Apostila de Estudo: Eletrônica de RF – Componentes Semicondutores em Circuitos de Transmissão

Introdução

A eletrônica de radiofrequência (RF) é a disciplina que estuda o projeto, análise e implementação de circuitos e dispositivos operando em frequências de rádio[1]. Os componentes semicondutores são elementos fundamentais em sistemas de transmissão modernos, permitindo amplificação, comutação e processamento de sinais RF com eficiência e miniaturização[2]. Este material cobre os conceitos técnicos de funcionamento e aplicações dos principais componentes semicondutores utilizados em circuitos de transmissão, desde diodos até transistores de potência e seus mecanismos de operação.

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1. Fundamentos de Semicondutores para RF

1.1 Propriedades de Semicondutores

Semicondutores são materiais com resistividade intermediária entre condutores e isolantes. Seus dois tipos principais são:

Semicondutores Intrínsecos:

• Silício (Si) e Germânio (Ge) puros
• Condutividade determinada pela temperatura

Semicondutores Dopados (Extrínsecos):

• Tipo N (doador): Dopados com pentavalentes (P, As, Sb), possuem elétrons livres em excesso
• Tipo P (aceitador): Dopados com trivalentes (B, Al, Ga), possuem lacunas em excesso

1.2 Características Relevantes para RF

Velocidade de Transição (fT):

fT=gm2(Cje+Cjc)

onde:

• gm = transcondutância
• Cje = capacitância de junção emissor-base
• Cjc = capacitância de junção coletor-base

A velocidade de transição define a frequência máxima em que o transistor pode operar com ganho unitário.

Resistência de Série (Rs):

Resistência interna que reduz eficiência em altas frequências. Deve ser minimizada em projetos RF.

Características de Temperatura:

Semicondutores têm dependência temperatura-frequência que afeta:

• Frequência de ressonância
• Ganho
• Impedância de saída
• Estabilidade

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2. Diodos para Aplicações RF

2.1 Diodo Retificador (PIN – p-i-n)

O diodo PIN (p-intrinsic-n) é fundamental em circuitos RF de comutação e detecção.

Estrutura:

• Camada intrínseca (alta resistência) entre regiões p e n
• Espessura da zona intrínseca: 10-50 μm típico

Características em RF:

• Impedância: Varia com corrente direta (0-50 Ω típico)
• Capacitância de Junção: Pequena, permitindo operação em frequências elevadas
• Tempo de Recuperação (Recovery Time): 100 ns a 10 μs dependendo do tipo

Modelos Equivalentes:

Em condução:

Z=Rs+L2f

Em bloqueio:

Z=Rp||1jCj

Aplicações:

1. Chaves RF: Controle de níveis de potência, seleção de banda
2. Atenuadores Controlados: Controle eletrônico de ganho (AGC)
3. Limitadores: Proteção de circuitos contra picos de potência
4. Demoduladores: Detecção de sinais RF

Exemplo de Especificação:

• Modelo: MA4003 (Aeroflex/Metelics)
• Frequência máxima: >50 GHz
• Resistência em condução: 2.5 Ω a 100 mA
• Capacitância de junção: 0.5 pF a 0 V

2.2 Diodo Schottky

Junção metal-semicondutor com características únicas para RF.

Vantagens sobre PN:

• Tensão direta menor (0.3-0.5 V vs 0.7 V)
• Tempo de recuperação muito rápido (<1 ns)
• Ruído baixo
• Melhor linearidade

Características de RF:

• Limite de Frequência: Até 100+ GHz
• Capacitância de Junção: Menor que diodos PN
• Linearidade: Superior para aplicações de detecção

Aplicações:

1. Detectores RF: Medição de potência, levantamento de campo
2. Misturadores: Conversão de frequência (up/down conversion)
3. Limitadores de Potência: Proteção de entrada de receptores
4. Retificadores de Alta Eficiência: Energia de RF

Modelos Comuns:

• HSMS-2810, HSMS-2820 (Avago)
• BAR64-03 (Infineon)
• SMS7630-045LF (Skyworks)

2.3 Diodo Varicap (Capacitor Variável)

Diodo com capacitância controlada por tensão reversa. Essencial para circuitos sintonizáveis.

