Modulação em amplitude é definida como um sistema de ... unit 02.pdf · dora for modulada em...
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• Modulação em amplitude é definida como um sistema de
modulação no qual a amplitude do sinal portadora é feita
proporcional aos valores instantâneos de amplitude da ten-
são modulante ou sinal de informação.
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Convenções
Sinal portadora →→ec(t) = Ec sen ( Wct + ϕc ) ou
eo(t) = Eo sen ( Wo t + ϕo)
Sinal modulanteou informação
→→ em(t) = Em sen ( Wmt + ϕm)
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• A amplitude máxima Ec ou Eo de uma portadora não mo-
dulada, deverá variar proporcional aos valores instantâneos
da tensão modulante Em sen ( Wmt + ϕϕ m ) quando a porta-
dora for modulada em amplitude.
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• Quando a modulação está presente a amplitude da portado-
ra é variada em seu valor instantâneo. Se Em é muito maior
do que Ec algo não usual ocorrerá, tal como distorção no si-
nal.
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Amplitude Instantânea da Onda Modulada em Amplitude.
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Índice de Modulação
• ma é definido como a relação entre as amplitudes máximasEm e Ec
m
k EE
k EEa
a m
c
a m
o
= =
onde ka é a constante de proporcionalidade ou de linearida-de do modulador.
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• O índice de modulação é um número puro que varia entre
zero e a unidade, as vezes é expresso como uma percenta-
gem, no caso denominado de Percentagem de Modulação.
0 ≤≤ ma ≤≤ 1 ou 0 ≤≤ ma ≤≤ 100%
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• A partir do conceito de modulação em amplitude podemos
escrever uma equação para a tensão modulada.
( )tWmEtWEmEA
tWEEteEA
macmcac
mmcmc
sen1sen
sen)(
+=+=
+=+=
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• A tensão instantânea resultante da onda modulada em am-
plitude será
( )e t A W t E m W t W tAM c c a m c( ) sen sen sen= = +1
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Equações TrigonométricasFunções Soma ou Diferença de Ângulos
( )
( )
( )
( ) bababa
bababa
bababa
bababa
sen.sencos.coscos
sen.sencos.coscos
sen.coscos.sensen
sen.coscos.sensen
+=−
−=+
−=−
+=+
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• Através da combinação das quatro equações trigonométri-
cas permite-nos expandir a equação da onda modulada em
amplitude e obter:
( ) ( )e t E W tm E
W W tm E
W W tAM c ca c
c ma c
c m( ) sen cos cos= + − − +2 2
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• Analisando a equação, podemos concluir:
X A onda modulada é composta por três componentes a
saber:
Ø tWE cc sen - componente portadora;
Ø ( )m EW W ta c
c m2cos − - faixa lateral inferior - FLI - LSB;
Ø ( )m EW W ta c
c m2cos + - faixa lateral superior - FLS - USB.
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X A componente portadora NÃO apresenta variações em
amplitude e em freqüência dependentes do sinal mo-
dulante.
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X A informação ou sinal modulante está presente nas fai-
xas laterais, modificando a amplitude e a freqüência
destas componentes.
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Representação da Onda Modulada em Amplitude
• A onda modulada em amplitude pode ser representada sob
três formas a saber:
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X pelo espectro de freqüência - construído a partir de
uma padronização onde os sinais são todos cossenóides;
X pela forma de onda apresentada por um osciloscópio;
X por seu diagrama fasorial.
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C - Componente Portadora
LSB - Lower SideBand ou FLI - Faixa Lateral Inferior
USB - Upper SideBand ou FLS - Faixa Lateral Superior
fm - Freqüência Modulante
fc - Freqüência Portadora
Espectro de Freqüência da Onda Modulada em Amplitude1
1 Na elaboração deste espectro considerou-se todas as componente cossenoidais.
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Onda Modulada em Amplitude
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• Pela forma de onda teremos a amplitude ou o que chama-
mos de topo envolvente da onda de AM e o máximo nega-
tivo da amplitude denominado de fundo ou vale dado pelas
equações:
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Topo envolvente A E E W tc m m= + sen
Fundo ou Vale envolvente ( )− = − +A E E W tc m msen
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• A onda modulada estende-se entre estes dois limites envol-
ventes e tem uma velocidade de repetição igual à freqüên-
cia da portadora não modulada.
• Utilizando a forma de onda de AM podemos determinar
uma expressão para o cálculo do índice de modulação:
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( )( )MINMAX
MINMAXa
MINMAX
MINMAX
c
ma
MINMAXc
MINMAXMAXmMAXm
c
ma
EEEE
m
EE
EE
EE
m
EEE
EEEteEE
EE
m
+−
=
+
−
==
+
=
−
−=−=
=
2
2
2
2)(
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( )( )MINMAX
MINMAXa EE
EEm
+−
=
• Esta equação é um método de avaliar o índice de modula-
ção utilizando o osciloscópio, NÃO podendo ser utilizada
em NENHUMA outra situação.
