E-802 Circuitos de Microondas

Transcrição

1 E-802 Circuitos de Microondas Prof. Luciano Leonel Mendes Grupo de Pesquisa em Comunicações Sem Fio Departamento de Eletrônica e Eletrotécnica DEE Prédio II 2 o Andar (35) luciano@inatel.br

2 Objetivo Estudar, analisar e projetar circuitos de microondas utilizando elementos ativos.

3 Ementa 1. Revisão. 2. Diodo Túnel e suas aplicações. 3. Diodo Varicap e suas aplicações. 4. Diodo PIN e suas aplicações. 5. Projetos de amplificadores utilizando parâmetros S.

4 Avaliação Duas provas de mesmo peso. A média será dada por M = P + P 1 2 2

5 Aulas

6 Bibliografia Notas de aula. Collin, R. E, Fundations for microwave enginnering, McGraw Hill, Apostila.

7 Metodologia Aulas expositivas utilizando projeções. Anotações no quadro. Atividades complementares extra classe. Séries de exercício e exercícios propostos.

8 Relação com as demais disciplinas Pré-requisitos Eletrônica Analógica I e II Eletrônica Aplicada I e II

9 Controle de Freqüência Chamada em todas as aulas. A tolerância para entrar em sala de aula é de 10 minutos. A saída da sala de aula deve ser evitada.

10 Freqüência Para ser aprovado o aluno deverá comparecer em pelo menos 75% das aulas. Aulas: Aulas e Atendimento - terça-feira: 8h00min às 9h30min (ver calendário) - quarta-feira : 10h00min às 11h30min Atendimento: - quarta-feira: 8h30min às 9h50min

11 Capítulo 1 Revisão sobre Diodos Um dado material possui três bandas de energia distintas: Banda de valência: estados quânticos já preenchidos por elétrons. Banda proibida: estados quânticos no qual é proibido haver elétrons. Banda de condução: estados quânticos permitidos que podem possuir elétrons.

12 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Condutores: possuem uma banda proibida praticamente nula. A banda de valência se confunde com a banda de condução. Isolantes: possuem uma banda proibida muito extensa. É necessário muita energia para retirar um elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução. Semi-condutores: possuem uma banda proibida muito menor do que a dos isolantes.

13 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Função Distribuição de Fermi-Dirac Determina a probabilidade de um estado de energia estar ocupado, considerando as condições de equilíbrio térmico. Define a porcentagem de estados energéticos ocupados em um cristal. f(e) = exp E E F kt 1 f( E, 0.001) f( E, 1) f( E, 3) 0.4 onde 0 0 E F é o nível de Fermi. k= é a cte. de Boltzman. T é a temperatura em Kelvins E Emax 1

14 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Observações importantes. f (E F ) = 0,5 Para T = 0 tem-se duas situações distintas: 1. Se E > E F então f (E) 0 2. Se E < E F então f (E) 1 Para T = 0 os elétrons ocupam os níveis de energia até E F.

15 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Nível de Fermi em um cristal semicondutor O nível de Fermi depende da temperatura e do número de impurezas do cristal. Para cristais intrínsecos o nível de Fermi encontra-se exatamente no meio das bandas de valência e de condução (densidade de elétrons livre igual a densidade de lacunas). Para cristais tipo N (que receberam impurezas doadoras), o nível de Fermi encontra-se próximo da banda de condução. Para cristais tipo P (que receberam impurezas aceitadoras), o nível de Fermi encontra-se próximo da banda de valência.

16 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Nível de Fermi em um cristal semicondutor

17 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Características das junções P-N Junção de um cristal semicondutor tipo N com um cristal semicondutor tipo P. Ocorre uma migração dos elétrons do cristal N para o P e uma migração de lacunas de P para N (corrente de difusão). Criação de uma barreira de potencial onde não há portadores livres (região de exaustão).

18 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Características das junções P-N

19 Capítulo 1 Revisão sobre diodos

20 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Características das junções P-N Portadores majoritários: são as cargas livres resultantes da dopagem de um material. Portadores minoritários são cargas livres indesejadas resultantes da absorção de energia térmica. No cristal tipo P aparecem elétrons livres e no cristal tipo N aparecem lacunas móveis. Os portadores minoritários fazem com que a região de exaustão seja dinâmica, variando ao longo do tempo. A corrente resultante da migração dos portadores minoritário é denominada de corrente de saturação. A corrente formada pelo processo de difusão é chamada de corrente de difusão.