Relação Capacitância-Tensão:

C(V)=C0(1+V/Vbi)n

onde:

• C0 = capacitância a zero volts
• Vbi = potencial de built-in (~0.7-0.8 V)
• n = coeficiente de gradação (0.3-0.5)

Aplicações:

1. Osciladores Controlados por Tensão (VCO): Sintonia eletrônica de frequência
2. Filtros Ajustáveis: Ressonância variável
3. Redes de Casamento: Adaptação dinâmica de impedância

Modelos:

• MA48575 (Metelics)
• SMV1247-079 (Skyworks)
• Série MV (Microwave Filter)

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3. Transistores Bipolares para RF

3.1 Transistor Bipolar (BJT) – Conceitos Fundamentais

Estrutura de Três Camadas:

• Emissor (E): Fortemente dopado, injeta portadores
• Base (B): Fracamente dopada, controla fluxo de corrente
• Coletor (C): Levemente dopado, coleta portadores

Ganho de Corrente (β):

=ICIB

Relação de Ebers-Moll:

IE=IES(eVBE/VT−1)+RICS(eVBC/VT−1)

3.2 Transistores Bipolares de RF (Small-Signal)

Transistores otimizados para amplificação de sinais pequenos.

Características Principais:

• Frequência de Transição (fT): 2-10 GHz típico
• Frequência Máxima de Oscilação (fmax): fT/2 – fT/4
• Figura de Ruído (NF): 2-5 dB típico
• Ganho de Potência Disponível (GA): 20-30 dB

Topologias de Amplificador:

1. Emissor Comum (CE): Ganho máximo, defasagem 180°
   • Impedância entrada: Média (50-100 Ω)
   • Impedância saída: Alta (1-10 kΩ)
2. Base Comum (CB): Ganho moderado, sem defasagem
   • Impedância entrada: Baixa (~50 Ω)
   • Impedância saída: Muito alta
3. Coletor Comum (CC): Ganho unitário, buffer
   • Impedância entrada: Alta
   • Impedância saída: Baixa (~50 Ω)

Transistores Representativos:

Modelo	fT (GHz)	Aplicação	P (mW)
BFR93	8	UHF Low Noise	100
BFR94	10	UHF Low Noise	200
2N3866	4	VHF Power	4000
BFR96	25	Microwave	150

3.3 Transistores Bipolares de Potência RF (Large-Signal)

Transistores projetados para transferir grandes quantidades de potência com eficiência.

Características Distintivas:

• Potência de Saída: 1 W a 1 kW+
• Impedância de Entrada/Saída: Tipicamente 50 Ω
• Ganho de Potência: 10-20 dB
• Eficiência: 60-85% em Classe AB/C
• fT: Menor que small-signal (100 MHz – 2 GHz)

Modos de Operação:

1. Classe A: Condução 360°, linear, baixa eficiência (~30%)

=ICVCC4(ICVCC)=40.785

2. Classe B: Condução 180°, eficiência melhorada (~78%)

=4=0.785

3. Classe AB: Condução >180°, bom compromisso (60-70%)
4. Classe C: Condução <180°, máxima eficiência (~90%), não-linear

Transistores de Potência Comuns:

Modelo	Frequência	Potência	Impedância
2N3375	100 MHz	50 W	50 Ω
MRF154	400 MHz	20 W	50 Ω
MRF255	800 MHz	40 W	50 Ω
MRF496	1.0 GHz	125 W	50 Ω

3.4 Efeitos em Altas Frequências

Capacitâncias Parasitas:

• Cje: Capacitância de junção emissor-base (1-10 pF)
• Cjc: Capacitância de junção coletor-base (1-20 pF)
• Cs: Capacitância de substrato

Essas capacitâncias reduzem ganho em frequências elevadas:

Av(f)=Av(0)1+jf/f3dB

Indutâncias Parasitas:

• Le: Indutância de emissor (0.1-1 nH)
• Lc: Indutância de coletor (0.1-1 nH)
• Lb: Indutância de base (0.1-2 nH)

Causam ressonâncias indesejadas e instabilidade.

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4. Transistores de Efeito de Campo (FET) para RF

4.1 Conceitos Fundamentais de FET

FETs utilizam campo elétrico para controlar a condutividade de um canal semicondutor.

