domingo, 26 de outubro de 2014

Problemas em circuitos de RF

Oscilações Indesejadas

Os osciladores podem causar frustrações. Às vezes você tenta construir um oscilador e acaba com um amplificador porque o ganho do circuito é menor do que 1 na frequência de oscilação desejada. Depois de alguns acertos, você finalmente consegue fazer o circuito oscilar. Por outro lado, quando você estiver tentando construir um amplificador, muitas vezes você terá um circuito que oscila. Os dois resultados indesejados são experiências comuns para técnicos e engenheiros praticantes.

Oscilações em Baixa Frequência

Olhe para a figura 1a. Não há percurso de realimentação da saída para a entrada; portanto o circuito não pode oscilar. Certo? Errado! Há percursos sutis de realimentação que podem fazer qualquer amplificador de alto ganho produzir oscilações indesejadas.


Figura 1: (a) Estágios em cascata; (b) a fonte de alimentação tem baixa impedância; (c) a corrente realimenta através da impedância da fonte de alimentação.


O som de baixa frequência produzido na saída do alto-falante ligado a um amplificador, como o da figura 1a, é semelhante ao som produzido pelo motor de um barco. Este som representa oscilações de frequência muito baixa, da ordem de alguns hertz. Existe um percurso de realimentação devido à fonte de alimentação. Idealmente, a fonte de alimentação se comporta como um curto-circuito ca perfeito para o terra. Mas numa segunda aproximação, a fonte de alimentação é uma fonte de tensão ideal em série com uma resistência Thévenin, como mostra a figura 1b. Essa resistência equivalente pode ser extremamente pequena, mas não zero. Devido à resistência Thévenin, a linha de alimentação não é absolutamente um terra ca. Em outras palavras, uma parte da tensão de saída amplificada no estágio final aparece sobre RTH (veja a figura 1c). Essa pequena tensão ca de realimentação alimenta o divisor de tensão formado por R1 e R2. Por sua vez, a tensão ca sobre R2 aparece na base do primeiro transistor.
A frequência de oscilação é determinada pelos circuitos de avanço no amplificador e pela reatância da fonte de alimentação. Numa frequência abaixo da banda média do amplificador, o desvio de fase produzido pelos circuitos de avanço e pela reatância da fonte é exatamente de 0°. Se o ganho AB do circuito for maior do que 1 nessa frequência, o som de saída será semelhante ao de um motor de barco, que é bem diferente de um som normal.
Qual o remédio para evitar esse barulho? Algumas pessoas tentam acrescentar um capacitor de desacoplamento para a linha da fonte de alimentação. A ideia é reduzir a impedância Thévenin para um valor menor. Porém, essa ação geralmente não funciona. A melhor solução é utilizar uma fonte de alimentação com uma resistência Thévenin extremamente pequena. Assim a tensão de realimentação será muito pequena para permitir oscilações. Especificamente, se você obtiver na saída um som similar ao do motor de barco, utilize uma fonte de alimentação regulada. Esse tipo de fonte possui uma impedância interna abaixo de 0,1Ω, algumas vezes tão pequena quanto 0,0005Ω.

Realimentação Indesejada

Você pode obter oscilações indesejadas acima da banda média do amplificador. Em altas frequências, a capacitância parasita entre o primeiro e os últimos estágios pode acoplar uma tensão de realimentação suficientemente grande para produzir oscilações. A figura 2a ilustra esta ideia. A saída no terminal do coletor se comporta como uma placa de um capacitor e o terminal de entrada da base se comporta como a outra placa. Embora essa capacitância de realimentação seja muito pequena, ela pode facilmente realimentar um sinal suficiente para produzir oscilações em frequências suficientemente altas.


Figura 2: (a) Acoplamento capacitivo e magnético da saída para a entrada; (b) as blindagens englobam cada estágio e impedem as oscilações; (c) a blindagem defletora evita o acoplamento capacitivo.


Esse acontecimento é comum. Afinal de contas, um amplificador de quatro estágios tem um ganho de tensão imenso. Se cada estágio possuir um ganho de tensão de 100, o ganho de tensão total será:

A = 1004 = 108 = 100.000.000

Se a capacitância entre a saída, terminal do coletor, e a entrada, terminal da base, for de 0,01pF, a reatância a 15,9MHz será:



Se a impedância de entrada do primeiro estágio for de 1kΩ, a fração da realimentação será de:



Portanto, o ganho do circuito a 15,9MHz será:

AB = 100.000.000(0,001) = 100.000

Podemos também mostrar que AB é maior do que 1 para várias outras frequências e capacitâncias de realimentação.

