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2 – Receptor FM com amplificador de baixo Hercílio Menezes Cavalcanti &
ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral
2-1
RECEPTOR FM COM
AMPLIFICADOR DE BAIXO RUÍDO
E ANTENA
Por,
Hercílio Menezes Cavalcanti
Pedro Lyra Pereira Cabral
Projeto Final da Disciplina Eletrônica 3
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2-2
ERRATA
Os buffers de acoplamento não funcionam na frequência. O oscilador também não
funcionou de maneira apropriada. Esperamos que alguém que leia este trabalho tenha
discernimento e posso absorver algumas idéias boas, descartar as não boas e melhorar o
projeto de receptor FM.
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2-3
SUMÁRIO
2-1) INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 4
2-2) OBJETIVO .......................................................................................................................... 4
2-3) TEORIA ............................................................................................................................... 5
2-3.1) Modulação FM ........................................................................................................ 5
2-3.2) Demodulação FM ................................................................................................... 7
2-3.2.1) Detecção Por Inclinação .................................................................................. 8
2-3.3) Diagrama de Blocos do Circuito ............................................................................. 8
2-3.4) Amplificador de RF .............................................................................................. 10
2-3.5) Oscilador Local ..................................................................................................... 11
2-3.6) Misturador ............................................................................................................. 11
2-3.7) Amplificador de FI ................................................................................................ 13
2-3.8) Discriminador ....................................................................................................... 15
2-4) SIMULAÇÕES .................................................................................................................. 18
2-4.1) Amplificador de RF .............................................................................................. 18
2-3.5) Oscilador Local ..................................................................................................... 20
2-3.6) Misturador ............................................................................................................. 21
2-3.7) Amplificador de FI ................................................................................................ 22
2-3.8) Discriminador ....................................................................................................... 23
2-5) RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE ........................................................... 24
2-6) MELHORIAS .................................................................................................................... 25
2-7) CONCLUSÃO ................................................................................................................... 26
2-8) BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................... 27
2-9) ANEXOS ........................................................................................................................... 28
2-9.1) OUTRAS TOPOLOGIAS .............................................................................................. 28
2-9.2) PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO UTILIZADA ...................................................... 29
2-9.3) ANTENA UTILIZADA ................................................................................................. 30
2-9.4) Esquemático completo .................................................................................................... 31
2-9.5) Esquema da placa de circuito impresso .......................................................................... 33
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2-1) INTRODUÇÃO
A modulação FM tem se difundido bastante nos últimos anos devido a sua maior
qualidade, ou seja, menor sensibilidade a ruído, maior eficiência de potência e maior
banda, podendo transmitir tipicamente sinais de áudio de até 15kHz.
Este trabalho foi realizado por requisito da disciplina de eletrônica III, no primeiro
semestre letivo de 2009, do curso de engenharia eletrônica da Universidade Federal de
Pernambuco (UFPE). A realização do projeto solidifica a aprofunda o entendimento do
conteúdo da disciplina, além de estimular a criatividade dos alunos.
O trabalho escolhido pela dupla foi o desenvolvimento de um receptor FM com
amplificador de baixo ruído. Considerou-se que este projeto apresenta aplicações práticas,
já que as rádios FM são muito escutadas.
Este projeto faz parte de um projeto maior da disciplina, de um robô móvel. Cada
dupla pode desenvolver uma parte, fazendo assim um processo de divisão do trabalho
essencial para a realização de grandes projetos.
2-2) OBJETIVO
Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um circuito com antena,
capaz de receber e demodular um sinal modulado em freqüência (FM), com portadora
14MHz. Este receptor também deve trabalhar com baixo ruído, da ordem de 1μW.
Aplicam-se os conhecimentos adquiridos na disciplina, tanto no desenvolvimento de
blocos do circuito, apoiado em teoria e técnicas, quanto na montagem prática no
laboratório.