Vantagens sobre BJT:

• Impedância de entrada muito alta (>10 GΩ)
• Ruído muito baixo
• Menor dissipação de potência
• Melhor linearidade em alguns casos

4.2 JFET (Junction FET)

Transistor de efeito de campo de junção.

Estrutura:

• Canal (N ou P)
• Duas junções de porta formando “pinch-off”

Características em RF:

• gm (Transcondutância): 5-20 mS típico
• Figura de Ruído: 1-3 dB (muito baixa)
• fT: 100 MHz – 1 GHz
• Impedância Entrada: >10 GΩ

Aplicações:

1. Amplificadores de Baixo Ruído (LNA): Receptores sensíveis
2. Pré-amplificadores: Antes de misturadores
3. Amplificadores Logarítmicos: Medição dinâmica

Modelos:

• 2N3819, 2N4416 (pequeno sinal)
• 2SK72, BF980 (RF aplicações)

4.3 MESFET (Metal-Semiconductor FET)

FET com junção metal-semicondutor, operando em frequências muito altas.

Estruturas Comuns:

• GaAs (Arseneto de Gálio) – mais utilizado
• GaN (Nitreto de Gálio) – novo, alta potência

Vantagens:

• Mobilidade de portadores muito maior
• Frequências até 100+ GHz
• Maior ganho em RF
• Melhor eficiência em potência

GaAs MESFET:

• fT: 15-50 GHz
• Poder: mW a Watts
• Ruído: 0.5-2 dB
• Aplicação: Amplificadores de banda larga, osciladores

Modelos:

• NE714 (Philips/NXP)
• ATF35143 (Avago)
• Series MRF (Motorola/NXP)

4.4 MOSFET RF (Metal-Oxide-Semiconductor FET)

MOSFET otimizado para operação em RF.

Vantagens:

• Integração em CMOS
• Ganho moderado
• Funcionamento até 10 GHz
• Consumo reduzido

Aplicações:

• Amplificadores integrados
• Chaves RF (eletrônica de comutação)
• Misturadores integrados
• Osciladores

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5. Transistores GaN e SiC para RF

5.1 GaN (Nitreto de Gálio) – Tecnologia Emergente

Semicondutor de band-gap largo com propriedades revolucionárias para RF e potência.

Propriedades Fundamentais:

Propriedade	Si	GaAs	GaN
Band-gap (eV)	1.12	1.42	3.44
Campo elétrico crítico (V/cm)	3×10⁵	4×10⁵	3.3×10⁶
Mobilidade (cm²/Vs)	1350	8500	900
Saturação de velocidade (cm/s)	10⁷	10⁷	2.7×10⁷
Densidade de corrente máxima	Baixa	Alta	Muito alta

Vantagens em RF:

1. Alta Potência: 10-100 W por dispositivo, em miniaturização
2. Alta Eficiência: 85-95% em Classe F/F inverse
3. Banda Larga: 500 MHz – 40 GHz tipicamente
4. Temperatura: Operação -40 a +150°C com redução mínima de ganho
5. Linearidade: Bom compromisso potência-linearidade

Figura de Desempenho (FOM) GaN:

FOM=fT2BVdsRon

Muito superior a Si e GaAs.

Aplicações Principais:

• Estações Base Celulares: Amplificadores de potência 4G/5G
• Radares Militares: Alta potência, largura de banda larga
• Comunicações Satélite: Eficiência energética crítica
• Conversores de Potência: Conversão DC/DC eficiente
• Rádio Amador: Transmissores de potência

Transistores GaN Comerciais:

Modelo	Frequência	Potência	Eficiência
EPC2012	6 GHz	25 W	90%
CREE CGH40060	2 GHz	60 W	95%
GaN Systems GS61004P	1.8 GHz	100 W	92%
MACOM MGTF18040	6 GHz	40 W	88%

5.2 SiC (Carbeto de Silício)

Alternativa ao GaN com diferentes trade-offs.

Características:

• Band-gap: 3.26 eV
• Campo crítico: 3.5×10⁶ V/cm
• Temperatura máxima: 175-200°C
• Frequência: Até 10 GHz

Comparação GaN vs SiC:

• GaN: Melhor para RF alta frequência (>2 GHz), melhor eficiência
• SiC: Melhor para potência alta frequência baixa, temperatura elevada

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6. Amplificadores RF – Projeto e Configurações

6.1 Projeto de Amplificador RF Realimentação

Estabilidade de Amplificador:

Um amplificador é potencialmente instável se:

|K|=12|S12||S21|(|1−|S11|2||1−|S22|2|)1

onde K é o fator de estabilidade de Rollet.

