Electrónica para Telecomunicações

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Trabalho Prático Nº5 - Misturador de 4 Quadrantes

1. INTRODUÇÃO

O circuito representado na figura, normalmente conhecido por “Gilbert Cell”, é utilizado frequentemente em circuitos de RF para converter ou misturar frequências. O circuito produz na saída uma voltagem que é proporcional ao produto das tensões v1 e v2.

Se estas tensões forem sinusoidais,

v

( )

t

=

V

cos

(

ω

t

+

θ

)

( )

(

)

2 2 2

2

t

=

V

cos

ω

t

+

θ

v

de saída (em R8) terá uma componente (mistura) na frequência (ω1 - ω2) e outra em (ω1 + ω2):

( )

( )

( )

(

+

)

⋅

(

+

)

=

⋅

=

K

V

cos

ω

t

θ

V

cos

ω

t

θ

[

]

[

]

_ω

_ω

_θ

_θ

_ω

_ω

_θ

_θ

Como v1 e v2 podem ser positivos ou negativos o circuito também é conhecido como

misturador de 4 quadrantes. Neste trabalho as frequências dos sinais v1 e v2 são muito baixas,

1MHz e 700KHz, para facilitar as medições laboratoriais e encurtar os tempos de simulação em SPICE do circuito. Na prática este tipo de circuito é utilizado em frequências até cerca de 1GHz.

2. PREPARAÇÃO E SIMULAÇÃO

Estude o funcionamento do circuito com as notas recolhidas na aula teórica. Deverá simular o funcionamento dos vários circuitos propostos usando o simulador “NI Multisim Analog Devices

Edition“. No relatório do trabalho responda às questões que se seguem e, se entender, assinale qualquer consideração que julgue importante respeitante ao funcionamento do circuito misturador. 2.a) Considere o circuito em repouso v1=0 e v2=0. Calcule as correntes em todos os transístores.

Note que é preciso polarizar os pares de transístores superiores com uma tensão de base positiva ou, senão, o par inferior fica saturado. Calcule as tensões entre colector e emissor para todos os transístores.

2.b) O transformador T1 tem uma relação de espiras entre primário e secundário de 1 para 1 e transforma a entrada v1 numa entrada diferencial. T2 tem uma atenuação de 2:1 e transforma a

saída diferencial entre as resistências R1 e R2 numa saída não diferencial em R8. Determine a expressão aproximada da tensão de saída para tensões de entrada pequenas (despreze qualquer efeito de carga de R8 nos colectores dos transístores superiores).

2.c) Relembre o princípio de funcionamento de um receptor super-heteródino e suponha que o misturador é usado para num circuito receptor de rádio em que o sinal de RF (de baixo nível) é misturado com um sinal de um oscilador local (LO) para gerar um sinal de frequência intermédia (IF). Este sinal de frequência intermédia é então amplificado por um circuito selectivo de frequência fixa (IF). Simule o circuito usando transístores do tipo 2N2222. Note que deve iniciar a tensão em C1 com o valor permanente da tensão DC que deverá ter calculado em 2.a).

2.d) Ligue o analisador de espectros à saída configure-o de modo a fazer um varrimento de 0 a 5 MHz conforme está na figura:

Com amplitudes de 5mV em ambas as entradas observe o espectro do sinal de saída. Use o cursor e anote o valor da frequência das principais riscas que são visíveis. Justifique os valores encontrados.

2.e) Mude o analisador para uma escala linear e determine a amplitude do sinal de saída nas frequências de 300kHz e 1700kHz. Verifique se essa amplitude é compatível com o estudo realizado em 2.b).

2.f) Os sinais de RF e LO têm amplitudes muito sendo o sinal de LO aplicado normalmente em v1

V1=5mV e V2=100mV. As suas observações sugerem a utilização da situação (i) como acontece

na prática?

2.g) Fixando a amplitude do sinal de RF em 5mV verifique a sensibilidade do misturador em relação à amplitude do oscilador local (V1) avaliando a amplitude do sinal de saída nas

frequências de 300kHz e 1700kHz e nos casos assinalados na tabela. Comente os resultados. V1 = 5mV V1 = 20mV V1 = 100mV V1 = 500mV V1 = 1V

Vo= Vo= Vo= Vo= Vo=

2.h) Escolha o nível de injecção V1=1V mas

use o circuito da figura em alternativa ao transformador T1 para aplicar a tensão v1

de modo diferencial. Mostre que ambas as saídas do circuito da figura têm a mesma tensão de modo comum que tinham no circuito anterior (2,2V). Mais exactamente mostre que as tensões das saídas são dadas por 2,2±0,5 V. Verifique que os transístores comutam entre a zona activa e o corte mas nunca saturam (o que é essencial para uma operação em alta frequência).

