Como já foi dito anteriormente, o modelo tridimensional pode introduzir muitas perdas eletromagnéticas no dispositivo, devido, principalmente, ao acoplamento entre
vias. Esse acoplamento é caracterizado pela passagem de campos eletromagnéticos pelo substrato ou pelo ar, de um elemento a outro do sistema, por exemplo: dado que existem duas linhas de transmissão paralelas (Figura 4.3) em que uma delas está sendo alimentada, existirá acoplamento se parte do sinal que passa por essa linha for visto na outra.
Figura 4.3: Acoplamento entre linhas de transmissão.
Esse acoplamento ocasiona perdas para o sistema porque, parte de sinal enviado é desviado do seu caminho natural e, dependendo de onde ele é acoplado, pode ocasionar em falhas, como aumento da figura de ruído. Um exemplo na utilização de transistores: se um sinal que já foi amplificado pelo transistor (ou seja, apresenta potência maior) se acopla na entrada desse mesmo transistor, isso acarreta numa segunda amplificação, podendo fazer com que o transistor sature devido à grande potência injetada na sua porta de entrada. Sendo assim, é extremamente necessário fazer um estudo do modelo com respeito ao acoplamento entre seus componentes e criar alternativas que façam com que esse acoplamento seja tal que não afete o desempenho do sistema. O principal ponto onde foi encontrado acoplamento no modelo do amplificador de baixo ruído foi nas curvaturas dos braços dos acopladores híbridos. Muito sinal é acoplado entre um ramo e outro do mesmo braço, mas como esse acoplamento está acontecendo no mesmo braço da híbrida, ele não altera muito a sua resposta. Se muito acoplamento entre braços distintos fosse visto no modelo, as respostas observadas poderiam ser bem diferentes. Mas isso não acontece no modelo desenvolvido do acoplador híbrido.
Outra dificuldade encontrada no desenvolvimento do modelo tridimensional do LNA foi o espaço necessário para se colocar todos os componentes. Sabe-se que a área do projeto é um requisito fundamental e que quanto menor o valor desse parâmetro, melhor será a redução total. Sendo assim, deve-se projetar um modelo que possua uma área mínima e que comporte todos os componentes que devem ser inseridos, sem ocasionar muito acoplamento entre eles.
Nos primeiros modelos desenvolvidos para o amplificador de baixo ruído, colocava-se parte das redes de polarização (que ficaram longas para a área do projeto) bem próximo à saída dos transistores. Isso não funcionou pois parte do sinal de saída se
acoplava na rede de polarização da entrada, o que fazia com que os transistores oscilassem em várias frequências. Para resolver este problema, as redes de polarização da entrada devem estar localizadas na entrada do sistema, ou seja antes do transistor, assim como as de saída devem estar posicionadas na saída do transistor.
A terceira e última dificuldade enfrentada no desenvolvimento do modelo tridimensional deste LNA foi a inserção de capacitâncias parasitas no dispositivo que apareceram devido a dois fatores: inserção de chapas de metal (“pads”) para soldar os pés dos componentes discretos; e o fato da espessura do substrato ser muito fina. Esses dois fatores contribuíram para o aparecimento de capacitâncias parasitas no modelo, como mostra a Figura 4.4. Isso aconteceu porque, dado que o substrato é muito fino, os pads formaram com o plano-terra um capacitor de placas paralelas. O valor de capacitância inserido por cada pad, individualmente, é muito pequeno, quase desprezível, mas, dado que para cada componente discreto é necessário dois pads e que as redes de polarização e de casamento são formadas quase que exclusivamente por componentes discretos, a capacitância parasita total inserida no modelo é relevante.
Figura 4.4: Capacitância inserida por um Pad.
Em um primeiro momento, essas capacitâncias não foram levadas em conta e, por conta disso, as respostas encontradas no modelo tridimensional se diferenciavam bastante das respostas encontradas no modelo circuital. A partir do momento em que as capacitâncias parasitas foram introduzidas no modelo circuital, as respostas do modelo tridimensional se aproximaram bastante das ideais. Ao se levar em consideração as capacitâncias parasitas introduzidas pelos pads, é necessário alterar os valores de indutância e capacitância que já existem no modelo, para que elas, juntamente com as capacitâncias parasitas, possuam o mesmo efeito dos componentes ideais. Ao alterar os valores dos indutores e capacitores, o modelo tridimensional apresentou respostas mais próximas do desejado, mas outro problema surgiu. O valor de capacitância apresentada pelos capacitores que formam as redes de casamento de entrada dos três transistores não era encontrado comercialmente (o valor de 50 fF). Sendo assim, foi necessário substituir esses capacitores por tocos de linha que levasse à mesma resposta que o capacitor oferecia.
A Figura abaixo mostra o modelo do capacitor de 50 fF (4.5(a)) que foi substituído pelo toco de linha (4.5(b)). Já a Figura 4.6 mostra uma comparação entre a resposta de impedância (partes real e imaginária) obtida pelo capacitor e pelo toco. Pode-se ver que tanto a parte real quanto a imaginária são praticamente idênticas nos dois casos, por isso, foi possível fazer a troca do capacitor pelo toco de linha sem sofrer
alterações nas respostas finais. O fato de trocar o modelo do capacitor tradicional pelo toco de linha que faz o mesmo papel diminui o número de furos na placa. Para cada capacitor tradicional existiam dois furos para conectá-los ao plano-terra e fazendo uso do tocos de linha, essa ligação não é mais necessária.
Figura 4.5: (a) modelo do capacitor de 50 fF (b) modelo de toco de linha equivalente ao capacitor de 50 fF.
Figura 4.6: Comparação das respostas de (a) magnitude e (b) ângulo dos modelos de capacitor.
Todos esses desafios foram observados durante o processo de simulação do modelo tridimensional do LNA, provando o quanto esta etapa é importante para garantir o sucesso do projeto.