Transistores de Alta Freqüência

Transcrição

1 Transistores de Alta Freqüência Os transistores foram desenvolvidos logo após o final da Segunda Guerra Mundial e eram usados em produtos de consumo. Os primeiros se limitavam a aplicações de som e baixas freqüências. Com o avanço da tecnologia, logo surgiram os transistores para receptores de VHF, no início da década de As aplicações em microondas ficariam para mais tarde. As limitações para altas freqüências eram decorrentes de fatores como: Velocidade de saturação dos elétrons; Espessura da estrutura básica (afetava o tempo de trânsito); Resistências e capacitâncias que se manifestavam de forma dispersa, incluindo as decorrentes do encapsulamento.

2 Transistores de Alta Freqüência As principais soluções encontradas pela engenharia foram: Desenvolvimento de novos materiais, como o arsenieto de gálio; Nova geometria interna das camadas; Novas formas de construção e encapsulamento. Nos dias atuais os transistores já conseguem operar na faixa de dezenas de GHz, podendo chegar à ordem de 50 GHz, comercialmente, com características de baixo ruído; Importantes parâmetros dos transistores podem ser obtidos a partir das equações de Johnson.

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6 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação I Limite voltagem freqüência Vmax l 2π v = Emaxv 2π V max voltagem máxima possível (E max / l min ) l comprimento do material v s velocidade de saturação do material E max campo elétrico máximo (l/v) tempo médio do portador de carga em velocidade média ao longo do comprimento do material s

7 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Aplica-se a um transistor bipolar uma tensão de polarização de 5 VCC, gerando um campo elétrico de 6 x 10 6 V/m. O comprimento da material é de 0,5 µm e a velocidade de saturação dos portadores de carga é de 50 x 10 3 m/s. determinar a freqüência de operação e a velocidade nominal dos portadores de carga.

8 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação II Limite corrente freqüência I max 2π X l v C Emaxv 2π I max corrente máxima possível no componente X C reatância correspondente à capacitância de saída, isto é: = 1 l 2π v C o s

9 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Considerando a capacitância de saída de 18 pf, determinar a corrente máxima do componente do exercício anterior, caso o mesmo tenha como freqüência limite 40 GHz.

10 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação III Limite potência freqüência P l 2π v P max potência máxima max X C = Emaxv 2π s

11 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Determinar a potência máxima, para o primeiro componente, desta vez operando em 50 GHz.

12 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação IV Limite ganho em potência freqüência G max ktv e max = Emaxv 2π s G max ganho máximo em potência k constante de Boltzman (1,38 x ) T temperatura absoluta (kelvin) e carga de um elétron (1,6 x )

13 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Também para o primeiro exercício, determinar o ganho máximo em 60 GHz, com temperatura de 300 K. Em seguida, determinar o ganho para 100 K.

14 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação V Ganho máximo G max = Z Z o in f f t f t freqüência de corte f freqüência de operação Z 0 componente real da impedância de saída Z in componente real da impedância de entrada

15 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Por que a fórmula leva em conta apenas a componente real da impedância?

16 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Equação VI Relação de impedância Z Z o in = C C in o = I maxtb kt e I maxtb V max C in capacitância de entrada C o capacitância de saída t b tempo de trânsito da carga

17 Transistores de RF - Bipolares Equações de Johnson Exercício Determinar as temperaturas equivalentes de ruído para as tensões de 5 V e de 3 V, no componente em questão.

18 Transistores de RF - Bipolares Freqüência de corte É a freqüência na qual o ganho em corrente é reduzido à unidade. Fatores que afetam o valor da freqüência de corte: Velocidade de saturação dos portadores de carga Tempo de carga da capacitância da junção emissor-base (t eb ) Tempo de carga da capacitância da junção coletor-base (t cb ) Tempo de trânsito na região da base (t bt ) Tempo de trânsito na região de depleção da junção base-coletor (t bc ) Os tempos acima somados fornecem o tempo de trânsito emissorcoletor (t). A freqüência de corte é, assim, obtida por: f t = 1 t = t eb + t cb 1 + t bt + t bc

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21 Transistores de RF - Bipolares Etapas de projeto A combinação dos resistores de polarização que determina as tensões e correntes direta é o circuito CC. A seqüência recomendada é: 1. Selecionar os circuitos a serem polarizados; 2. Definir as tensões e correntes diretas para o transistor; 3. Definir a fonte de tensão CC e sua distribuição pelos transistores e resistores de polarização; 4. Calcular os resistores de polarização a partir do circuito definido no passo 1 e das tensões definidas nos passos 2 e 3.