2.i) Mostre que sendo as tensões nas bases de Q1 Q2 Q3 e Q4 dadas por 2,2±0,5 V aqueles transístores nunca saturam.

2.j) Simule o circuito com o par Q1 e Q2 e verifique com o osciloscópio se as tensões de saída têm o valor 2,2±0,5 V ou seja têm uma tensão em modo comum de 2,2V e uma tensão diferencial máxima de 0,5V.

2.k) Carregue a saída do misturador com um circuito ressonante LC que retenha a diferença e rejeite a soma (das frequências em jogo). Use L=50uH. Note que a resistência de perdas do circuito tanque é 2 x Rc em paralelo com a resistência de perdas da bobine. Supondo a bobine ideal estime a atenuação que o filtro introduz na frequência de 1700kHz. Para isso note que a tensão de saída diferencial nos colectores dos transístores superiores é dada por ∆iC x Z. Na

frequência de ressonância Z será 2 x Rc e à frequência de 1700kHz será essencialmente a impedância do condensador. Neste estádio terá o circuito da figura seguinte.

2.l) Fixando agora a amplitude do oscilador local em V1=50mV (Q7 e Q8 transformam este valor

num sinal diferencial de 1V como se viu atrás), meça a amplitude da tensão de saída para os valores da tensão de RF indicados no quadro:

V2 = 1mV V2 = 2mV V2 = 3mV V2 = 4mV V2 = 5mV

Vo= Vo= Vo= Vo= Vo=

Verifique se o misturador tem um funcionamento linear. Determine o ganho em tensão do conversor em dB (igual à relação entre a amplitude da tensão diferencial na frequência IF medida entre os colectores dos transístores superiores e a amplitude da tensão v1).

3. REALIZAÇÃO LABORATORIAL

Para a realização deste trabalho será usado um integrado misturador e oscilador. O circuito usado é o SA602AN da NXP (consultar datasheet para detalhes)

Antes de ligar o circuito à fonte de alimentação, assegure-se que a fonte tem a tensão ajustada a 7V e o limite de corrente abaixo dos 40mA (não é necessário tanto). O SA602AN é destruído se a tensão for superior a 9V. NÃO SE ENGANE!

Para a fonte de sinal RF, v2, vai usar um modulador de AM (600kHz, AM, modulação=OFF, INT

normal. Coloque o gerador de AM com uma amplitude de pico de 60mV e o gerador de sinal, a simular uma portadora local, com 400 mV de pico.

O transformador T2 deve ser feito num núcleo toroidal, usando um material com AL igual ou superior a 1uH por volta2_{, com pelo menos 6 voltas por enrolamento, relação 1:1.}

VCC 7 V C1 4.7uF V2 60mV 600kHz 1kHz AM C6 1nF _C4 100nF V1 400mVpk 900kHz 0° L1 5.6uH C3 56nF T2 R8 10kΩ U1 SA602AN C5 47nF

3.a) Coloque a ponta de prova do osciloscópio para ver a tensão na carga R8. Varie a frequência da tensão v1 em torno de 900kHz até obter o máximo de tensão na carga. Esse é o ponto de

sintonia óptima, que será a frequência de ressonância de L1 e C3 (L1 e C3 têm uma frequência de ressonância perto de 300kHz). O sinal de saída não é uma sinusóide perfeita. Meça a amplitude de pico dessa sinusóide. Indique o ganho desde a entrada RF para a saída do transformador T2. 3.b) Ligue a modulação AM no modulador e confirme que o sinal de 300kHz é um sinal AM.

3.c) Num circuito prático de conversão de frequência (de RF para IF) o sinal de RF deve passar por um circuito de sintonia antes de entrar no misturador. De facto para uma frequência do oscilador local de 900kHz, as frequências de 600kHz e 1,2MHz geram, após misturador, sinais na frequência de 300kHz. Verifique este facto mudando a frequência do sinal v2 dos 600kHz para um

valor em torno de 1,2 MHz. Determine o valor exacto da frequência que provoca um máximo na amplitude do sinal de saída. Justifique.

3.d) Ligue um analisador de espectro (HAMEG HM5510), que tem 50Ω de impedância de entrada, em série com a resistência de saída de 10kΩ. Observe o espectro do sinal de saída. (coloque o gerador de AM a 600kHz). Configuração do analisador de espectros: frequência central = 1MHz, Span=2MHz (mostra de 0 a 2MHz), atenuação =10dB. Altere a frequência da portadora local em torno de 900kHz e observe no analisador a subida e descida da potência de saída da linha espectral perto dos 300kHz. Veja as linhas espectrais de outras componentes do sinal. Anote as várias linhas espectrais que observa e justifique cada uma delas. Altere a frequência da portadora local e da portadora de RF para o ajudar na resposta.