüência intermediária também estará acima da freqüência correta. A solução para esse erro de freqüência será aumentar a capacitância do varactor 1D , Isso é conseguido pela redução da tensão inversa sobre o mesmo, o que significa que a linha de CAF deverá enviar uma tensão de controle positiva. Se o erro de freqüência for em outro sentido, ou seja, o oscilador local estiver funcionando abaixo da freqüência correta, o varactor deverá diminuir de capacitância.

Para que isso ocorra, a linha de CAF deverá enviar uma tensão que aumente a polarização inversa do varactor, reduzindo sua capacitância. Isso significa que a tensão de CAF deverá ser negativa.

Circuito de controle automático de freqüência e detector de relação

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Diagrama de blocos do transceptor

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SISTEMA BÁSICO DE TRANSMISSÃO DE SINAIS POR FIBRA Ó PTICA

Como o objetivo fundamental desta prática é demonstrar que é possível enviar sinais de

voz através da luz, estudaremos a transmissão de sinais de voz através da fibra óptica por meio de um sistema simples de transmissão de pulsos digitais sem codificação. Na figura abaixo encontramos um esquema desse sistema.

Disposição básica de um sistema de transmissão por fibra óptica.

As partes ópticas do sistema são: uma fonte de luz ou transdutor eletroóptico na interface eletroóptica do emissor – que pode ser uma fonte laser ou um LED –, a fibra óptica por onde se transmite o feixe luminoso com a informação e um detector de luz ou transdutor optoelétrico que se encontra na interface optoelétrica do receptor; este detector pode ser um fotodiodo ou um fototransistor.

As vantagens da transmissão de sinais por meio da luz já foram expostas anteriormente. Apesar dos raios de luz não transmitirem sinais contínuos, podem fazê-lo enviando dados em forma de pulsos de alta freqüência.

Para compreender melhor as comunicações por fibra óptica, nesta prática e na seguinte estudaremos um sistema básico de transmissão e recepção de um sinal de baixa freqüência através da fibra óptica com um sistema de modulação de freqüência. Na figura abaixo podemos observar o esquema por blocos desse sistema.

Diagrama de blocos de um sistema simples de transmissão por fibra óptica

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Esquema completo do transmissor de fibra óptica

O transmissor fornece um trem de pulsos, como o mostrado na figura abaixo. A

freqüência desse sinal varia em função da amplitude do sinal de entrada. Para conseguir isso, o transmissor usa um oscilador controlado por tensão (VCO), onde

a freqüência de saída varia em função da tensão de controle de entrada.

Pulsos na saída do VCO

Nessa aplicação, a tensão de controle é o sinal a ser transmitido e, de acordo com sua

variação, varia a freqüência de saída do oscilador. Geralmente, antes de entrar no oscilador, o sinal passa por um filtro passa-baixa com a finalidade de eliminar as possíveis distorções de freqüências mais altas.

Na saída do oscilador temos uma etapa isoladora que proporciona a corrente alta para excitar o LED que será o dispositivo emissor de luz. Semicondutores: • 1 CI NE555. • 1 Transistor BC 147. • 1 diodo LED TIL 221. • 1 CI 14580.

RECEPTOR COM FIBRA ÓPTICA

Uma vez estudado o transmissor de sinal por fibra óptica, o objetivo desta prática é estudar e compreender o funcionamento do receptor que converte os raios de luz em sinal elétrico.

Uma vez que vimos como a luz é transmitida pela fibra óptica, começaremos a estudar o circuito receptor, cujo diagrama de blocos aparece na figura abaixo.

Para detectar os raios luminosos é usado um fototransistor ou um fotodiodo. Nesta prática usamos um fotodiodo que transformará as variações luminosas em variações elétricas. Este sinal elétrico possui apenas alguns milivolts de pico a pico; assim, será necessário um

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amplificador que forneça um alto ganho, de modo que o sinal seja suficientemente ampliado para excitar a etapa seguinte, um multivibrador monoestável.

Diagrama de blocos de um receptor de sinal por fibra óptica

Esse circuito fornece pulsos de saída com duração determinada pela rede RC e é

totalmente independente da duração do pulso de entrada no monoestável. A saída ainda não é um sinal de freqüência de áudio, mas o problema será solucionado com um filtro passa-baixa, graças ao qual a saída de pulsos será suavizada até se conseguir um sinal de áudio normal. Esses dois últimos circuitos constituem uma forma simples de transformar um sinal de pulsos, digital, em analógico. Semicondutores: • 1 CI 4001 B. • 1 CI 1458 C. • 1 diodo detector (fotodiodo). • 2 transistores BC 549.

Esquema do receptor de fibra óptica

Esquema de filtro passa-baixa de saída