22 Transistores de RF - Bipolares Exercícios A partir de parâmetros típicos, calcular o ganho de corrente de curto-circuito para uma freqüência de 1 GHz, com base no modelo para pequenos sinais em π-equivalente. Qual será a corrente de base do transistor submetido a uma tensão de polarização de 5 volts? Esboce um diagrama do ganho de corrente de curto circuito em função da freqüência.

23 Transistores de RF Bipolares de baixo ruído Representa uma evolução do transistor bipolar homojunção. São produzidos com AlGaAs (emissor)-gaas (coletor). A base é fortemente dopada. Os materiais e a dopagem da região base - emissor fazem com que esta junção seja diferente da junção base coletor. Seu custo é mais elevado e tende a apresentar maior distorção que o homojunção. Aplicações em modens ultra rápidos e circuito de radiofreqüência. O circuito equivalente é semelhante ao do homojunção.

24 Transistores de RF Bipolares de baixo ruído Os três principais ofensores para o ruído em um transistor bipolar homojunção são: ruído térmico ruído de disparo na junção baseemissor ruído de disparo na junção basecoletor O ruído térmico é função direta da temperatura e da resistência da base.

25 Transistores de RF Bipolares de baixo ruído O ruído de disparo produzido pela junção P-N depende da corrente da junção. Existe um valor de corrente de coletor na qual a figura de ruído é a melhor. Estes valores são típicos para cada componente em particular. Na prática, os valores dependem da eficiência da junção.

26 Complicações em Transistores de RF Bipolares Algumas complicações estão presentes nos BJT. A corrente de base é pequena, porém não nula devida à injeção de lacunas no emissor e a uma pequena recombinação na base. O processo acima limita o ganho em corrente. Como o tempo de trânsito é finito, ocorre um acúmulo de cargas na base devido à elevada capacitância da junção base-emissor. À semelhança de outros componentes, possuem efeitos parasitas que prejudicam o desempenho.

27 Transistores de RF características estáticas I/V Corrente direta de coletor: qv be kt Icf = Isf e 1 I sf = corrente direta de saturação q = carga de um elétron Corrente reversa de coletor: qv bc kt Icr = Isr e 1 I sr = corrente reversa de saturação

28 Transistores de RF características estáticas I/V Corrente total do coletor: qvbe kt Ic = Icf Icr = I sf e e Usando a relação V ce = V be V bc, tem-se: qvbe kt Ic = Isfe 1 e A equação acima descreve a característica I/V do coletor. qv kt ce qv kt bc

29 Transistores de RF características estáticas I/V Um outro importante parâmetro é a transcondutância que, para pequenos sinais é: g m di c = dvbe kt Vce q q kt I c

30 Transistores de RF capacitâncias Ambas as junções possuem capacitâncias com duas componentes em cada junção: componente de depleção C je = C je0 V 1 φ be be C jc = C jc0 V 1 φ bc bc C je0 capacitância da junção de emissor com tensão zero. C jc0 capacitância da junção de coletor com tensão zero. φ diferença de potencial entre o semicondutor e o anodo de metal quando não há ddp externa aplicada.

31 Transistores de RF capacitâncias componente de difusão, causada pelo armazenamento de cargas na base, na junção com o emissor: C dq q b sf be, τ = = τ dvbe kt I qv kt τ tempo de trânsito na base em condução normal e direta. A capacitância base emissor total é a soma das duas componentes. C = C + C be je be,τ e be

32 Transistores de RF capacitâncias componente de difusão, causada pelo armazenamento de cargas na base, na junção com o coletor: C dq q b sf bc, τ = = τ dvbc kt I e qv kt τ tempo de trânsito na base em condução normal e direta. A capacitância base coletor total é a soma das duas componentes. bc C = C + bc jc C bc,τ Apesar das duas fórmulas acima, normalmente não ocorre condução reversa em altas freqüências.

