MMIC FEITO EM
CASA
5/fev/2006
Em alguns circuitos de revistas e livros encontramos um dispositivo amplificador chamado MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit, circuito integrado de estado sólido para micro-ondas). Ele costuma ter tamanho diminuto, tem ganho e impedância definidas, não requer componentes externos além de capacitores de acoplamento na entrada/saída e um resistor de alimentação. É portanto muito fácil para usar. Por ter impedância definida (em geral 50 ohms) e ser estável, pode servir como carga para dispositivos que necessitam terminação adequada como misturadores a diodo, filtros LC e a cristal, etc...
Uma série que se tornou comum é MAR-xx da Minicircuits.
|
modelo |
freq. |
ganho dB @ MHz |
|
|
máx pot. dBm |
faixa dinâmica dB |
|
VSWR |
|
limites máximos |
|
alimentção DC |
|
|
|
|
100 |
1000 |
2000 |
compressão 1 dB |
NF |
IP3 |
in |
out |
I (mA) |
P (mW) |
I (mA) |
V |
|
mar-1 |
DC-1000 |
18.5 |
15.5 |
— |
+1.5 |
5.5 |
+14.0 |
1.3 |
1.2 |
40 |
200 |
17 |
5.00 |
|
mar-2 |
DC-2000 |
12.5 |
12.0 |
11.0 |
+4.5 |
6.5 |
+17.0 |
1.5 |
1.4 |
60 |
325 |
25 |
5.00 |
|
mar-3 |
DC-2000 |
12.5 |
12.0 |
10.5 |
+10.0 |
6.0 |
+23.0 |
1.5 |
1.7 |
70 |
400 |
35 |
5.00 |
|
mar-4 |
DC-1000 |
8.3 |
8.0 |
— |
+12.5 |
7.0 |
+25.5 |
1.5 |
1.9 |
85 |
500 |
50 |
5.25 |
|
mar-6 |
DC-2000 |
20.0 |
16.0 |
11.0 |
+2.0 |
3.0 |
+14.5 |
1.7 |
1.7 |
50 |
200 |
16 |
3.50 |
Para entender essa tabela (simplicada da original do fabricante), tomamos o MAR-1 e seguindo pela tabela vemos que a faixa de uso dele é de DC a 1000 MHz, temos a seguir o ganho em 100 e 1000 MHz (em alguns também a 2000 MHz). Máxima potência significa que na saída com 1,5 dBm (cerca de 1,4 mW) o sinal já apresenta uma compressão de 1 dB. A faixa dinâmica dá o valor do fator de ruído e a potência na saída para IP3 (que é quando os produtos de intermodulação de 3a ordem são iguais à própria saída), temos ainda a ROE na entrada e saída em 50 ohms, limites de dissipação e a corrente e tensão de alimentação, usados para se calcular o resistor de alimentação.
O esquema interno típico de um MMIC convencional é assim:
Fig 1 - Notar que ele tem somente entrada, saída e terra. Para usá-lo, ligamos assim:
Fig 2 - Ligações de um MMIC ao circuito. Pode-se ligar outro em cascata para maior ganho. O resistor R1 se calcula pelo valor de corrente e tensão da tabela, considerando a tensão Vcc utilizada. Por exemplo, para o MAR-1, com 17 mA e 5 V, se empregarmos Vcc de 12 volts, R1 deverá ter 7 volts entre terminais, então R1 será:
R1 = 7/0,017 = 411 ohms.
Por causa que R1 está efetivamente em paralelo com a saída, é comum se empregar um choque de RF em série, afim de evitar a perda que ocorreria.
FAZENDO UM MMIC EM CASA
Podemos fazer um MMIC com partes discretas. Tomamos o transistor BC548 e simulamos em software. A tarefa é árdua pois é necessário se conjugar vários aspectos ao mesmo tempo: correntes de polarização, ganho, ruído e impedâncias de entrada e saída, principalmente..
Como o Ft típico de um transistor como esse está em torno de 300 MHz, então supondo que se projete para um ganho de 10 (20 dB), a máxima frequência estará em 30 MHz, acima disso o ganho decairá. Utilizando transistores de ft mais alto se consegue estender a faixa de frequência de uso.
Para realizar o "MMIC caseiro" inicialmente simulei com o Multisim PSPICE passando depois para o Ansoft Serenade Harmonica . Ambos dispõem de versões estudante, são funcionais e gratuitas. O Multisim dispõe de um excelente tutorial que leva o inciante pela mão, passo-a-passo (em inglês). A nova versão das Ansoft também conta com excelente tutorial, ao contrário do Harmonica que utilizo, que precisei aprender a duras penas!
Fig 3 - esquema do MMIC caseiro.
ATENÇÃO, os resistores foram longamente pesquisados! A polarização, ganho e impedâncias de entrada e saída são bastante interdependentes e decorrem dos valores indicados, não é recomendado alterar sem conhecer.
O circuito precisa de 3,4V a 40mA, com esses valores se calcula o resistor de carga Rc. Para aumentar um pouco o ganho pode-se colocar um choque de RF em série com esse resistor. No modelo usei Vcc = 12V e resistor de 220 ohms.
RESULTADOS
Com o transistor BC548 os resultados foram os seguintes:
Fig 4 - Ganho e ruído em dB
Fig 5 - Impedância de entrada (Zin) e saída (Zout).
Fig 6 - Saída versus entrada em dBm, tanto para o BC548 quanto BFR96. O MMIC caseiro vai bem até cerca de 10 dBm na saída (10 mW).
Esse MMIC caseiro pode ser utilizado em receptores e transmissores, como amplificador de RF para uso geral até 30 MHz. Para uso em frequências mais altas é necessário usar um transistor mais adequado. Por exemplo o BFR96:
Fig 7 - Ganho e ruído para o BFR96. Notar que o eixo horizontal agora vai até 400 MHz!
Fig 8 - impedância de entrada e saída.
O circuito NÃO foi otimizado para esse transistor contudo, sem dúvida seria possível melhorá-lo.
Os amplificadores MMIC são como o "lego" da eletrônica em RF, permitindo montar circuitos em blocos, com entradas e saídas em 50 ohms definidos. Os modelos propostos podem ser utilizados em amplificadores de RF de entrada em receptores, no canal de FI, como "buffers" em osciladores e estágios de entrada de frequencímetros e outros instrumentos, e estágios excitadores em transmissores.
Referência: "Simulating Circuits and Systems with Serenade SV", David Newkirk , W9VES, QST Jan 2001
Parte 2 - Experiências adicionais
Parte 4 - Examinando um amplificador Norton
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