Técnicas de Estabilização:

1. Realimentação Negativa: Reduz ganho, melhora estabilidade

Af=A1+A

2. Indutância de Emissor: Degeneração em série

Le=0.1 a 1 nH2f

3. Resistência em Série: Dissipa energia, estabiliza ganho
   • Tipicamente 2-50 Ω em série com entrada
4. Isolamento: Buffer com isolador Faraday entre estágios

6.2 Redes de Casamento de Impedância

Rede em L:

Para transformar impedância Z1 em Z2:

Configurações:

1. Série-Paralelo: L em série com entrada, C paralelo na saída
2. Paralelo-Série: C paralelo na entrada, L em série na saída

Redes em T e Pi:

Dois componentes reativos permitem maior flexibilidade e largura de banda.

Fórmulas Práticas (50 Ω):

Para frequência f e fator Q:

L=Z0Q2f=50Q2f

C=12fZ0Q=12f50Q

6.3 Ganho de Potência Disponível (GA)

GA=PoutPin,available=S211−S22in2(1−|in|2)

onde in é o coeficiente de reflexão de entrada.

Ganho Operacional:

Go=PoutPin=GA1−|s|2|1−S11s|2

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7. Osciladores RF e Circuitos de Controle

7.1 Oscilador Controlado por Tensão (VCO)

Gera frequência controlada por tensão de controle.

Osciladores LC:

Frequência ressonante com varicap:

f0=12LCvar(V)

Ganho de VCO (Kvco):

Kvco=fV (MHz/V típico: 10-100)

Circuito Colpitts (Oscilador Série):

• Realimentação por divisor capacitivo
• Frequência: f=12LC1||C2
• Estabilidade: Boa para frequências <2 GHz

Circuito Hartley (Oscilador Série):

• Realimentação por divisor indutivo
• Menos sensível a variações de componentes
• Melhor linearidade de Kvco

7.2 Phase-Locked Loop (PLL)

Sistema de realimentação que sincroniza oscilador com referência.

Componentes:

1. Oscilador Controlado (VCO)
2. Divisor de Frequência: N (programável ou fixo)
3. Detetor de Fase: Compara fases
4. Filtro de Loop: Determina dinâmica

Equação de Captura:

flock=fnatural1+fnatf3dB2

Aplicações:

• Síntese de frequência em transmissores/receptores
• Demodulação FM
• Recuperação de clock em comunicações

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8. Misturadores e Conversores de Frequência

8.1 Misturador Baseado em Diodo

Utiliza diodos em configuração ring ou single-diode.

Misturador Ring (Balanced):

• 4 diodos em ponte
• Rejeição de carriers e harmônicos
• Isolação entrada-saída boa
• Perda de inserção: 6-8 dB típico

Fórmula Fundamental:

fout=|fRFfLO|

onde fRF é frequência de entrada e fLO é frequência local.

Parâmetros Importantes:

• Perda de Inserção (IL): Quantifica energia perdida
• Figura de Ruído (NF): NF = IL + ruído dos diodos
• Isolação: Redução de vazamento de portas

8.2 Misturador Ativo (Transistor)

Amplificador que realiza mistura simultaneamente.

Vantagens:

• Ganho de conversão (não perda)
• Figura de ruído reduzida
• Consumo de potência

Desvantagens:

• Menos isolação entre portas
• Linearidade reduzida
• Consumo de potência

Ganho de Conversão:

Gc=PIFPRF (dB, tipicamente 5-15 dB positivos)

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9. Amplificadores de Potência Integrados

9.1 Módulos Integrados (MMIC)

Monolithic Microwave Integrated Circuits – circuitos completos em chip.

Tecnologias:

• GaAs pHEMT: fT 100+ GHz, 0.15-0.25 μm gate
• GaN HEMT: Power, fT 100+ GHz, 0.15 μm gate
• InP HEMT: Ultra banda larga, até 200+ GHz

Vantagens:

• Miniaturização
• Repetibilidade de produção
• Integração com circuito de polarização
• Redução de custo em volume

Exemplos Comerciais:

Modelo	Tecnologia	Aplicação	Ganho
BGA400	GaAs	LNA 2-20 GHz	20 dB
TQP3M9035	GaN	PA 1-3 GHz	20 dB
HMC1055	InP	Amplificador DC-32 GHz	18 dB

9.2 Amplificadores de Ganho Logarítmico

Para medição de potência com escala logarítmica.

