Bloguetrónica: setembro 2023

Hoje apresento mais um amplificador de potência para aplicações de rádio-frequência, baseado em amplificadores operacionais. O OpRF III é uma evolução directa do OpRF II, cujo projecto foi apresentado no post de 22 de Dezembro de 2021. No entanto, o desempenho térmico deste amplificador é muito melhor em contraste com o do seu predecessor, o que o torna capaz de cobrir as bandas de 2200 a 4 metros em plena potência, isto é, sem necessidade de atenuar o sinal de entrada. O OpRF III introduz um ganho de 30,9 dB e transmite uma potência que pode ir até aos 1,23 W.

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

Características eléctricas:
– I_d. (V _d. = 10 V, Z_{L out.} = 50 Ω) = 713,9 mA
– I_d. (V _d. = 16 V, Z_{L out.} = 50 Ω) = 435,5 mA
– P (V _d. = 10 V, Z_{L out.} = 50 Ω) = 7,139 W
– P (V _d. = 16 V, Z_{L out.} = 50 Ω) = 6,968 W

Características de amplificação:
– Impedância de entrada (Z_L in.): 49,7 Ω
– Sensibilidade de entrada (F_in < 10MHz): 224 mV_rms (0 dBm)
– Ganho: 30,9 dB (35,0 V/V)
– Resposta em frequência (-3 dB): 27,7-102000 Khz
– Ruído (Z_{L out.} = 50Ω): 961 µV_rms
– Relação sinal-ruído (SNR_dB): 78,2 dB
– Impedância de saída (Z_{S out.}): 5,6 Ω
– Potência de saída (Z_{L out.} = 50Ω): 1,23 W

O circuito é algo semelhante ao do OpRF II, sendo a escolha dos integrados a diferença mais notável. Com vista a melhorar a distribuição de calor, foram empregues dois THS3091 (IC3 e IC4), em lugar do THS3092 presente no projecto anterior. Assim sendo, o primeiro dos integrados é o responsável pela pré-amplificação, ao passo que o segundo integra o andar de amplificação final, assumindo portanto a função de atacar as entradas dos buffers. Por sua vez, os buffers empregues ainda são do tipo BUF634A, mas de uma variante com pad térmico para uma melhor transferência de calor. Similarmente, os THS3091 também têm pads térmicos.

Porém, cabe referir que a dissipação de calor não foi melhorada apenas com a escolha de integrados diferentes. A placa foi desenhada de modo a facilitar ainda mais essa dissipação, com uma área maior e também providenciando um contacto substancial com os referidos integrados. Ainda mais significativa foi a adição de um dissipador de calor bem dimensionado e suficiente para os integrados anteriores. Todos estes factores fazem com que o OpRF III possa operar em pleno, em especial nas bandas de 20 a 4 metros, sem que a protecção térmica interna aos buffers seja de alguma forma despoletada.

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

Circuito da etapa de amplificação final e respectiva saída.

A alimentação das etapas de pré-amplificação e amplificação final é feita por via do TEL8-11223 (IC1), um conversor DC-DC que já tinha sido aplicado anteriormente. Este modelo fornece uma tensão simétrica de ±15 V, e pode fornecer até 265 mA, para além de oferecer isolamento galvânico. As tensões de saída do conversor são filtradas por dois filtros pi, um por barramento.

Por fim, o circuito integra as protecções habituais contra sobre-tensão, sobre-corrente e inversão de polaridade. O circuito crowbar com SCR, constituído pelo tirístor Q1 e por D3, C1 e R1, protege o circuito contra sobre-tensões na alimentação, sendo tal protecção complementada pelo díodo TVS em D1, que salvaguarda contra picos de tensão transientes. A protecção contra inversões na polaridade da alimentação é feita por D2, em conjunto com o díodo anterior. Por sua vez, F1 protege contra corrente excessiva, também em auxílio das protecções anteriores. O circuito também incorpora medidas contra descargas electrostáticas na entrada e na saída, feitas por IC2 e D6, respectivamente.

Lista de componentes:
C1/9/18 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C2 – Condensador de electrólito sólido PLF1E470MDO2;
C3-6 – Condensador cerâmico multi-camada 2,2µF 25V (0805);
C7/8/11-13/15-17 – Condensador cerâmico multi-camada 100nF 25V (0805);
C10/14 – Condensador de electrólito sólido PLF1E100MCL7;
D1 – Díodo TVS SMAJ18A;
D2 – Díodo rectificador Schottky SS23;
D3 – Díodo Zener BZX84-B16;
D4/5 – Díodo TVS SMF15A;
D6 – Díodo Schottky BAS40-04;
F1 – Fusível PPTC 1812L075/24;
HS1 – Dissipador CUI Devices HSB25-282810;
IC1 – Conversor DC-DC isolado TEL 8-1223;
IC2 – Circuito de protecção TVS SP4020-01FTG-C;
IC3/4 – Amplificador operacional THS3091 (THS3091DDA);
IC5/6 – Buffer analógico BUF634A (BUF634AIDDA);
J1 – Receptáculo de alimentação Switchcraft RAPC722X;
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 52,3Ω±1% 1/8W (0805);
R3/6 – Resistor de filme espesso 1kΩ±5% 1/8W (0805);
R4/7 – Resistor de filme espesso 3,09kΩ±1% 1/8W (0805);
R5/8 – Resistor de filme espesso 590Ω±1% 1/8W (0805);
R9 – Resistor de filme espesso 5,6Ω±5% 2W (0805).

Como é costume, o layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.7.0) e Gerber. Aconselho a encomenda da placa através do OSH Park, dado que a mesma foi concebida de acordo com as especificações deste serviço. No entanto, pode utilizar outro serviço de fabrico, desde que o mesmo suporte layouts de quatro camadas com furação mínima de 0,5 mm. O stackup e materiais deverão ser idênticos na medida do possível.

A montagem da placa requer equipamento especializado. Nomeadamente, todos os componentes SMD devem ser soldados com recurso a ar quente, sendo que a solda em pasta deve ser aplicada previamente com um stencil. Os restantes componentes podem ser soldados com um simples ferro de soldar.

Para concluir, a caixa recomendada para este projecto é a Hammond 1455C801. É uma caixa em alumínio anodizado que está disponível em diversas cores. A furação das tampas deve seguir o guia de furação. Para saber mais detalhes, recomendo que leia as notas do projecto.

30/09/2023

Amplificador de potência OpRF III