A definição das especificações (ou requisitos) do sistema é a primeira etapa no projeto de um dispositivo, e elas estão relacionadas ao desempenho que o dispositivo deve apresentar. As especificações de um projeto são fundamentais para o seu desenvolvimento, pois é a partir delas que a tecnologia e a topologia são escolhidas.
Como o objetivo deste trabalho é projetar um amplificador de baixo ruído que apresente os mesmos parâmetros de desempenho vistos em [1], mas com área reduzida, as especificações serão as mesmas do dispositivo de comparação, acrescentando o fato de que metade da área ocupada deve ser reduzida. Os principais requisitos de um amplificador de baixo ruído estão relacionados ao ganho mínimo que ele deve fornecer, à sua figura de ruído máxima, sua perda de retorno mínima e à banda de operação do sistema. Por fim, a redução do dispositivo é agregada como requisito do projeto. A seguir, estão listados os requisitos deste trabalho de mestrado e adiante, cada um deles será abordado mais a fundo.
• Banda de operação igual a 20% da frequência central; • Ganho maior ou igual a 25 dB;
• Figura de ruído por volta de 1 dB;
• Perda de retorno menor que -10 dB ao longo da banda;
• Redução em, no mínimo, 50% da área ocupada pelo dispositivo de comparação; • Inserção de Limitador de potência.
Este último requisito foi introduzido como forma de proteção do dispositivo, pois os limitadores anulam picos de tensão. Sendo assim, se algum pulso de transmissão for refletido por uma antena descasada ou desligada ele entraria no amplificador de baixo ruído, mas com a introdução de limitadores, pode-se evitar que isso aconteça, como será visto mais a frente.
2.4.1
Banda de operação igual a 20% da frequência central
A banda de operação (ou faixa de operação) de um sistema se refere à faixa do espectro na qual o dispositivo garante todos os requisitos fundamentais. A Figura 2.13 mostra o espectro de um sinal que possui o maior nível de potência na faixa de frequência de f1 a f2 em torno da frequência central fc. As faixas de espectro à esquerda e à direita
de fc são sempre iguais e formam a banda de operação. Pode-se referir a uma banda de
operação quantificando a faixa de espectro ocupada pelo sinal (por exemplo: 1 MHz) ou dizendo a percentagem de espectro com relação à frequência central que aquele sinal ocupa.
Uma banda equivalente a 20% é considerada larga, já que muitos componentes operam efetivamente em uma única frequência, com uma largura de banda estreita em torno desta frequência. Para que um dispositivo apresente uma banda larga, técnicas para aumentar a faixa de operação do dispositivo devem ser implementadas.
Figura 2.13: Banda de Operação definida de f1 a f2.
Como as respostas de um amplificador de baixo ruído dependem da frequência e uma banda larga de operação é exigida, as técnicas utilizadas para casamento de impedância e para polarização do transistor terão que ser desenvolvidas para trabalhar em várias frequências (em toda a faixa de operação). Mas ao se aplicar tais técnicas, outro requisito importante de projeto, a área ocupada pelo dispositivo, pode ser afetado. Como esse requisito é muito importante, como será visto a seguir, terão que ser desenvolvidas soluções que garantam todas as especificações.
2.4.2
Ganho maior ou igual a 25 dB
O ganho especificado para este dispositivo deve ser maior ou igual a 25 dB em toda a banda de operação do amplificador de baixo ruído. Isso quer dizer que na saída do dispositivo, o nível de sinal observado deve ser aproximadamente 316 vezes maior que o nível de sinal visto na sua entrada.
Sabe-se que transistores comuns encontrados no mercado não são capazes de fornecer ganho tão alto, por isso, para alcançar este requisito uma combinação de transistores deve ser feita. A combinação mais comum para gerar um alto ganho é colocar dois (ou mais) transistores em série. Isso fará com que o sinal seja amplificado mais de uma vez, o que produzirá um nível alto de sinal. Deve-se inserir quantos transistores forem necessários para alcançar a especificação, mas deve-se lembrar que quanto mais componentes, maior poderá ser a figura de ruído do sistema. Cabe ao projetista pensar numa ou mais soluções que satisfaçam todos os requisitos.
2.4.3
Figura de ruído por volta de 1 dB
A figura de ruído requerida para o amplificador de baixo ruído deve possuir um valor por volta 1 dB em toda a banda de operação do dispositivo. Como já se sabe, esse tipo de amplificador deve apresentar uma baixa figura de ruído, mas, neste caso, além do baixo ruído também deve-se garantir um alto ganho. Como visto anteriormente, para garantir o alto ganho, é necessária a utilização de vários componentes que farão com que a figura de ruído aumente. Uma solução que pode ser utilizada para minimizar o ruído é procurar componentes (como o transistor) com baixo ruído na frequência em que o amplificador de baixo ruído opera. Outra forma de minimizar o ruído é fazer com que a distribuição dos componentes necessários para o amplificador de baixo ruído não gere um grande ruído, mas isso só poderá ser observado quando o dispositivo estiver sendo numericamente simulado.
