Escolha da tecnologia

O projetista de microondas dispõe de duas tecnologias planares que podem ser usadas na construção do DVCO.

A tecnologia de circuito integrado monolítico de microondas ou MMIC – do inglês Monolithic Microwave Integrated Circuits, é a mais recente, tendo se tornado comercialmente disponível na década de 1990. Nessa tecnologia todos os componentes do circuito são construídos diretamente no substrato que é um semicondutor semi-isolante, em geral arseneto de gálio – GaAs, por técnicas de microeletrônica capazes de definir estruturas sub-micrométricas. O projetista tem acesso a tecnologias MMICs que são fornecidas por foundries no exterior. Uma vez escolhida uma foundry e um de seus processos tecnológicos, fica definido o tipo de transistor que será utilizado, como MESFET, HEMT, PHEMT e seu comprimento de porta. Essa tecnologia permite diminuir os parasitas devido a conexões, que degradam o potencial de operação em faixa larga dos circuitos. Em termos financeiros, ela torna-se indicada quando o objetivo é produção em larga escala. Os

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MMICs integram todos os componentes do circuito em chips com dimensões da ordem de milímetros, o que dificulta ou mesmo inviabiliza a realização de ajustes ou alterações no circuito, visando explorar experimentalmente os limites de seu desempenho.

A tecnologia de circuitos integrados de microondas ou MIC – do inglês

Microwave Integrated Circuits, também conhecida como tecnologia de circuitos

híbridos, é mais antiga que os MMICs. Essa tecnologia utiliza componentes discretos, como transistores, capacitores e resistores, os quais são montados sobre um substrato isolante contendo linhas de transmissão planares, definidas sobre fina camada metálica depositada sobre o substrato.

Os MICs utilizam substratos cerâmicos ou flexíveis, com baixas perdas em freqüências de microondas, cujos principais parâmetros são sua espessura – H, e sua

constante dielétrica relativa,

ε

Os MICs com substratos cerâmicos são mais adequados quando o circuito deve atender a especificações severas de temperatura, vibração e choque, como especificações militares ou espaciais. Um exemplo típico são os MICs com substrato de alumina metalizada com ouro, fotogravada por processos de microeletrônica, com componentes em chip conectados por técnica de microssoldagem de fios de ouro.

Substratos flexíveis são processados de forma similar a circuitos impressos de baixa freqüência, exigindo especial atenção na precisão das dimensões das linhas de transmissão durante o processo fotolitográfico usado para definir as mesmas. Sobre esses substratos são montados componentes com encapsulamentos específicos para freqüências de microondas ou componentes SMD – Surface Mounted Devices, usando-se técnicas de soldagem convencionais. A construção de MICs em substrato flexível exige processos bem menos sofisticados do que os que utilizam substratos cerâmicos, resultando em protótipos de menor custo de fabricação. O uso de substrato flexível facilita o retrabalho caso seja necessário trocar componentes danificados ou caso se deseje explorar a potencialidade do circuito realizando-se alterações no mesmo. Por esse motivo adotamos a tecnologia MIC em substrato flexível para a construção do protótipo de DVCO projetado neste trabalho.

Para a escolha do substrato deve-se considerar que a largura e comprimento

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para que suas dimensões não fiquem exageradamente pequenas a ponto de inviabilizar a realização do circuito projetado, deve-se dar preferência a substratos com constantes dielétricas relativas baixas (abaixo de 4), evitando-se que as linhas de transmissão fiquem muito curtas, causando problemas de interferência eletromagnética devido à proximidade excessiva entre os transistores e demais componentes do circuito.

A espessura do substrato (H), por sua vez, não pode ser tão pequena a ponto de nos levar a larguras de trilhas mais estreitas do que as dimensões que podem ser definidas com precisão na tecnologia disponível; e não grande, a ponto de provocar uma dispersão elevada do campo elétrico das microlinhas, o que causaria interações eletromagnéticas entre as trilhas.

Escolhido um determinado substrato, prossegue-se o projeto. Depois de calculadas as dimensões dos componentes do circuito e feito o leiaute preliminar do mesmo, pode-se verificar a necessidade de se alterar o substrato para obter condições mais favoráveis à construção do circuito.

Assim como no caso do substrato, é necessário realizar uma escolha inicial do transistor a ser utilizado, a qual pode ser alterada em função dos resultados das simulações.

Ele deve ter uma potência de saturação maior do que a do nível de saída desejado. A transcondutância do transistor na faixa de freqüência de interesse deve ser suficiente para que o ganho de loop aberto do DVCO seja maior do que 0 dB. É interessante ainda utilizar uma margem de ganho de aproximadamente 3 dB.

No capítulo 2 foi feita uma análise que permite determinar as transcondutâncias de cada transistor mínimas necessárias à oscilação, para um modelo de oscilador distribuído sem perdas. As transcondutâncias mínimas de cada

transistor são dadas pelas expressões (2.92) e (2.93), sendo as fases de loop aberto φr

e φs dos loops relativos aos transistores ativos Tr e Ts dadas por (2.73) e (2.74). O

valor da fase das células de atraso θmi é dado por (2.54).

No item 2.5.3.2 foi apresentado um exemplo através da análise de um

oscilador distribuído com 9 estágios, impedância nominal de 50 Ω e m igual a 0,8. A

Fig. 2.25 apresenta o gráfico das transcondutâncias de cada transistor para satisfazer a condição de módulo de ganho de loop aberto igual a 1, cujos valores de pico são

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apresentados na Tabela 2.6. Tais valores servem como referência para a seleção dos

transistores.

A freqüência de corte do transistor deve ser obviamente mais alta do que a máxima freqüência de oscilação desejada. No entanto, este critério não é suficiente. É necessário que suas reatâncias intrínsecas e parasitas sejam compatíveis com a estrutura distribuída desejada.

Como a capacitância porta-fonte do transistor FET é maior do que sua capacitância dreno-fonte, ela estabelece uma limitação intrínseca do transistor. Outro fator a se considerar quando se usa a tecnologia MIC são efeitos limitantes da freqüência máxima do oscilador devido à montagem e encapsulamento do transistor. Mesmo quando se utilizam transistores em chip, é necessário utilizar fios metálicos para conectar os terminais do transistor ao circuito, o que adiciona indutâncias em série com os acessos de porta, dreno e fonte. Em transistores encapsulados as reatâncias parasitas de cápsula contribuem adicionalmente para a limitação da freqüência máxima de operação do DVCO.

Para o projeto do oscilador deve-se dispor de um modelo linear do transistor – do tipo circuito elétrico equivalente ou banco de parâmetros S – para que se possam verificar as condições de oscilação em pequenos sinais, bem como de um modelo não-linear do transistor, para que se possam realizar simulações em grandes sinais do circuito.