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Representação do AM-DSB-FC por Fasores Girantes
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Relação de Potência da Onda de AM
• A potência média total desenvolvida por uma onda de AM
será composta pelo somatório das três potências médias de
cada componente:
R
E
R
E
R
EPt USBLSBcarr
222
++=
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• A potência da portadora não modulada é dada por:
PcEcarr
R
Ec
R= =
22
2( )
PcEc
R=
2
2
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• A potência de cada faixa lateral será dada por
R
EPP SB
USBLSB
2
==
REm
R
Em
PP ca
ca
USBLSB .8
22
22
2
=
==
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• Somando-se as três parcelas têm-se:
21
88
2
2222
a
c
cacac
mPPt
REm
REm
PPt
+=
++=
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21
2a
c
m
P
Pt+=
• A equação acima relaciona a potência média total da onda
modulada em amplitude (Pt) e a potência média da portado-
ra não modulada (Pc).
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• Observa-se que o processo de modulação em amplitude
aumenta a potência do sinal através da adição da potência
correspondente às duas faixas laterais.
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• A potência média total depende do sinal modulante, apre-
sentando seu valor máximo quando ma = 1,0, sendo Pt =
1,5 Pc, correspondendo à máxima potência que os amplifi-
cadores conseguem manipular, sem distorcer o sinal.
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Relação das Correntes
• A partir da relação de potência podemos deduzir uma rela-
ção entre a corrente total desenvolvida pela onda de AM
( It ) e a corrente da portadora não modulada ( Ic ).
21
2a
c
t m
I
I+=
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Modulação por Vários Sinais Senoidais
• Na prática encontramos a modulação de uma portadora por
vários sinais senoidais simultaneamente. Isso leva-nos a um
cálculo do índice de modulação resultante para determi-
narmos a potência média total a ser transmitida.
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• Considerando que tenhamos vários sinais modulantes se-
noidais o sinal resultante será dado por:
E E EmRES= + +1
222 K
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• A partir deste sinal modulante chega-se ao índice de mo-
dulação resultante que será:
m m ma a aRES= + +1
22
2 K
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• O índice de modulação resultante não deve exceder à uni-
dade ou resultará em distorção, igual à sobremodulação por
uma senoidal simples.
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Geração de uma Onda Modulada em Amplitude
• Existem dois métodos de gerar uma onda modulada em am-
plitude:
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X O gerador de AM comum, na produção de AM em se-
melhantes dispositivos, a baixo nível de potência;
X Em transmissores de AM, onde gera-se altas potências,
onde o primeiro requisito é a eficiência do sistema.
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Requisitos Básicos: Comparação de Níveis
Corrente necessária para obtenção da onda de AM
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• Aplica-se uma série de pulsos de corrente a um circuito
sintonizado.
• Para cada pulso, inicia-se uma oscilação amortecida, devido
às perdas.
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• A amplitude inicial é proporcional ao tamanho do pulso de
corrente e tem uma velocidade de descida dependente da
constante de tempo do circuito.
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• Desde que um trem de pulso está alimentando a um circuito
tanque ou circuito sintonizado, cada pulso causará uma
onda senoidal completa proporcional à amplitude do pulso
aplicado.
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• O processo é conhecido como flywhell effect - efeito vo-
lante do circuito tanque, que trabalha melhor com um cir-
cuito sintonizado com fator de mérito “ Q “ moderado.
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• É possível fazer com que a corrente de um amplificador em
classe C seja proporcional à tensão modulante.
• Adicionando essa tensão em série com algumas das tensões
de alimentação desses amplificadores.
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• Em um transmissor de AM a modulação em amplitude pode
ser gerada em qualquer ponto após o cristal oscilador; até
mesmo no circuito oscilador.
• Neste caso, teríamos interferência em sua estabilidade em
freqüência, fato este desnecessário.
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• Denominamos de modulação em alto nível ao circuito no
qual o sinal modulante é aplicado na placa da válvula ou
coletor do transistor.
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• Se a modulação é aplicada em qualquer outro eletrodo ou
terminal, mesmo do amplificador de saída, então a modula-
ção será denominada de baixo nível.
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• A modulação em grade no estágio de saída é considerada
como modulação em alto nível para transmissores de tele-
visão, devido as dificuldades de se gerar uma alta potência
com grande largura de faixa exigida pelo sinal de TV, utili-
zando modulação em placa.
