Considerações sobre o projecto da máscara e veículo de teste

As simulações de desempenho do circuito devem ser feitas tendo em conta, numa fase tão preliminar quanto possível, aspectos da implementação do circuito monolítico final. Em circuitos para microondas nos quais a dimensão física das interligações é comparável com o comprimento de onda dos sinais propagados, as interligações entre os componentes podem apresentar características eléctricas próximas das dos próprios componentes que interligam. Para além disso a dimensão da implementação física dos componentes no circuito monolítico pode, ela própria, ser comparável ao comprimento de onda dos sinais aos quais estes estão sujeitos. Nessa situação, é necessário o recurso a modelos concentrados mais complexos ou, melhor ainda, a modelos distribuídos para descrever com exactidão o comportamento em frequência. Os elementos de interligação são

caracterizados em função das dimensões físicas e de parâmetros do meio em que são construídos. No simulador foram modelados como linhas de transmissão micro-fita.

A edição da máscara do circuito faz-se de duas etapas. Uma primeira etapa consiste em, após terminado o projecto e análise do circuito concentrado tal como apresentado na Figura 17 de forma a cumprir as especificações desejadas, elaborar uma primeira versão da máscara do circuito. Para tal foram utilizadas bibliotecas com representações escalonáveis de todos os componentes (incluindo linhas de interligação, pads e vias) disponibilizadas pelo fabricante, aos quais estão associados modelos eléctricos. Esses modelos permitem por sua vez editar um novo esquemático mais complexo mas mais representativo do desempenho eléctrico esperado para o circuito físico.

A segunda etapa do projecto, consistiu de sucessivas iterações de edição/simulação entre este esquemático mais complexo e a correspondente máscara por forma a garantir o cumprimento das especificações iniciais ou, alternativamente, uma reformulação da topologia inicialmente proposta por forma a conjugar as especificações do circuito com as imposições da tecnologia e de projecto da máscara. A máscara optimizada que serviu de base ao fabrico do circuito é apresentada em detalhe na Figura 26.

Figura 26 – Máscara final do circuito do amplificador de transimpedância para 10Gb/s, denominado TZA10G1200. VDD1, VDD2 e VEE são pontos de aplicação de tensões de alimentação, IN e OUT são

Esta máscara (Figura 26) tem algumas particularidades que é relevante salientar. A indutância equivalente da ligação do terminal de entrada (assinalado na Figura 26 por “IN”) ao primeiro transístor está em série com a da ligação entre o circuito monolítico e o fotodetector atrás analisada pelo que, para a sua minimização, foi implementada na forma de uma pista metálica larga. As ligações que conduzem ao terminal de alimentação positiva (assinalado na Figura 26 por Vdd1) devem de igual modo ter uma indutância equivalente reduzida de forma a prevenir a degradação da estabilidade do circuito, como também foi já abordado. Também deve ser minimizada a indutância equivalente resultante das ligações em série com a malha de realimentação já que esta causa desvio de fase na malha na malha de realimentação com a consequente degradação da margem de fase da primeira etapa de transimpedância do circuito. Para frequências mais elevadas o próprio tempo de propagação na malha deve ser tido em consideração pelo que a dimensão física desta é minimizada.

De referir que mesmo elementos cuja influência no comportamento do circuito pela sua reduzida dimensão poderia ser à partida desprezável, como é o caso das ligações metálicas entre as duas superfícies superior e inferior do monólito (vias), são modelados e tidos em conta pelo simulador. Também uma pequena capacidade para a massa de valor entre 50fF e 100fF foi considerada nos extremos da ligação por fio condutor entre o circuito externo e o monólito por forma a modelizar a capacidade para a massa desta ligação e o efeito capacitivo de franja no extremo das linhas de transmissão do veículo de teste às quais o circuito vai ligar. Verificou-se por simulação que todos estes elementos parasitas têm influência não negligenciável no desempenho do circuito.

Factores da tecnologia que adicionalmente condicionaram a disposição dos componentes foram a idêntica orientação dos transístores por questões de processo de fabrico, o posicionamento dos portos de entrada/saída no sentido de prever a possibilidade de um teste prévio de funcionamento do circuito na fábrica utilizando pontas de prova apropriadas e ainda questões de dimensões e distâncias mínimas entre camadas.

Na altura da montagem do circuito monolítico no suporte de teste não se dispunha de um fotodetector adequado que pudesse ser montado sobre o mesmo suporte e ligado por fio condutor ao amplificador.

Desvios quer no processo de fabrico do monólito quer no processo de montagem deste e do fotodetector no veículo de teste não permitem prever com exactidão os valores dos elementos da Figura 23. A caracterização experimental foi assim realizada por medida parâmetros S referidos à impedância standard, pelo que a capacidade equivalente na entrada do circuito era inferior à considerada anteriormente para os cálculos do tipo de resposta Butterworth ou Bessel. Esta foi também a caracterização na bolacha de GaAs onde foram produzidos (on-wafer) previamente ao processo de separação dos circuitos monolíticos individuais (dicing), fornecida pelo fabricante para vários monólitos do circuito produzidos.

O circuito montado no suporte de teste com uma ligação por fio condutor à linha microfita do suporte apresenta um valor de indutância (Lbond) inferior ao valor óptimo para resposta Butterworth apresentado na Tabela 3, mas que permite a caracterização mesmo com reduzido valor de capacidade.

As curvas seguintes obtidas por simulação do circuito da Figura 19, mostram a dependência da amplitude do ganho de transimpedância com a frequência para vários valores de Lbond e de capacidade do fotodetector (para 100 e 150fF).

Figura 27 – Amplitude do ganho de transimpedância em função da frequência para vários valores da indutância entre o monólito e o fotodetector, para dois valores de capacidade do fotodetector Cfot.

Nas condições das curvas da Figura 27, um valor considerado adequado para a indutância da ligação seria próximo de 1nH.

As ligações por fio condutor entre o monólito e o circuito externo, sendo componentes fortemente dependentes do processo de montagem, são especialmente críticas pela dificuldade em prever as suas características com exactidão. Admitindo que a ligação entre o fotodetector e o monólito seja realizada com um condutor circular em ouro de diâmetro aproximado 25um, o valor de indutância tipicamente esperado é de 0.87 a 1nH por mm de comprimento [34 ].