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34 Transistores de Efeito de Campo - FET Opera alterando-se a condutividade de um canal semicondutor pela variação do campo elétrico no canal. É ainda conhecido como amplificador de transcondutância, pois relaciona uma corrente de saída a uma tensão de entrada. Existem dois tipos básicos: FET de junção (JFET); FET com semicondutor de óxido metálico (MOSFET), também chamado de IGFET (FET com porta isolada). Existem outros componentes de Efeito de Campo, porém todos derivados dos dois básicos acima. Atravessaram um rápido desenvolvimento, tanto em freqüência como em potência.

35 FET para microondas O FET representa um grande avanço nas operações na faixa de microondas. São fabricados com os materiais do grupo III-A da Tabela Periódica dos Elementos Químicos, notadamente o Gálio e o Arsênio, na forma GaAs FET. São ainda empregados AlGaAs e InGaAsP. Conseguem estender a faixa de operações para bem além dos transistores de junção bipolar (BJT), além de apresentar nível de ruído muito inferior, podendo chegar a menos de 1 db na figura de ruído. São mais estáveis diante de variações de temperatura. São muito utilizados como amplificadores de baixo ruído (LNA). Outras aplicações: Circuitos integrados monolíticos para microondas; Conversores analógico-digitais; Circuitos lógicos de alta velocidade.

36 FET para microondas O MESFET é um FET à base de metal e semicondutor O MESFET também é conhecido como SBT (transistor de barreira Schottky) ou, ainda, SBFET. Os principais elementos empregados são: íons de enxofre ou estanho vapor de alumínio liga de ouro e germânio liga de ouro e telúrio liga de ouro, germânio e telúrio HEMT é um transistor com alta mobilidade de elétrons, também conhecido como TEGFET (GaAs FET com elétron bidimensional), ou, também, HFET (FET heterojunção). É construído com estruturas finíssimas para reduzir o tempo de trânsito e, assim, permitir freqüências maiores.

37 FET para microondas Figura de ruído versus freqüência para diversos componentes

38 FET para microondas O transistor bipolar de silício apresenta figura de ruído plana até uma certa freqüência. Em seguida, o ruído sobe bruscamente. O FET, por outro lado, apresenta aumento de ruído nas baixas e nas altas freqüências. O HEMT apresenta comportamento semelhante ao FET, porém em menor grau. O HEMT supercongelado (- 260 o C) tem melhor desempenho. O ruído na maioria dos MESFET e HEMT aumenta nas baixas freqüências. Ao contrário do que poderia parecer, componentes para freqüências altas nem sempre tem bom desempenho em baixas freqüências.

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41 Seleção de transistores Os critérios de escolha entre um transistor bipolar ou de efeito de campo para a faixa de microondas depende da aplicação. Por exemplo, em um sistema de recepção de sinais de satélites a figura de ruído é de importância fundamental. Em outras aplicações a potência de transmissão poderá ser mais importante. Deve-se ficar atento à faixa de freqüência. Alguns componentes possuem figura de ruído e ganho fortemente dependentes da freqüência. Antes da escolha definitiva, é fundamental que as folhas de especificações sejam analisadas. O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas, pelo menos, e raramente (talvez nunca) iguais: ganho máximo possível (G max ) ganho na figura de ruído ótima ganho de inserção

42 Seleção de transistores O ganho máximo possível geralmente ocorre em uma freqüência ou uma faixa muito estreita, na qual as impedâncias de entrada e de saída sejam casadas de forma conjugada, ou seja, as partes reativas devem se cancelar enquanto que as partes resistivas devem estar combinadas para a máxima transferência de potência. Outro parâmetro importante na análise é o ponto de compressão de 1 db, no qual um aumento de X db na entrada corresponde a um aumento de (X 1) db na saída. Operações muito próximas do ponto de compressão de 1 db podem provocar distorções em um amplificador linear e devem ser evitadas. O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas, pelo menos: ganho máximo possível (G max ) ganho na figura de ruído ótima ganho de inserção