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 monolítico 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

 

alimentação DC

 

 

 

100

1000

2000

compressão 1 dB

NF

IP3

in

out

I (mA)

P (mW)

I (mA)

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 (simplificada 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 iniciante pela mão, passo-a-passo (em inglês). A nova versão da 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

Pate 3 -

Parte 4 - Examinando um amplificador Norton

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