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2-3) TEORIA
2-3.1) Modulação FM
A modulação em freqüência, FM – Frequency Modulation, tem se difundido
bastante nos últimos anos devido a sua maior qualidade, ou seja, menor sensibilidade a
ruído, maior eficiência de potência e maior banda, podendo transmitir tipicamente sinais de
áudio de até 15kHz.
É superior a modulação em amplitude, AM – Amplitude Modulation, para
transmissão de músicas por exemplo, já que AM trabalha tipicamente até 5kHz ou 7kHz.
A informação do sinal pode ser transmitida tanto na amplitude (AM) como na fase
(FM).
Um conceito importante quando se trata de sistemas de modulação exponencial,
como FM, é a freqüência angular instantânea:
Uma das formas de transmitir o sinal consiste em escolher .
Neste caso tem-se o sistema conhecido como modulação em fase, PM – Phase
Modulation, que é semelhante ao FM.
A partir disto pode-se encontrar outra forma, a modulação em freqüência
propriamente dita, FM.
Então:
Pode-se definir:
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O sinal FM tem então uma variação na freqüência instantânea proporcional ao sinal
modulador f(t). A forma de onda FM é mostrada a seguir, com variação exagerada na
freqüência instantânea.
Figura 1 - Forma de onda FM
Seja o sinal modulador
O máximo desvio da freqüência instantânea é dado por
Define-se o índice de modulação FM
No caso de um sinal multitom tem-se
, índice de modulação parcial para cada tom
Existe também o índice de modulação generalizado:
Onde é o desvio máximo de freqüência e é a banda do sinal modulador
Existem dois tipos de sinais FM:
FM banda estreita (NBFM) para
FM banda larga (WBFM) para
Colocam-se aqui algumas considerações, que podem ser encontradas com mais
detalhes em DE OLIVEIRA, 2008.
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O sinal de FM tem uma banda infinita e pode ser representado em termos da função
de Bessel
Porém em termos da potência
Como tende a decair rapidamente para tem-se
Tem-se a regra de Carson
, a 10% de significância
No caso NBFM
No caso WBFM
O sinal FM pode ser gerado por diversos métodos. Não faz parte do escopo deste
trabalho discursar sobre tais métodos. Apenas citam-se o método direto, método digital,
método Armstrong.
2-3.2) Demodulação FM
A detecção de sinais FM pode ser realizada de diversas formas. Citam-se detecção
por inclinação, passagem pelo zero (detecção digital) e detecção com realimentação, como
PLL.
Tipicamente rádios comerciais utilizam detecção por inclinação e PLL (Phase-
Locked Loop ou malha travada em fase), sendo este último mais popular na forma
integrada.
Neste projeto optou-se pelo método de detecção por inclinação, por ser mais
adequado ao projeto ao projeto, já que se trabalha com componentes discretos.
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O PLL poderia ser montado, porém em altas freqüências seu funcionamento é
difícil com componentes discretos (HOROWITZ).
2-3.2.1) Detecção Por Inclinação
Seja o sinal FM representado a seguir
Diferenciando o sinal
Este é um sinal modulado em amplitude e freqüência ao mesmo tempo.
Pode ser considerado um sinal AM com índice de modulação:
Como tipicamente logo não sobremodula o sinal e é possível
recuperar o sinal.
Aplica-se um detector de envoltória e obtem-se
Isto corresponde ao sinal de áudio modulador original amplificado e deslocado de
uma tensão contínua.
2-3.3) Diagrama de Blocos do Circuito
Decidiu-se utilizar um esquema de receptor de rádio super-heteródino.
O receptor super-heteródino foi inventado em 1918 por Edwin Armstrong.
O princípio de funcionamento, que ainda hoje se aplica aos mais modernos
aparelhos de rádio, constituiu o maior salto na evolução das radiocomunicações uma vez
que permitiu resolver alguns graves problemas que os receptores da época tinham: fraca
estabilidade, pouca seletividade e grande sensibilidade às interferências.
