Como dito anteriormente, a utilização do software Designer é necessária para se fazer o projeto circuital do sistema. A grande vantagem de se desenvolver o protótipo
Figura 3.13: Diferença de fase entre as portas de saída da híbrida tridimensional projetada. circuital é a facilidade de alterar as variáveis e, sendo assim, fazer novos testes sem consumir um grande tempo de simulação.
É necessário, primeiramente, para criar o modelo circuital, importar o arquivo
S2P do transistor que é fornecido pela empresa fabricante e que pode ser facilmente acessado na internet. Nele estão disponíveis os níveis de parâmetros de espalhamento que esse transistor gera na faixa de frequência de 1 GHz a 20 GHz num passo de 1 GHz. Também é fornecido os níveis de ruído provocados por este transistor na faixa de frequência de 2 GHz a 18 GHz num passo de 2 GHz. O software processará estas informações e as replicará no projeto. Sendo assim, é possível aplicar os conhecimentos do Capítulo 2 sobre transistores. Um deles diz respeito a linearidade deste componente, sendo assim, é preciso se certificar de que em nenhum ponto da faixa de frequência o transistor oscila. Para garantir a linearidade, foi colocada uma resistência em série com o transistor, inserida na saída deste, pois, essa resistência na saída do transistor acarreta menos ruído ao sistema do que se ela fosse colocada na entrada. Isso acontece pois o nível de sinal presente na saída do transistor é bem maior que na entrada, sendo assim, a degradação provocada pelo resistor tem menor impacto na saída do que na entrada. O valor dessa resistência pode variar a medida que os demais componentes são inseridos no sistema.
Em seguida é preciso fazer as redes de polarização de gate e dreno, que intro- duzem corrente (portadores) no transistor. Essas redes são compostas de fontes DC e de componentes que barram qualquer sinal de chegar nessas fontes, funcionando como uma proteção para a fonte.
A Figura 3.14(a) mostra a trajetória de um sinal ao incidir em um transistor com rede de polarização sem a proteção de fonte. Ao incidir na bifurcação da rede de polarização com o gate do transistor, parte desse sinal passa direto para a fonte DC, o que faz com que o transistor oscile. Essa oscilação ocasiona a não-linearidade deste componente, pois ele fica instável. Na Figura 3.14(b), é mostrado uma rede de polarização
com proteção de fonte. Nela nenhum sinal de entrada chega na fonte DC, preservando a linearidade do transistor.
Figura 3.14: Rede de polarização de gate de um transistor (a) sem proteção de fonte e (b) com proteção de fonte.
A rede de polarização de dreno é composta, para este transistor, por uma fonte DC de 2 V, valor determinado pelo fabricante como mostra as especificações do componente [15], que fornece uma corrente de dreno-fonte igual a 10 mA. E, como visto também nas especificações do transistor, a tensão da fonte da rede de polarização de gate é igual a -0,4 V.
A proteção da fonte do dreno é composta por um indutor de valor grande, seguido por uma resistência também de valor elevado e um capacitor ligado ao plano-terra, como mostra a Figura 3.15. Esses valores altos servem para que nenhum sinal incida na fonte DC. A preocupação com fuga de sinal no dreno é maior que no gate, pois o sinal que incide no dreno já estará amplificado, ou seja com amplitude bem maior que o sinal do
gate. Sendo assim, se algum sinal incidisse na fonte acarretaria maiores problemas.
Figura 3.15: Rede de polarização de dreno de um transistor com proteção de fonte. Na proteção da fonte do gate, são utilizados uma linha de microfita que possui
uma alta impedância ligada a uma rede que provoca um curto-circuito na frequência central de operação. Esse sistema faz com que, no início da linha de microfita, o equivalente elétrico seja um circuito-aberto e que, portanto, nenhum sinal incida na rede de polarização. Mas se, mesmo assim, algum sinal (em outras frequências por exemplo) passar pela linha indutiva, ele irá encontrar uma resistência que o degradará e, em seguida, um capacitor que desvia o sinal restante para o plano-terra, como é visto na Figura 3.14(b).