Aplicações:

• Medidores de campo
• Analisadores de espectro
• Sistemas AGC (Controle Automático de Ganho)

Fórmula:

Vout=Klog10⁡(Pin)+offset

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10. Técnicas Avançadas de Amplificação

10.1 Amplificador Classe F

Manipula harmônicos para máxima eficiência.

Princípio:

• Fundamental (f₀): Senoidal
• 2ª Harmônica: Onda quadrada
• 3ª Harmônica: Rejeita (ou controla)

Eficiência Teórica:

=2=1.57 (impraticável, ~95% real)

Configuração:

• Oscilador com carga ressonante múltipla
• Filtros em série na saída

10.2 Amplificador Push-Pull

Dois transistores complementares em paralelo, 180° defasados.

Vantagens:

• Supressão de harmônicos pares
• Eficiência melhorada
• Isolação melhor

Configuração Típica:

• Transformador com tap central na entrada
• Transformador acoplador na saída
• Transistores NPN + PNP (ou equivalentes MOSFET)

Ganho Total:

Av=2Av(transistor único)

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11. Casamento de Impedância e Redes de Acoplamento

11.1 Rede em Escada (Ladder Network)

Para banda larga com resposta plana.

Estrutura:

• Múltiplos estágios L/C ou T/Pi
• Cada estágio sintonizado em faixa de frequência

Cálculo de Componentes:

Para transformação 50 Ω → 50 Ω com passa-banda:

fc=12LC

Q=0LR=R0C

11.2 Transformador de Impedância

Para transformação de impedância com isolamento galvânico.

Relação de Transformação:

Z2Z1=n2=N2N12

Projeto para RF:

• Perdas baixas (>90% eficiência)
• Núcleos de ferrite: Fair-Rite, Amidon
• Typicamente cores toroidais

Exemplo:
Transformar 50 Ω para 75 Ω:

n=7550=1.2256:5

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12. Filtros RF e Técnicas de Filtragem

12.1 Filtro Passa-Baixa

Para rejeitar harmônicos e sinal indesejado acima da frequência de corte.

Filtro LC Série:

fc=12LC

Atenuação:

A(f)=20log10⁡fcfn (n = ordem do filtro)

Ordem Típica: 5-7 para rejeição de -50 dB em 2ª harmônica.

12.2 Filtro Passa-Banda

Rejeita frequências abaixo e acima da banda desejada.

Circuito Ressonante em Série:

Q=f0f−3dB=0LR

Seletividade:

Largura de Banda=f0Q

12.3 Filtro de Rejeição (Notch)

Remove frequência específica (fundamental ou harmônico indesejado).

Aplicação Comum:
Transmissor: Rejeita fundamental para medir pureza espectral.

Configuração:

• Circuito LC paralelo na frequência de rejeição
• Alta impedância em ressonância

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13. Exercícios Práticos Resolvidos

13.1 Projeto de Amplificador de Baixo Ruído (LNA)

Enunciado:

Projetar um pré-amplificador em 2m (146 MHz) usando BJT BFR93 com as seguintes especificações:

• Ganho: >15 dB
• Figura de Ruído: <2 dB
• Impedância entrada/saída: 50 Ω
• Estabilidade Incondicional

Dados do Transistor (146 MHz):

• S11 = 0.55∠-45°
• S21 = 3.2∠75°
• S12 = 0.02∠45°
• S22 = 0.43∠-85°

Solução:

1. Verificar Estabilidade:

K=1−|S11|2−|S22|2+|S11S22−S12S21|22|S12S21|

K=1−0.3025−0.1849+|0.233−0.064|220.023.2

K=0.5126+0.02850.128=4.4>1 (Estável)

2. Rede de Entrada para Casamento 50 Ω:

Reflexão entrada: Γ_in = 0.55∠-45° → Z_in ≈ 30 – j30 Ω

Rede L para transformar:

• Série: L=5012146106=54.7 nH
• Paralelo: C=12146106501=21.8 pF

3. Rede de Saída:

Similarmente, usar rede L para casamento 50 Ω.