2.4.4
Perda de retorno menor que -10 dB
A perda de retorno de um dispositivo é uma medida de reflexão de potência em decibéis (dB) que ocorre em determinado ponto, geralmente na porta de entrada do dispositivo. Quanto menor a perda de retorno menor é a reflexão medida naquele ponto. Para este amplificador de baixo ruído, foi especificado que a perda de retorno na entrada não pode ser maior que -10 dB.
Os níveis de perda de retorno estão diretamente relacionados ao casamento de impedância dos terminais de entrada e saída do sistema. Esse casamento faz com que o dispositivo de entrada, que possui uma determinada impedância (uma fonte, por exemplo), veja o mesmo nível de impedância no dispositivo em que ela irá se conectar. Considere uma fonte com impedância Z0 que deva ser conectada a um dispositivo com uma impedância distinta ZL, o casamento de impedância fará com que essas duas impedâncias
sejam equivalentes. Isso é feito através de uma rede de casamento, ilustrada na cor preta na Figura 2.14, que deve ser inserida entre níveis de impedâncias distintos.
Figura 2.14: Rede de Casamento.
sessões L, sessões π, dentre outros, que podem ser implementadas com vários componentes (capacitores, indutores, resistores, linhas de microfita, etc.). Cabe ao projetista implementa-
las de forma que não prejudiquem os demais requisitos do projeto.
2.4.5
Redução em, no mínimo, 50% da área ocupada pelo dis-
positivo
A principal motivação deste projeto é a redução da área de um dispositivo de referência [1]. Já é sabido que amplificadores de baixo ruído são componentes fundamentais de sistemas receptores e com o avanço da tecnologia, esses dispositivos estão ficando cada vez menores.
Com o intuito de produzir um amplificador de baixo ruído com ótimo padrão de desempenho e com uma pequena área, resolveu-se reproduzir o dispositivo visto na Figura 2.15 [1] com metade da área ocupada por ele, criando, assim, mais um requisito de projeto.
Figura 2.15: LNA de referência [1].
Mas a redução em área desse dispositivo não foi baseada apenas em refazer a topologia. Observando a Figura 2.15 correspondente ao amplificador de baixo ruído de referência [1], pode-se ver que dois componentes desse projeto não podem ser utilizados aqui por ocuparem uma área proporcionalmente grande. O primeiro é o toco radial (no caso, existem três tocos no projeto de referência) utilizado nas redes de polarização do gate dos transistores. Esses tocos radiais têm a função de introduzir um curto-circuito numa banda larga, utilizados na proteção de fonte do gate do transistor. O outro componente utilizado em [1] que não será utilizado aqui é o acoplador híbrido pertencente ao amplificador balanceado (no caso, existem dois acopladores), pois ocupam grande área. A função destes componentes ficará mais clara adiante, mas vale ressaltar que o projetista deverá achar uma solução que substitua esses componentes sem prejudicar o padrão de desempenho do amplificador de baixo ruído.
2.4.6
Inserção de Limitador
Limitadores são dispositivos que permitem a transmissão de sinais que possuem amplitude abaixo de um limiar estabelecido, ou seja, se um sinal possuir uma amplitude acima do limiar, o limitador restringe (ou atenua) seus picos, fazendo com que o sinal possua apenas amplitudes iguais ou abaixo do limiar, como visto na Figura 2.16.
Figura 2.16: Operação de um Limitador.
Os limitadores são usados como dispositivos de segurança, pois evitam que sinais com potência elevada sejam transmitidos para o dispositivo que se quer proteger. Neste projeto, especificamente, ele deverá proteger o amplificador de baixo ruído de possíveis pulsos de transmissão refletidos pela antena caso ela esteja descasada ou desligada. Existem dois tipos principais de limitadores, os de limitância dura e de limitância leve. O primeiro deles retifica a onda assim que ela ultrapassa o limiar, fazendo com que ela possua uma amplitude constante (e igual ao limiar), enquanto apresentar amplitude maior que o limiar. Já o segundo tipo atenua a onda, mantendo-a com o formato original, mas com amplitude dentro dos limites do limitador, como pode ser visto na Figura 2.17.
Figura 2.17: Tipos de limitadores.
A utilização de dispositivos como este deve ser cautelosa, pois ele pode inserir um nível de ruído grande no sistema, fazendo com que a figura de ruído total aumente. Outro ponto que deve ser observado com cuidado é a área do amplificador de baixo ruído que sofrerá um aumento devido a inserção deste dispositivo. Portanto, deve-se sempre observar se todos os requisitos de projeto estão dentro das especificações.