A questão é a seguinte: numa frequência alta, o deslocamento de fase pode ser de 0° e o ganho do circuito pode ser maior do que 1. Como resultado, o amplificador de quatro estágios entra em oscilações. A frequência exata em que isso acontece depende da distância entre os estágios, do comprimento dos fios, etc. Mas uma coisa é certa: o amplificador encontrará automaticamente uma ou mais frequências nas quais oscilará. Se duvidar, tente construir um amplificador de quatro estágios e observar a sua saída em um osciloscópio.
O acoplamento magnético entre o último e o primeiro estágio também é possível. O fio de saída chamado “primário” na figura 2a pode se comportar como um enrolamento primário de um transformador. O fio de entrada denominado “secundário” pode se comportar como o enrolamento secundário. Como resultado, a corrente alternada no primário pode induzir uma tensão no secundário. Se o sinal de realimentação for suficientemente forte e a fase correta, obteremos as oscilações devido à realimentação magnética.
Qual o remédio para as realimentações magnéticas e capacitivas indesejadas? Uma aproximação consiste em aumentar a distância entre os estágios; isto diminui os dois tipos de acoplamento. Se a solução não for viável, você poderá encerrar cada estágio numa blindagem ou num recipiente metálico (figura 2b). Uma blindagem como esta é comum em muitas aplicações de alta frequência, pois ela bloqueia os campos elétrico e magnético de alta frequência. Se somente o acoplamento capacitivo for o problema, as oscilações de alta frequência poderão ser eliminadas colocando-se uma blindagem defletora (uma placa metálica) entre os estágios (figura 2c).

Malhas de Terra

Outra causa sutil das oscilações de alta frequência é uma malha de terra, uma diferença de potencial entre dois pontos do terra. Na figura 2a, todos os terras ca estão idealmente no mesmo potencial. Mas, na verdade, o chassi ou qualquer outra coisa que sirva de terra tem alguma impedância não nula que aumenta com a frequência. Portanto, se acontecer de as correntes terra ca fluírem do último estágio através de parte do chassi que estiver sendo usado por outro estágio anterior, poderemos obter realimentação positiva indesejada suficiente para causar as oscilações.
A solução para um problema de malha de terra está em uma disposição adequada dos estágios para evitar que correntes de terra ca dos últimos estágios fluam através dos circuitos de terra de estágios anteriores. Uma forma de conseguir isto é usando um único ponto de terra, como mostra a figura 3. Se isto for feito, não pode haver diferenças de potencial entre dois pontos do terra porque só há um ponto de terra.


Figura 3: Um único ponto de terra evita a formação de malha de terra.


Desacoplamento da Alimentação

Observe a indutância do condutor entre a fonte de alimentação e o circuito (figura 4). Um cabo condutor longo apresenta indutância suficiente para produzir uma corrente de realimentação em altas frequências. Ainda que a fonte de alimentação seja regulada e tenha uma resistência Thévenin muito pequena, a reatância indutiva de um fio longo produz uma tensão ca que é realimentada para estágios anteriores. A solução é acrescentar um capacitor de desacoplamento através do circuito, como mostra a figura 4. O desacoplamento de fonte de alimentação é quase sempre essencial nos CIs. Dependendo do CI, pode ser necessária a utilização de capacitores de passagem de cerca de 0,1 a mais de 1µF para evitar oscilações. Os capacitores de passagem devem estar localizados o mais próximo possível do CI.


Figura 4: O capacitor de desvio (desacoplamento) evita a corrente de realimentação provocada por um fio longo.


Oscilações Parasitas

As pequenas capacitâncias dos transistores e as indutâncias dos componentes distribuídos pelo circuito todo podem formar um oscilador de Colpitts ou de Hartley aleatórios. As oscilações resultantes são chamadas oscilações parasitas. Geralmente, estas oscilações ocorrem em frequência muito alta e têm uma amplitude pequena pelo fato de a alimentação ser leve. As oscilações parasitas tendem a fazer os circuitos se comportarem erraticamente; os osciladores produzem mais de uma frequência, os amps op tem uma compensação excessiva, as fontes de alimentação apresentam uma ondulação inexplicada, os amplificadores produzem sinais distorcidos e as telas de vídeo contêm chuvisco. Um velho truque na verificação de defeitos consiste em tocar as partes de baixa tensão do circuito suspeitas de conter oscilações parasitas. Se o problema se esclarecer, você quase que certamente tem oscilações parasitas.
Qual o remédio? Bem, você pode deixar o seu dedo permanentemente mergulhado no circuito ou você pode reduzir a realimentação para as oscilações parasitas. Uma forma de fazer isto consiste em acrescentar pequenos resistores nos condutores da base dos transistores. Outra aproximação que tem sido usada é depositar uma gota de ferrite (ferrite bead) sobre cada condutor de base. Em qualquer dos casos, a fração de realimentação é reduzida ou o desvio de fase varia o suficiente para acabar com as oscilações parasitas.

Fonte: Eletrônica vol 2, Malvino

3 comentários:

Paulo - Jundiaí (SP) disse...

Tive um professor, Yoshikane, que dizia: Não ponha o nome no projeto logo de cara. Se amplificar, escreva Amplificador. Se oscilar, escreva Oscilador. Pronto!

Picco disse...

Paulo,

O problema é que se você montou um amplificador que acabou oscilando ele não fica estável como um circuito oscilador.

Um abraço

Paulo - Jundiaí (SP) disse...

Aí a gente escreve "Laboratório de Efeitos Especiais". Vende como água...
Abraço Picco!