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Diagrama em Blocos de um Transmissor de AM
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• No diagrama em blocos do transmissor de AM convencio-
nal ou AM-DSB-FC verificamos que a tensão de áudio é
processada, filtrada para ocupar a correta largura de faixa
de 10 kHz e comprimida para reduzir a relação de ampli-
tude.
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• Um amplificador de potência de áudio é seguido, culminan-
do no circuito modulador.
• A este ponto, temos concluído o tratamento da informação
antes de realizarmos a modulação.
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• O modulador é seguido de um amplificador de RF para mo-
dulação de baixo nível, sendo um amplificador de RF line-
ar, em classe B, com uma forma de exagerar a diferença
entre os sistemas.
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• Cada estágio seguinte deve aumentar a potência das faixas
laterais, bem como a portadora.
• Esses estágios subseqüentes devem ter largura de faixa su-
ficiente para as freqüências das faixas laterais.
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• Conclui-se, desta forma, que estes estágios não podem ser
em classe C e são, por conseguinte, menos eficientes.
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• Cada sistema apresenta uma grande vantagem:
X baixa potência do sinal modulante é exigido em um
caso;
X maior eficiência de amplificação em RF com esboços
de circuitos mais simples no outro caso.
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• Modulação em placa tende a apresentar melhor eficiên-
cia, baixa distorção e maior capacidade de manipular
potências do que a modulação em grade.
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• Conclui-se que para a transmissão de AM, invariavel-
mente utiliza-se a modulação em alto nível e em transmis-
sores de TV a modulação em grade no seu estágio final.
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• Outros métodos são empregados em baixa potência e em
aplicações como geradores de sinais de AM e instrumentos
de testes e medidas.
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Amplificadores Classe C Modulado em Grade
Amplificador em Classe C - Modulado em Grade
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• Um amplificador em classe C pode ser modulado pela in-
trodução da tensão de modulação em série com a polariza-
ção de grade.
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Forma de onda de Tensão de Grade - Corrente de Placa
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• A tensão de modulação é superposta - somada - à polariza-
ção de grade.
• Assim, a amplitude total de polarização é proporcional a
amplitude do sinal modulante e varia a uma velocidade
igual à freqüência do sinal modulante.
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• A corrente de placa resultante flui em pulsos e a amplitude
de cada pulso é proporcional a polarização instantânea.
• Desta forma, proporcional à tensão instantânea de modula-
ção.
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• A aplicação desses pulsos a um circuito sintonizado produ-
zirá a modulação em amplitude.
• O sistema funcionará sem distorção apenas se a caracterís-
tica de transferência da válvula triodo ou do dispositivo
empregado for perfeitamente linear.
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• Não apresentando esta linearidade, o sinal de saída deverá
ser um tanto quanto distorcido, maior do que a modulação
em placa e de menor eficiência.
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• Devido às condições de polarização, a máxima potência de
saída para um amplificador modulado em grade é muito
menor do que a obtida com o mesmo dispositivo, este não
modulado ou se modulado em placa ou coletor.
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• As desvantagens da modulação em grade são contra balan-
ceadas pela baixa potência do sinal modulante necessário.
• Os harmônios gerados como resultado da não linearidade
podem ser reduzidos pela operação do amplificador em
push-pull.
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Amplificadores em Classe C Modulado em Placa
• É o método padrão e o mais amplamente empregado na
obtenção de modulação em amplitude para a radiodifusão e
outras aplicações em transmissores de alta potência.
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• A tensão de áudio ou de informação é aplicada em série
com a tensão de alimentação de placa de um amplificador
em classe C do qual a corrente de placa é, desta forma, va-
riada de acordo com o sinal modulante.
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• A saída do amplificador modulante pode ser aplicado ao
amplificador de potência, PA, por meio de dois elementos
de acoplamento: um choque de áudio ou um transformador
de saída de áudio, transformador de modulação.
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Circuito Equivalente do Modulador em Placa
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• Quando o transformador de modulação é utilizado o sistema
é denominado de modulação em anodo B, isto é, modula-
ção em anodo no amplificador de potência de saída e ope-
ração em Classe B do modulador.
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• O transformador permite o uso de um modulador em Classe
B proporcionando boa eficiência de áudio e facilitando a
obtenção de 100% de modulação.
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• Esse sistema de modulação é empregado em uma vasta
maioria dos transmissores de radiodifusão em modulação
em amplitude.
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Amplificador em Classe C a Triodo Modulado em Placa
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Triodo empregando Transformador de Modulação
• Neutralização é empregada como o foi no modulador em
grade sendo necessária para evitar o efeito Miller nos trio-
dos em altas freqüências.