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Esta sensibilidade às interferências era motivada pela grande largura de banda dos
circuitos utilizados para amplificar o fraco sinal de radiofreqüência (RF) dos postos
emissores de TSF.
Nos receptores super-heteródinos todas as freqüências são convertidas para valor
mais baixo antes da detecção, ou seja, da extração do sinal de áudio da portadora de RF.
Esta freqüência constante denomina-se "Freqüência intermediária" (FI) que nos
receptores domésticos se situa entre os 455 e os 470KHz para AM e 10.7MHz para FM.
Nestes receptores é gerada internamente uma freqüência de oscilação que se
mistura com o sinal de entrada de antena. Procedendo com uma análise espectral verifica-
se que aparecem duas freqüências, uma alta (soma de freqüências) e uma baixa ( diferença
de freqüências).
Com a descoberta do circuito super-heteródino, os problemas enfrentados no
receptor RF foram suprimidos, conseguindo-se boa seletividade e sensibilidade a um custo
reduzido, sendo ainda hoje o circuito mais usado na construção de modernos receptores.
Um super-heteródino básico recebe o sinal (portadora RF) da estação de rádio na
antena que está ligada a um circuito LC ( bobina/condensador) sintonizado. Este sinal é
misturado com uma freqüência gerada por um oscilador local e a diferença da freqüência
da portadora da estação e o oscilador local é a freqüência Intermédia (FI). Depois desta
conversão, é usado um amplificador de FI de banda estreita e fixa que proporciona um
ganho no sinal a ser detectado.
Outro inconveniente eliminado nos receptores super-heteródinos é a “fuga” de RF
que é realimentada para a antena nos circuitos a RF.
O esquema do super-heteródino é mostrado a seguir
Figura 2 - Diagrama de Blocos do receptor Superheterodino
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2-3.4) Amplificador de RF
Tipicamente, utiliza-se um amplificador de baixo ruído sintonizado na freqüência
da portadora, isto porque por ser o primeiro estágio de amplificação, o ruído produzido por
ele é amplificado nos estágios subseqüentes e pode comprometer a relação sinal ruído,
diminuindo assim a qualidade do receptor.
Para a implementação do receptor, utilizou-se a seguinte topologia
Foi escolhido um transistor de baixo ruído (BC549) para garantir que o ruído não
seja alto na entrada.
Na prática foram utilizados os seguintes componentes
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2-3.5) Oscilador Local
O Oscilador local é utilizado para fazer a sintonia do receptor FM.
Ele consiste de um Oscilador Collpits, com a seguinte topologia
Figura 3 Oscilador Latex
2-3.6) Misturador
O misturador consiste basicamente de dois blocos, sendo o primeiro um
multiplicador e o segundo um filtro BPF. Sua função é realizar uma mudança na
freqüência de portadora recebida pelo FM para uma freqüência intermediária (FI).
O teorema da modulação garante que ao multiplicar um sinal por um cosseno em
, o resultado é o mesmo sinal de entrada, deslocado de . Para o receptor deste
projeto, usou-se um oscilador local em 13Mhz, fazendo com que ao receber um sinal em
14Mhz, o misturador translade o sinal de RF para uma FI de 1Mhz.
O projeto do misturador usou a seguinte topologia
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Figura 4 Misturador
Funcionamento do misturador:
A corrente de dreno no JFET é dada por
Para o circuito misturador, tem-se que
Onde é o sinal proveniente da seção de RF e é dado por
E é o sinal proveniente do Oscilador local e é dado por
Substituindo na equação da corrente de dreno do JFET, obtém-se
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2
=
cos( + + 2cos2
Ao passar-se por um filtro BPF centrado em obtém-se
Que é o mesmo sinal de FM da seção de RF, deslocado para .
