Bloguetrónica: Amplificador de potência OpRF

O OpRF é um amplificador de potência para aplicações de rádio-frequência que é inteiramente baseado em amplificadores operacionais. Com uma gama de frequências entre 15,9KHz e 13MHz, é capaz de transmitir nas bandas de 2200, 630 e 160 metros sem necessidade de reduzir a potência do sinal de entrada, e também nas bandas de 80, 60, 40 e 30 metros com o sinal de entrada reduzido a uma potência inferior a -10dBm. O ganho deste amplificador é de 30,2dB, sendo a potência de saída de 1,1W, o que faz com que o mesmo possa ser utilizado directamente ligado a uma antena, ou como um pré-amplificador de uma etapa final mais potente.

Parâmetros de funcionamento:
– V_{d. mín.} = 9,54V
– V_{d. máx.} = 16,77V
– V_{in. máx.} = 1,76V_rms (17,92dBm)
– Z_{L out. mín.} = 50Ω

Características eléctricas:
– I_d. (V _d. = 10V, Z_{L out.} = 50Ω) = 374,8mA
– I_d. (V _d. = 16V, Z_{L out.} = 50Ω) = 229,5mA
– P (V _d. = 10V, Z_{L out.} = 50Ω) = 3,748mW
– P (V _d. = 16V, Z_{L out.} = 50Ω) = 3,672mW

Características de amplificação:
– Impedância de entrada (Z_L in.): 49,9Ω
– Sensibilidade de entrada (F_in < 3MHz): 224mV_rms (0dBm)
– Ganho: 30,2dB (32,3V/V)
– Resposta em frequência (-3dB): 15,9-13000Khz
– Ruído (Z_{L out.} = 50Ω): 865µV_rms
– Relação sinal-ruído (SNR_dB): 78,7dB
– Impedância de saída (Z_{S out.}): 10Ω
– Potência de saída (Z_{L out.} = 50Ω): 1,10W

O circuito emprega duas etapas no que concerne à amplificação do sinal: uma primeira etapa de pré-amplificação e uma etapa final de amplificação de potência. A primeira etapa é constituída pelo primeiro de dois amplificadores operacionais que integram o THS4012 da Texas Instruments (IC3). A etapa final faz uso do segundo amplificador operacional em conjunção com o BUF634A (IC4), um buffer de malha aberta do mesmo fabricante. Esta última etapa apresenta um ganho semelhante ao da etapa anterior, mas graças ao buffer, pode entregar uma corrente muito mais substancial, o que permite ao OpRF debitar até 1,1W com uma carga de 50Ω. Note que a potência entregue é parcialmente limitada pelo resistor em R1, que em todo o caso é necessário para dar estabilidade ao amplificador, independentemente das condições de carga.

Circuitos da secção de alimentação e da etapa de pré-amplificação.

Circuito da etapa de amplificação final e respectiva saída.

A alimentação das etapas anteriores é feita pelo TEL 8-1223 em IC1, um conversor DC-DC da Traco. Trata-se de um conversor DC-DC de saída dupla, que oferece uma alimentação simétrica e regulada de ±15V, com corrente até 265mA, e que também traz isolamento galvânico. As tensões à saída do conversor anterior são filtradas por dois filtros pi, um por saída, constituídos respectivamente por C3, C4 e L1, e C5, C6 e L2. Esta filtragem é essencial para minimizar o ruído derivado do processo de comutação do referido conversor.

Tal como acontece em outros projectos, foram implementadas numerosas medidas de protecção, nomeadamente contra sobre-tensões, inversões de polaridade e sobre-corrente. O circuito crowbar com SCR, constituído pelo tirístor Q1 e por D3, C1 e R1, protege contra sobre-tensões, ao passo que que o díodo Zener em D1 oferece protecção adicional contra transientes na alimentação. A protecção contra inversões de polaridade é oferecida por D2, em conjunção com o díodo anterior. Por sua vez, F1 protege contra sobre-corrente na alimentação, para além de auxiliar as protecções anteriores. Ademais, o circuito também inclui as medidas de protecção habituais contra descargas electrostáticas na entrada e na saída, implementadas através de IC2 e D4, respectivamente.

Lista de componentes:
C1/9 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C2 – Condensador de electrólito sólido PLF1E470MDO2;
C3-6 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 25V (0805);
C7/8/11/13 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 25V (0805);
C10/12 – Condensador de electrólito sólido PLF1E100MCL7;
D1 – Díodo TVS SMAJ18A;
D2 – Díodo rectificador Schottky SS23;
D3 – Díodo Zener BZX84-B16;
D4 – Díodo TVS SMBJ14CA;
F1 – Fusível PPTC 1812L075/24;
IC1 – Conversor DC-DC isolado TEL 8-1223;
IC2 – Circuito de protecção TVS SP4020-01FTG-C;
IC3 – Amplificador operacional THS4012 (THS4012CD);
IC4 – Buffer analógico BUF634A (BUF634AID);
J1 – Receptáculo de alimentação 5,5mm x 2,1mm;
J2/3 – Conector BNC Amphenol RF 132136;
L1/2 – Indutor de potência XFL3012-223ME (XFL3012-223MEB ou XFL3012-223MEC);
Q1 – Tirístor SCR NYC222STT1G;
R1 – Resistor de filme espesso 150Ω±5% 1/8W (0805);
R2 – Resistor de filme espesso 49,9Ω±1% 1/8W (0805);
R3/7 – Resistor de filme espesso 2,61KΩ±1% 1/8W (0805);
R4/8 – Resistor de filme espesso 499Ω±1% 1/8W (0805);
R5 – Resistor de filme espesso 1KΩ±5% 1/8W (0805);
R6 – Resistor de filme espesso 4,7KΩ±5% 1/8W (0805);
R9 – Resistor de filme espesso 10Ω±5% 2W (2512).

O layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. A encomenda da placa deve ser feita através do OSH Park, dado que o layout foi desenhado com as especificações deste serviço em mente. Todavia, poderá utilizar outro serviço de fabrico, contando que o mesmo suporte layouts de quatro camadas com furação a partir de 0.5mm. O stackup e materiais não tem necessariamente de ser idênticos, uma vez que a resposta em frequência deste amplificador é algo limitada, e logo o controlo de impedância não é um factor crítico.

Quanto à montagem, é necessário ter algum equipamento específico. Os componentes SMD são soldados em primeiro lugar por refusão com ar quente, utilizando pasta de solda e stencil. Os restantes componentes, sendo through-hole, podem ser soldados com um simples ferro de soldar.

A caixa recomendada para este projecto é a Hammond 1455D801. É uma caixa em alumínio anodizado que está disponível em diversas cores. Convém sublinhar que a placa foi dimensionada para a caixa em questão. Os painéis frontal e traseiro devem ser furados segundo o guia de furação. Consulte as notas do projecto para obter as referências necessárias à encomenda da caixa.

19/02/2021

Amplificador de potência OpRF

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