21 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Polarização da Junção P-N

22 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Propriedades da Junção P-N 1) Ruptura da junção: ponta na curva característica de uma junção P-N onde a corrente reversa cresce rapidamente. Ocorre devido a dois fenômenos distintos que são: Ruptura por avalanche? gerado pela impacto de um portador minoritário (cuja energia cinética foi aumentada pela fonte de excitação) com um íon do cristal. Este impacto é grande suficiente para romper uma ligação covalente, gerando um novo par elétron-lacuna que pode colidir com outro íon do cristal, causando um efeito em cascata. Comum em tensões reversas maiores que 7 volts. Ruptura por efeito Zener? quando o campo elétrico aplicado na junção P-N é elevado é possível arrancar os elétrons diretamente da banda de valência do cristal, rompendo as ligações covalentes. Isso também causa um aumento no número de pares elétrons-lacunas, elevando o valor nominal da corrente reversa. Não há multiplicação dos portadores livres e ocorre, principalmente, para valores de tensão menores que 6 volts.

23 Capítulo 1 Revisão sobre diodos Propriedades da Junção P-N 2) Capacitância de barreira: as cargas fixas que se formam na região de exaustão. Esses íons agem como placas carregadas, formando assim uma capacitância de barreira. Com o aumento da tensão reversa aplicada há uma diminuição no valor desta capacitância parasita. A aplicação de uma tensão de polarização direta na junção não elimina totalmente a região de exaustão e, portanto, esta capacitância também não é totalmente eliminada. 3) Capacitância de difusão: quando polarizados diretamente, vários portadores são injetados nos dois cristais, mas fora da região de exaustão, levando um intervalo de tempo não nulo para atingir os terminais da fonte. Este comportamento pode ser visto como um efeito capacitivo que se torna maior a medida que a corrente direta é elevada.

24 Capítulo 1 Revisão sobre Tocos Tocos são linhas de transmissão terminadas usadas para representar uma reatância. As reatâncias podem ser indutivas ou capacitivas. Os tocos são normalmente terminadas em aberto ou em curto.

25 Capítulo 1 Revisão sobre tocos Revisão sobre Tocos A impedância vista nos terminais de uma linha de transmissão de comprimento d metros é dada por Z in (d) = Z 0 2 ³ 4 Z L + jz 0 tan ³ Z 0 + jz L tan 2¼ d g 2¼ d g 3 5 onde Z L é a impedância de terminação da linha, Z 0 é a impedância característica da linha e λ g é o comprimento de onda guiado, dado por ε reff é a constante dielétrica relativa do meio.

26 Capítulo 1 Revisão sobre tocos Fazendo Z L =0Ω temos Tocos terminados em curto µ 2¼ d Z in (d) = jz 0 tan g d d 200 Impedancia de um toco com terminação em curto (a) (b) Z in [Ω] d[m] Exercício: Determine a impedância à 2 cm da terminação em curto de linha de transmissão com Z 0 =50Ω, na freqüência de 2GHz. A cte. dilétrica relativa da linha é igual à 9.

27 Capítulo 1 Revisão sobre tocos Fazendo Z L =8 Ω temos Z in = jz 0 Tocos terminados em aberto 1 ³ tan 2¼d g µ 2¼ d = jz 0 cotan g d d 200 Impedancia de um Toco em Aberto (a) (b) j Z in [Ω] d[m] Exercício: Determine a impedância à 2 cm da terminação em aberto de linha de transmissão com Z 0 =50Ω, na freqüência de 2GHz. A cte. dilétrica relativa da linha é igual à 9.

28 Capítulo 1 Revisão sobre tocos Periodicidade da Impedância com a Distância A impedância nos terminais de uma linha de transmissão é periódica com a distância. Existem infinitas distâncias que fazem com que a linha de transmissão tenha a mesma impedância em seus terminais. Para obter uma distância maior que represente a mesma reatância basta alterar o valor de k nas expressões abaixo. Esta técnica dever ser empregada toda vez que o comprimento resultante µ for negativo. 2¼d Zin = arctan + k¼ : para tocos terminados em curto g jz 0 µ 2¼d = arctan jz 0 + k¼ : para tocos terminados em aberto g Z in Exercício: Encontre a segunda menor distância que resulte em uma impedância de j35ω, considerando que a linha de transmissão possui constante dilétrica relativa igual à 4 e que a freqüência de operação é 4GHz. Considere tanto a terminação em curto quanto a terminação em aberto