2-3.7) Amplificador de FI
O principal objetivo de se trabalhar em uma única freqüência é garantir uma alta
seletividade por parte do receptor. Uma das grandes vantagens do receptor super-
heteródino é sua alta seletividade. Isso é conseguido através do cascateamento de
amplificadores sintonizados na freqüência intermediária (FI). Estes amplificadores são
conhecidos como Amplificadores de FI.
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Figura 5 Amplificador de FI
A freqüência de sintonia dos amplificadores de FI, foi escolhida como sendo de
. Isto foi conseguido utilizando-se uma bobina de 1uH e um capacitor de
22nF. A freqüência intermediária pode ser então facilmente calculada através da relação
A tensão no emissor, tanto de quanto de pode ser obtida a partir de
e pela tensão na base dos transistores, obtida a partir dos resistores de polarização.
Ela é dada por
Onde é a tensão de polarização na base e pode ser obtida a partir do divisor de tensão
Logo, obtém-se
A corrente de coletor será aproximadamente igual à corrente de emissor que é dada
por
O amplificador de FI utilizado nada mais é do que um emissor comum com um
circuito RLC paralelo como carga. Seu ganho é então dado por
A impedância do circuito RLC paralelo é dada por
Portanto o ganho é dado por
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Seu valor exato depende do resistor de perdas R referente à combinação indutor +
capacitor em paralelo.
2-3.8) Discriminador
Conforme visto anteriormente, o sinal FM é da forma
Ao derivar este sinal, obtém-se
Este sinal é um AM+FM, o que implica portanto que ele possui envoltória e pode
facilmente ser demodulado através de um detector de pico.
O discriminante é um circuito que deriva o sinal FM, para transformá-lo em um
AM+FM e assim fazer com que a detecção de envoltória possa ser utilizada a fim de obter
o sinal modulador.
Uma possível implementação deste circuito é ilustrada no esquema abaixo. Esta foi
a topologia adotada no presente projeto.
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Figura 6 - Discriminador com limitador na entrada
O circuito acima é um amplificador sintonizado em uma freqüência levemente
diferente da freqüência de FI. Com isso, aproveita-se a região da resposta em freqüência do
tanque LC em que há aproximadamente uma reta. Assim, efetivamente é feita a
diferenciação do sinal de entrada.
O Discriminador tem em sua entrada um limitador com diodos, ou neste caso
transistores com coletor e base conectados funcionando como diodo. Este limitador faz
com que o sinal tenha uma amplitude máxima de aproximadamente -0,7V a +0,7V. Isto é
importante para assegurar que a amplitude do sinal é realmente constante o que não ocorre
devido à presença do ruído na transmissão é necessário incluir um limitador antes do
diferenciador. Se a amplitude não se mantém constante um termo de distorção de fase
devido à variação da amplitude aparece na saída.
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Figura 7 - Banda de passagem do discriminador
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2-4) SIMULAÇÕES
Foram feitas simulações por blocos no programa CircuitMaker 2000. Em seguida
fomos juntando blocos por área do circuito e em seguida todos os blocos. O esquema com
todos os blocos não funcionou, porém como os blocos funcionaram bem individualmente,
o circuito deve funcionar como um todo.
2-4.1) Amplificador de RF
Foi feita a simulação do bloco inicial de amplificador de RF. Este deve ser um
amplificador de baixo ruído então também foi feita a simulação do ruído (.NOISE).
Figura 8 - Esquema do amplificador RF de baixo ruído
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Figura 9 - Gráfico Vsa x f do Amplificador de RF
Figura 10 - Gráfico da análise de ruído do Amplificador de RF
Observou-se que o amplificador de RF está sintonizado bem próximo de 14MHz e
que o seu ruído próximo desta freqüência é
O é a banda do amplificador, neste caso é aproximadamente 6MHz. Então
Considerando uma resistência e entrada pode-se estimar a potência do
ruído do amplificador
Esta potência está bem abaixo de .
