Circuitos Ativos em Micro-Ondas

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1 Circuitos Ativos em Micro-Ondas Unidade 1 Comportamento de Dispositivos Passivos e Semicondutores em Micro-Ondas Prof. Marcos V. T. Heckler 1

2 Conteúdo Introdução Resistores operando em Micro-Ondas Capacitores operando em Micro-Ondas Indutores operando em Micro-Ondas Semicondutores operando em Micro-Ondas 2

3 Introdução Por que entender o comportamento de dispositivos e sistemas operando em Micro- Ondas? Diversos sistemas operam em altas frequências, com o intuito de permitir a portabilidade dos dispositivos: Comunicações sem fio: telefonia móvel (900 MHz e 1,9 GHz), WLAN (2,4 GHz) Microprocessadores e memórias de alta velocidade (clock > 1 GHz) GPS (1,227 e 1,575 GHz) TV via satélite: Sistema analógico, com canal de subida em 4 GHz e de descida em 6 GHz Sistema digital, com canais de descida em 13 GHz 3

4 Introdução Como modelar circuitos em micro-ondas? Circuitos operando em baixas frequências: Utiliza-se a teoria circuital clássica (Leis de Kirchhoff) Os elementos R, L e C, e as interconexões entre os dispositivos, têm dimensões bem inferiores a. Pode ser empregada se as dimensões totais do circuito forem inferiores a /20. Circuitos operando em microondas: Utiliza-se a teoria de elementos distribuídos. Os elementos R, L e C, e as interconexões entre os dispositivos, têm dimensões comparáveis a. Deve-se levar em conta a natureza de propagação da onda eletromagnética. 4

5 Introdução Como modelar circuitos em micro-ondas? A teoria de elementos distribuídos leva em consideração alguns efeitos que são desprezáveis em baixas frequências: Indutância das hastes de contato dos dispositivos Condutância do material isolante do capacitor Capacitância entre as espiras de um indutor Todos esses efeitos tornam-se mais importantes quando o elemento tem dimensões próximas de. 5

6 Resistor operando em Micro-Ondas O resistor comporta-se de maneira bastante distinta em aplicações de baixa e alta frequência. Modelo do resistor em baixa frequência: R Modelo do resistor em micro-ondas: L C a R L 6

7 Resistor operando em Micro-Ondas O resistor comporta-se de maneira bastante distinta em aplicações de baixa e alta frequência. onde: R: valor nominal de resistência do resistor C a : capacitância parasita entre as hastes ou contatos L: indutância das hastes ou contatos do resistor Portanto, a impedância resultante em RF equivale a: Z 2 jl 1 jc a 1 R 7

8 Resistor operando em Micro-Ondas Graficamente: C a R L L 8

9 Resistor operando em Micro-Ondas Impedância do resistor em função da frequência: Comportamento resistivo Comportamento capacitivo Comportamento indutivo Frequência de ressonância 9

10 Capacitor operando em Micro-Ondas O capacitor comporta-se de maneira bastante distinta em aplicações de baixa e alta frequência. Modelo do capacitor em baixa frequência: C Modelo do capacitor em micro-ondas: R s C R e L 10

11 Capacitor operando em Micro-Ondas onde: C: valor nominal de capacitância do capacitor R e : resistência de perdas no isolante do capacitor R s : resistência das hastes ou contatos do capacitor L: indutância das hastes ou contatos do capacitor Portanto, a impedância resultante em RF equivale a: Z R s jl 1 jc 1 R e 11

12 Resistor operando em Micro-Ondas Impedância do capacitor em função da frequência: Comportamento indutivo Comportamento capacitivo Frequência de ressonância 12

13 Indutor operando em Micro-Ondas O indutor comporta-se de maneira bastante distinta em aplicações de baixa e alta frequência. Modelo do indutor em baixa frequência: L Modelo do indutor em micro-ondas: L C s R s 13

14 Indutor operando em Micro-Ondas onde: L: valor nominal de indutância do indutor R s : resistência dos enrolamentos do indutor C s : capacitância total entre as espiras do indutor Portanto, a impedância resultante em RF equivale a: Z jl 1 LC 2 s Rs jr C s s 14

15 Resistor operando em Micro-Ondas Impedância do capacitor em função da frequência: Comportamento capacitivo Comportamento indutivo Frequência de 15 ressonância

16 Tipos clássicos de diodos: Diodo de junção pn Diodo zener Diodo Schottky Diodo PIN Varactor Diodo Gunn Diodos de RF 16

17 Os diodos são compostos de materiais semicondutores: Semicondutores são materiais que apresentam valores de condutividade intermediários em relação aos materiais condutores e dielétricos. Com a diminuição da temperatura, os materiais semicondutores tendem a comportar-se como dielétricos. Com o aumento da temperatura, tais materiais começam a apresentar aumento da densidade volumétrica de carga, de forma que a condutividade elétrica aumenta rapidamente. 17

18 Materiais Semicondutores: Outra forma de aumentar a condutividade dos materiais semicondutores é através da introdução de impurezas. Esse processo é conhecido como dopagem. De acordo com o elemento químico utilizado para dopagem, obtêm-se diferentes características: A dopagem com fósforo resulta na adição de elétrons ao material semicondutor. Por isto, o fósforo é um material doador de elétrons. A dopagem com boro resulta na remoção de elétrons do material semicondutor. Por isto, o boro é um material receptor de elétrons. A remoção de elétrons também pode ser entendida como adição de lacunas de carga elétrica, que equivalem à criação de uma carga elétrica positiva (buracos) no semicondutor. 18