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• Alimentação em derivação do amplificador em Classe C é
utilizada principalmente para simplificar a explanação.
• O enrolamento secundário do transformador de modulação
é derivado para a RF e evita que alguma parte desvie do
circuito tanque de saída pelo choque de RF.
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• A mesma fonte de alimentação Ebb é empregada para am-
bos, PA e o modulador, implicando que a tensão de saída
de pico do modulador seja feita menor do que Ebb para
evitar distorções.
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• Embora uma fonte de alimentação fixa Ecc seja utilizada,
auto polarização poderá ser empregada em forma de polari-
zação por escape, resultando em melhor operação.
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• A forma de onda da tensão de placa aplicada ao amplifica-
dor em Classe C é de importância bem como a corrente de
placa;
• Ela é uma série de pulsos governados pela magnitude da
tensão modulante.
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Formas de Onda da Modulação em Placa
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• Esses pulsos são aplicados a um circuito tanque e a forma
de onda modulada é a resultante.
• A forma de onda entre placa e catodo é obtida pela super-
posição da tensão de RF combinada com a tensão de ali-
mentação.
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• A tensão de RF aparece através do primário da bobina do
circuito tanque no qual a tensão de alimentação é desaco-
plado através do capacitor de acoplamento, Cc.
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• A forma de onda da corrente de grade do amplificador mo-
dulado varia durante o ciclo da tensão de modulação, em-
bora a tensão de RF não o faça.
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• Quando a tensão de alimentação de placa cai para o pico
negativo do sinal modulante a placa é apenas moderada-
mente positiva e a grade é forçada a ficar positiva; a cor-
rente de grade aumenta significativamente.
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• No pico positivo do sinal modulante a aplicação é inversa e
a corrente diminui, sendo uma variação não senoidal.
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• Se esta situação não é controlada dois efeitos resultarão:
X A condução pode tornar-se uma sobrecarga quando a
corrente de grade aumenta implicando em distorção.
X A grade da válvula amplificadora de potência certa-
mente derreterá por não suportar dissipar toda essa po-
tência.
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• Dois tratamentos são disponíveis:
X É ter uma condução com regulação pobre de forma que
a corrente de grade seja incapaz de aumentar.
X É a utilização da polarização por escape de grade.
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• Quando a corrente de grade tende a aumentar, a polariza-
ção de grade aumenta, tornando mais negativa e tendendo a
reduzir a corrente de grade, estabelecendo-se um ponto de
equilíbrio e proporcionando que tais aumentos sejam dentro
de um limite aceitável.
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• No pico positivo do sinal modulante a corrente de grade
tenderá a cair sendo esta caída reduzida por uma redução
simultânea na polarização negativa de modo que a forma de
onda da corrente de grade vê-se semelhante a uma versão
muito achatada da corrente de grade com polarização fixa.
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• Torna-se mais fácil obter um valor alto de corrente de placa
e assim a distorção no pico positivo do sinal modulante é
prevenido.
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• Sob outro aspecto a tensão de grade com polarização por
escape é vista sendo muito similar a onda de entrada para
um amplificador modulado em grade.
• Conclui-se ter um amplificador grade-placa modulado, mais
eficiente e com menores distorções.
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Amplificadores Transistorizados Modulados
• Modernos transmissores de AM em alta potência tendem
para o emprego de transistores a baixo nível de potência
tanto que excitar transistores de RF e AF são processos
comuns.
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• Os estágios de saída e, geralmente os drivers, de tais trans-
missores utilizam válvulas.
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• Não extingue a existência de transmissores totalmente tran-
sistorizados para aplicações em baixa potência, com poucas
centenas de watts de saída, obtidos com elementos em pa-
ralelos.
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• Os métodos de modulação para amplificadores transistori-
zados são os mesmos empregando válvulas, tendo as mes-
mas propriedades e vantagens com seus correspondentes.
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• Modulação em coletor tem vantagens sobre a modulação
em base de melhor linearidade, maior eficiência e maior
potência de saída, mas como esperado ela requer maior
potência da fonte de sinal modulante ou informação.
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• A saturação de coletor impede 100% de modulação de ser
obtida com somente o coletor modulado, sendo que uma
forma composta de modulação é empregada.
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Modulação em Coletor
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• Este circuito apresenta uma alternativa onde o driver e o
amplificador de saída são modulados em coletor.
• Outra alternativa é empregar a modulação de coletor e base
em um mesmo amplificador.
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• A modulação em dreno e em gate de amplificadores utili-
zando FET”s são igualmente possíveis sendo empregado em
alguns sistemas.
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Geração de uma Onda Senoidal
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Representação em quadratura de uma variável complexa