4. Ganho:

G=|S21|2=10.24GdB=10.1 dB

Com redes de casamento ganho total ≈ 15-16 dB.

13.2 Projeto de Oscilador Colpitts

Enunciado:

Projetar oscilador Colpitts para 28 MHz (10m) com transistor BFR93 e frequência estável.

Dados:

• Frequência: 28 MHz
• Corrente de coletor: IC = 20 mA
• Tensão de alimentação: VCC = 12 V

Solução:

1. Frequência de Ressonância:

f0=12L(C1C2)

Para C₁ = 100 pF e C₂ = 47 pF:

Ceq=10047100+47=32 pF

L=1(228106)23210−12=1.02 H

2. Transformador de Realimentação:

Para ganho de oscilação:

• Primário: 3 espiras
• Secundário: 2 espiras
• Núcleo: Toroidal T25-6

3. Resistência de Polarização:

Para IC = 20 mA e VCC = 12 V:

Assumindo VBE = 0.7 V, VCE ≈ 6 V (operação linear):

RC=VCC−VCEIC=12−62010−3=300

4. Resistor Base:

Para ganho β ≈ 100 e IB ≈ 0.2 mA:

RB=VCC−VBEIB=12−0.70.210−3=56.5 k

13.3 Cálculo de Rede de Casamento

Enunciado:

Uma antena monopolo 1/4 onda em 146 MHz apresenta impedância Z_ant = 36 + j22 Ω. Projetar rede L para casamento com coaxial 50 Ω.

Solução:

1. Fator Q Necessário:

Q=1RZ0Zant,real−1=1365036−1=1360.388=0.055

Hmm, Q muito baixo. Usar Q ≈ 0.5 para melhor banda.

2. Rede L – Paralelo Série:

Capacitor em paralelo na entrada (rejeita reatância):

XC=−RQ=−360.5=−72

C=12f|XC|=1214610672=15.1 pF

Indutor em série na saída:

L=Z02fQ=5021461060.5=54.7 nH

3. Verificação:

SWR na entrada ≈ 1.2:1 (aceitável)
Banda -3dB ≈ 20 MHz

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14. Tabela de Referência Rápida

Fórmula/Conceito	Equação	Aplicação
Frequência de Transição (fT)	fT=gm/2Cj	Limite de ganho
Velocidade de Grupo	vg=d/d	Dispersão de pulso
Impedância Característica	Z0=L/C	Linhas de transmissão
Ganho Disponível	GA=|S21|2	Amplificador casado
Figura de Ruído	NF=SNRinSNRout	Qualidade LNA
Eficiência Classe A	=/478%	Teórica max
Eficiência Classe F	=/2157%	Teórica (irreal)
VCO Ganho	Kvco=f/V	Sensibilidade
Fator Q	Q=f0/f	Seletividade
Perda de Inserção	IL=−10log⁡(Pout/Pin) dB	Dissipação

Table 1: Resumo de fórmulas para eletrônica RF

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15. Referências

[1] Newtoncbraga. (2024). Amplificadores de Potência de RF. Disponível em: https://www.newtoncbraga.com.br/telecomunicacoes/

[2] Mordor Intelligence. (2024). Global RF & Microwave Power Transistor Market. Disponível em: https://www.mordorintelligence.com/pt/industry-reports/global-rf-and-microwave-power-transistor-market

[3] Skyworks Solutions. (2024). RF Semiconductor Applications. Disponível em: https://www.skyworksinc.com/

[4] Infineon Technologies. (2024). GaN Technology for RF Applications. Disponível em: https://www.infineon.com/

[5] Avago Technologies / Keysight. (2023). RF and Microwave Component Selection Guide. Disponível em: https://www.keysight.com/

[6] Cree/Wolfspeed. (2024). GaN for RF and Power. Disponível em: https://www.wolfspeed.com/

[7] ARRL. (2023). The ARRL Handbook for Radio Communications. American Radio Relay League.

[8] Collin, R. E. (2001). Foundations for Microwave Engineering (2nd ed.). John Wiley & Sons.

[9] Pozar, D. M. (2011). Microwave Engineering (4th ed.). John Wiley & Sons.

[10] Rouphael, T. Y. (2015). RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio. Elsevier.