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2-3.5) Oscilador Local
Foram feitas também simulações com o oscilador local Colpitts, cujo esquema é
mostrado a seguir
Figura 11 - Esquema do Oscilador Local Colpitts
Tem-se a seguinte forma de onda no tempo
Figura 12 - Oscilador Local com frequência de 15,2 MHz
A freqüência pode ser variada mexendo na polarização do potenciômetro, ficando
entre 13,8MHz e 15,2MHz aproximadamente.
A freqüência deve ficar 1MHz acima ou abaixo de 14MHz para que o misturador se
desloque o sinal recebido para a freqüência de FI escolhida de 1MHz
.
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2-3.6) Misturador
O misturador tem a função de deslocar o sinal recebido para a FI. Foi utilizado o
multiplicador quadrático com JFET mostrado a seguir
Figura 13 - Misturador com JFET
Fazendo o produto do sinal de 14MHz com o sinal do oscilador de 15MHZ, e com
o filtro sintonizado, encontra-se um sinal de 1MHz
Figura 14 - Saída do misturador
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2-3.7) Amplificador de FI
O Amplificador de FI é um amplificador sintonizado. São utilizados dois
amplificadores sintonizados em série para ter maior ganho e maior seletividade. O
esquema é mostrado a seguir
Figura 15 - Amplificador FI
Encontrou-se na simulação a seguinte saída, claramente sintonizada em 1,07MHz
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2-3.8) Discriminador
O Discriminador tem em sua entrada um limitador com diodos, ou neste caso
transistores com coletor e base conectados funcionando como diodo. Este limitador faz
com que o sinal tenha uma amplitude máxima de aproximadamente -0,7V a +0,7V.
Figura 16 - Discriminador
Figura 17 - Sinal após a diferenciação
Figura 18 - Sinal após o detector de envoltória
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2-5) RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISE
Após as simulações o circuito foi montado.
Montaram-se blocos na protoboard. Verificou-se que o Colpitts escolhido não
oscilava. Os blocos que funcionam na freqüência intermediária de 1MHz foram testados
com um gerador de sinais. Para os circuitos que trabalham com freqüências mais altas não
foi possível testar o funcionamento, pois não se dispunha de gerador para freqüências mais
altas que 2MHz, nem um gerador capaz de gerar FM.
Foi verificada a resposta em freqüência do amplificador de FI que ficou bem
próxima do valor esperado de devido aos capacitores e indutores utilizados
.
Também se verificou a resposta em freqüência do discriminador, que funciona
como um filtro sintonizado numa freqüência um pouco menor com e
. Neste caso a freqüência de ressonância foi de
.
Também verificou-se o misturador, como um multiplicador para freqüências
menores. Foram feitos os devidos ajustes nos capacitores e indutores e verificou-se seu
funcionamento como modulador AM.
Figura 19 - Funcionamento do Misturador JFET como modulador AM
O não funcionamento do oscilador Colpitts poderia ser devido a capacitâncias
parasitas da placa de contatos. Portanto como o trabalho pedia uma sintonia em HF de
14MHz foi decidido utilizar uma placa de circuito impresso.
Projetou-se a placa de circuito impresso com os programas OrCAD PSpice,
Capture, Layout e foi enviada a um fornecedor para ser feita.
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Após o recebimento da placa os componentes foram soldados, deixando
inicialmente os estados isolados, sem os capacitores e amplificadores operacionais de
acoplamento.
Após alguns ajustes foram realizados testes, porém verificou-se que o oscilador não
funcionou. Poderiam ter sido utilizados outros osciladores como de relaxação ou Pierce e
aferido seu funcionamento em Protoboard, mesmo não sendo o ideal para altas
freqüências.
2-6) MELHORIAS
Para o funcionamento da topologia escolhida é essencial o uso de um bom
oscilador. Seria interessante escolher entre os vários osciladores existentes alguns e testá-
los na prática, para verificar o seu funcionamento.