Como o sinal que incide no gate não terá uma potência tão alta quanto o que incide do dreno, não é necessária a utilização de indutâncias e resistências com grandes valores na sua rede de polarização. A linha de microfita utilizada possui impedância característica de 90 Ω, aproximadamente, sendo assim, ela não bloqueará totalmente a incidencia de sinal. Mas com a rede de curto-circuito no final desta linha, é possível bloquear a entrada de sinal na rede de polarização. Para se ter um curto-circuito, é necessário fazer com que algum elemento (componentes discretos ou linhas de transmissão, por exemplo) ressoe em determinada frequência. Como a banda de operação deste projeto é bem larga, é interessante fazer com que o curto-circuito se aplique a várias frequências, para que a banda toda fique protegida. Para isso, é necessária a utilização de vários elementos ou de tocos sequenciais com comprimentos distintos (como visto em [1]). Mas como um dos requisitos é a diminuição da largura do dispositivo, essas soluções são inviáveis. Sendo assim, a rede de curto-circuito utilizada neste projeto foi projetada somente para a frequência central de operação.
Uma rede que gera um curto-circuito pode ser formada de várias maneiras distintas, mas para esta dissertação, ela deve ser a menor possível, fisicamente. Sendo assim, a rede de curto-circuito foi feita utilizando uma linha indutiva com um capacitor ligado ao plano-terra, como visto na Figura 3.16. Esse circuito ressoa na frequência central de operação, como mostrado na Figura 3.17. Os valores dessa ressonância não são tão altos, principalmente nos extremos da banda e isso pode ser um problema, pois algum sinal poderá chegar à fonte, mas isso pode ser evitado alterando o valor da resistência que existe na rede de polarização, pois quanto maior o valor da resistência, mais degradação ela causa ao sinal.
Figura 3.16: Rede de curto-circuito.
Figura 3.17: Rede de curto-circuito ressoando.
µ, que é facilmente acessada no software. A Figura 3.18 mostra a estabilidade de um
transistor com redes de polarização de gate e dreno, mas ainda sem redes de casamento. É possível ver que a resposta está acima da unidade em uma banda larga do espectro de frequência, isso quer dizer que em nenhuma frequência vista no gráfico o dispositivo oscila.
Figura 3.18: Estabilidade de um transistor sem redes de casamento.
Com os circuitos de estabilização e de polarização funcionando adequadamente, deve-se fazer as redes de casamento dos transistores e utilizando o software, o trabalho de fazer essas redes se torna bem mais simples. Para fazer a rede de casamento da entrada, deve-se observar qual a impedância no ponto após a rede de polarização (Z1) e qual a impedância na entrada do transistor (Z2), como mostra a Figura 3.19, e criar uma rede que conecte as duas impedâncias, gerando a menor reflexão possível. Para a rede de casamento na saída, é preciso observar a impedância após a resistência de estabilização (Z3)e casá-la para a impedância de saída do sistema (Z4).
Figura 3.19: Localização das redes de casamento da entrada e da saída do transistor. Utilizando a carta de Smith do próprio software é possível fazer a rede que case as duas impedâncias já conhecidas, tanto da entrada, quanto da saída. Novamente, busca-se fazer as menores redes possíveis em questão de tamanho físico, para que não ocupem muito espaço no modelo final. Por esta razão, linhas de microfita não devem ser utilizadas e, portanto, todas as redes de casamento serão compostas por seções L, contendo indutores e capacitores.
A Figura 3.20 mostra o modelo de um único transistor com todas as suas redes de polarização e de casamento de impedância. Esse modelo de um único transistor não atende a todos os requisitos do projeto, mas a partir dele é possível fazer o modelo da solução proposta, replicando-o e alterando os valores de alguns componentes, principalmente das redes de casamento.