19 Materiais Semicondutores: Como resultados da dopagem, obtêm-se: Material tipo n: quando a dopagem for realizada com materiais doadores. Material tipo p: quando a dopagem for realizada com materiais receptores. Os materiais dopados tipo p e n são a matéria-prima para fabricação de dispositivos semicondutores, como diodos e transistores. 19

20 Mecanismo de condução de corrente elétrica nos diferentes materiais: Cada átomo apresenta duas bandas, que são conhecidas como banda de valência e banda de condução. A banda de valência é a região onde se encontram os elétrons mais afastados do núcleo (camada eletrônica mais externa do átomo). A banda de condução é a região na qual o elétron que nela se encontra são capazes de se deslocar e formar a corrente elétrica. Um elétron se localizará em uma banda ou noutra, dependendo do seu nível de energia. 20

21 Mecanismo de condução de corrente elétrica nos diferentes materiais Os elétrons que se encontram na banda de condução possuem maior energia em relação aos que se encontram na banda de valência. A passagem de um elétron de uma banda para a outra se dá somente se o elétron mudar o seu nível de energia: Para passar da banda de valência para a banda de condução, um elétron deve elevar a sua energia. Para passar da banda de condução para a banda de valência, um elétron deve reduzir a sua energia. Entre essas bandas, existe uma banda proibida, na qual nenhum elétron pode permanecer. 21

22 Nível de Energia Diodos operando em Micro-Ondas Mecanismo de condução de corrente elétrica nos diferentes materiais Materiais condutores: Nos materiais condutores, as bandas de valência e de condução encontram-se próximas, de modo que a energia necessária para que o elétron posse a ser livre é baixa. Banda de Condução Banda de Valência 22

23 Nível de Energia Diodos operando em Micro-Ondas Mecanismo de condução de corrente elétrica nos diferentes materiais Materiais dielétricos: Nos materiais dielétricos, as bandas de valência e de condução encontram-se bastante afastadas por uma grande banda proibida, de modo que a energia necessária para que o elétron posse a ser livre é bastante elevada. Banda de Condução Banda Proibida Banda de Valência 23

24 Nível de Energia Diodos operando em Micro-Ondas Mecanismo de condução de corrente elétrica nos diferentes materiais Materiais semicondutores: Nos materiais semicondutores, as bandas de valência e de condução encontram-se afastadas por uma banda proibida menor que para os materiais dielétricos. A energia necessária para um elétron saltar da banda de valência para a de condução equivale a E g 1,43eV 2,29.10 Banda de Condução Banda Proibida Banda de Valência 19 J E g 24

25 Graficamente: Aplicação de campo elétrico em materiais dielétricos: J E Mecanismo de condução nos materiais condutores: J E 25

26 Graficamente: Mecanismo de condução nos materiais semicondutores puros: Mecanismo de condução nos materiais semicondutores tipo n: J J H H H H H E E 26

27 Graficamente: Mecanismo de condução nos materiais semicondutores tipo p: H H H J H H E 27

28 Diodo de junção pn Polarização reversa: p Polarização direta: + p Região de depleção n n + Capacitância de junção C j Resistência de junção R j 28

29 Diodo de junção pn: Aspectos positivos: Corrente de saturação reversa extremamente baixa, da ordem de A Aspectos negativos: Baixa velocidade de recombinação das cargas (elétrons e buracos) Não compatível para operação na faixa de micro-ondas 29

30 Diodo Schottky: Baseado na junção Schottky, que corresponde à conexão de um material tipo n diretamente com um condutor Construção: 30

31 Diodo Schottky: Modelo típico: L s R s R j C j Onde: L S : indutância dos terminais R S : resistência dos terminais R j : resistência da junção C j : capacitância da junção C g : capacitância dos terminais C g 31

32 Diodo PIN: Principais características: Opera como resistor ou capacitor controlado tensão Principais aplicações: Circuitos com chaveamento Circuitos atenuadores 32

33 Diodo PIN: Construção: Camada p altamente dopada (p + ) Camada intermediária n (I) Camada n altamente dopada (n + ) p + I + n = PIN 33

34 Diodo PIN: Circuitos equivalentes: Polarização direta: + R j (V Q ) Polarização reversa: + C j (V Q ) 34

35 Diodo PIN: Circuitos para operação dos diodos PIN: Conexão em série: V DC RFC C B C B RF IN Diodo PIN RFC RF OUT 35

36 Diodo PIN: Circuitos para operação dos diodos PIN: Conexão em paralelo: V DC RFC RF IN C B RFC RF OUT C B Diodo PIN C B 36

37 Varactor: Símbolo: Principal caracterísitca: Variação do diodo PIN Modificações na camada intermediária: Modificação na espessura desta camada Distribuição de dopagem diferente de um material tipo n convencional 37

38 Varactor: Aplicações: Osciladores controlados a tensão (voltage-controlled oscilators VCOs) 38

39 Modelo linear para pequenos sinais em microondas: Modelo típico: C d (V Q ) I Q R s V Q + R d (V Q ) Onde: V Q e I Q são a tensão e corrente de operação do diodo n é o coeficiente de emissão k = 1, J/Ké a constante de Boltzman q = 1, C é a carga de um elétron T = 100 ps é o tempo médio de trânsito das cargas C d I D nv T T I Q V T I R S d e kt q V Q nv nv I Q T T 1 39