Entre as opções disponíveis, as mais interessantes parecem ser alguma topologia de
oscilador Pierce, com um cristal de freqüência próxima a 13MHz ou 15MHz (menor ou
maior 1MHz que 14MHz). Outra opção poderia ser o oscilador de relaxação controlado a
tensão que tem um funcionamento relativamente simples e tem como saída uma onda
triangular ou retangular.
Outra melhoria importante é fazer o casamento de impedância entre blocos para
maximizar a transferência de potência. Isto deve ser feito principalmente para estágios que
trabalham com freqüências mais altas, pois neste caso os efeitos eletromagnéticos fazem
com que ocorra uma reflexão de onda, podendo aparecer uma onda estacionária, piorando
a recepção.
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2-7) CONCLUSÃO
O projeto do receptor FM faz parte de um projeto maior, Robô Móvel. Foram
revisados diversos conceitos estudados em eletrônica 3. Outros assuntos como análise de
Fourier, antenas e modulação FM de outras disciplinas como Sinais e Sistemas,
Eletromagnetismo e Princípios de Comunicação foram abordados.
Desenvolver o receptor em blocos para depois acoplá-los, foi a melhor escolha para
projetar o circuito e detectar oportunidades de melhoria, pois o desenvolvimento de um
circuito inteiro torna mais difícil sua análise.
Infelizmente o bloco oscilador não funcionou como esperado na prática. Talvez
outra topologia como Pierce ou de relaxação fosse mais bem sucedida.
A modulação FM, proposta neste trabalho, é amplamente utilizada comercialmente,
pois possui menor sensibilidade à ruído e maior eficiência de potência, quando comparada
à modulação AM.
Neste projeto escolheu-se a topologia do receptor FM como sendo super-
heteródina, deslocando a freqüência recebida de 14MHz para freqüência intermediaria de
1MHz, mais prática para se trabalhar, aumentando a estabilidade, melhorando a
seletividade e reduzindo as interferências.
A utilização de acoplamento entre os estágios foi feita a fim de isolar a polarização
entre os estágios com capacitores. Também foi usado, para acoplar os estágios, foram
utilizados Amplificadores Operacionais como seguidores de tensão (buffers) para evitar
efeitos de carregamento na entrada do estágio seguinte.
Concluiu-se que a utilização da teoria em conjunto com a prática, com o auxílio da
matemática, física, simulações computacionais, dividindo bem o trabalho, é essencial para
o sucesso em um projeto desta magnitude.
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2-8) BIBLIOGRAFIA
Pederson & Mayaram. Analog Integrated Circuits For Communications. Kluwer
Academic Publisher, 1991.
Santos, E. J. P. Eletrônica Analógica Integrada e Aplicações. 2003.
Oliveira, Hélio M. de. Fundamentos de Engenharia de Telecomunicações. 2008.
HOROWITZ, Paul; HILL, Winfield. The Art of Electronics. 2nd ed. Cambridge:
Cambridge University Press, 1989.
VIZMULLER, Peter. RF design guide: systems, circuits, and equations. Boston: Artech
House, c1995.
BOWICK, Christopher. RF Circuit Design. 2nd ed. Newnes, 1997.
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2-9) ANEXOS
2-9.1) OUTRAS TOPOLOGIAS
Figura 20 PLL
Além do receptor super-heteródino, pode-se usar a malha travada (PLL) em fase para
realização do demodulador FM.
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2-9.2) PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO UTILIZADA
Figura 21 Placa de circuito impresso
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2-9.3) ANTENA UTILIZADA
Figura 22 Antena dipolo
Figura 23 Cabo coaxial
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2-9.4) Esquemático completo
Figura 24 Esquemático página 1
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Figura 25 Esquemático página 2
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ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral
2-33
2-9.5) Esquema da placa de circuito impresso
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ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral
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Figura 26 Camada inferior
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ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral
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Figura 27 Camada da máscara de solda
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ruído e antena. Pedro Lyra Pereira Cabral
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Figura 28 Camada do silk screen
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Figura 29 Esquema de furação