Um dos requisitos do projeto é a inserção de limitadores que irão exercer a função de proteger o amplificador de baixo ruído de possíveis picos de tensão não esperados. Até agora, nenhuma simulação (circuital ou eletromagnética) levou em consideração o efeito desse dispositivo, pois ele não deve interferir muito nos parâmetros de desempenho do LNA. Neste tópico, será discutido como os limitadores foram inseridos no projeto e que variações eles causam nas respostas do amplificador de baixo ruído.
Como discutido no Capítulo 2, serão inseridos dois limitadores no estágio balanceado do amplificador de baixo ruído, como mostra a Figura 4.13.
Figura 4.13: Modelo Teórico do LNA com Limitador.
Não é possível colocar os dois limitadores alinhados com as saídas da híbrida, pois eles aumentam muito a largura do amplificador de baixo ruído. Sendo assim, é necessário desalinhá-los, como mostra a Figura 4.14, onde é possível ver a híbrida e os dois limitadores (na cor cinza) desalinhados. Como as saídas das híbridas devem ser eletricamente iguais para que o seu casamento permaneça adequado, é preciso fazer uma linha de microfita curva (chamada de linha 1) na entrada do limitador mais próximo à híbrida que simule o mesmo comprimento elétrico da linha que liga a híbrida ao limitador
mais distante (linha 2).
Figura 4.14: Híbrida e Limitadores.
Na saída dos limitadores, também há uma diferença de distância entre o limitador e a rede de casamento de entrada de cada transistor. Essa diferença também deve ser compensada em comprimento elétrico nas linhas 3 e 4 para que a diferença de fase do sinal que chega em cada um dos transistores continue sendo de 90◦.
A Figura 4.15 mostra o layout do LNA projetado com os limitadores. Esta imagem mostra o LNA dividido em três blocos. Essa divisão foi necessária para que a simulação eletromagnética fosse mais rápida, pois este novo modelo ficou com o compri- mento grande e cheio de detalhes que fazem com que o número de elementos criados pelo
software para obter a solução eletromagnética do dispositivo seja muito grande, o que faz
com que a simulação demore para finalizar. Por conta disso, resolveu-se dividir o modelo em três blocos, para que a simulação fosse mais rápida. Mas para melhor visualização, gerou-se uma imagem contendo todos os componentes, inclusive os transistores, e sem corte dos blocos, como mostra a Figura 4.16.
Figura 4.15: Layout final do LNA dividido em blocos.
Figura 4.16: Layout final do LNA sem cortes.
Todos esses blocos são importados para o software Designer, onde são conectados aos arquivos S2P dos transistores e dos limitadores, como mostra a Figura 4.17.
Figura 4.17: Blocos do LNA conectados aos arquivos S2P dos transistores e dos limitadores no Designer.
O comprimento total deste novo layout é 1, 31879λg e sua largura é 0, 23327λg,
onde λg representa o comprimento de onda guiado na frequência central de operação do
dispositivo. Foi necessário aumentar a largura e o comprimento do dispositivo por conta da inserção dos limitadores.
As Figuras a seguir, mostram as respostas finais do dispositivo, onde a primeira delas (Figura 4.18) mostra a estabilidade, que indica se o dispositivo está oscilando ou não. Dado que a resposta não cai abaixo de 1, é possível dizer que o dispositivo é estável numa grande faixa de frequências (até 15 GHz).
Figura 4.18: Estabilidade do LNA final.
A Figura 4.19 mostra a perda de retorno do amplificador de baixo ruído com limitadores e é possível ver que a resposta está abaixo de -10 dB em toda a banda de operação e que essa resposta é melhor do que a apresentada pelo modelo sem limitador. O valor mais próximo do limiar é no início da banda onde o nível de sinal é somente 0,8605 dB menor que o especificado. Pode-se dizer que essa resposta está adequada em toda a banda de operação, e que a metade da banda que possui mais altas frequências apresenta um melhor casamento, chegando a obter um mínimo de -37 dB, aproximadamente.
Figura 4.19: Perda de retorno na porta de entrada do LNA final.
Sabe-se que a especificação de figura de ruído é obter um nível próximo a 1 dB em toda banda, mas dado que as híbridas inserem muitas perdas (por conta de seus braços curvos) e que faz-se uso de limitadores (que não são comuns em amplificadores de baixo ruído), é possível que esse abjetivo não seja cumprido, ou seja, é esperado que a figura de ruído alcance níveis maiores que 1 dB. Para minimizar o ruído do sistema, foi preciso reajustar as redes de casamento dos dois primeiros transistores, ou seja do amplificador balanceado. A melhor resposta encontrada foi a apresentada na Figura 4.20, onde pode-se ver que no início da banda, o nível de ruído é 0,3773 dB maior que 1 dB e que no final é somente 0.0543 dB maior. Essa resposta difere da apresentada pelo modelo anterior em toda a banda. O fato desse parâmetro cair com a frequência se deve ao acoplamento entre vias, principalmente as vias das redes de polarização que precisaram ter mais curvas para serem acomodadas no espaço restrito do dispositivo com limitadores. Esse acoplamento é maior em baixa frequência do que em alta, o que faz com que o ruído na parte mais baixa da banda seja maior.
Por fim, a Figura 4.21 mostra o ganho fornecido pelo LNA, que possui um nível maior que o especificado em toda a banda de operação do dispositivo. Em mais baixa frequência o ganho é 7,6749 dB maior que o especificado, já na parte de mais alta frequência o nível de sinal é 3,845 dB maior que 25 dB. Na frequência central de operação, o ganho chega a 33 dB, fazendo deste amplificador de baixo ruído um ótimo dispositivo, já que não é comum um LNA fornecer tanto ganho assim [5]. Essa resposta de ganho é melhor que a apresentada pelo modelo sem limitador, isso acontece porque a perda de retorno é melhor, ou seja, há menos reflexão de sinal, e se há menos sinal refletido quer dizer que há mais sinal sendo amplificado.
Analisando estas respostas, é possível constatar que o dispositivo desenvolvido nesta dissertação de mestrado funciona adequadamente, atingindo todos os requisitos determinados, mesmo com a inserção dos limitadores. A figura de ruído, que é o único
Figura 4.20: Figura de ruído do LNA final.
Figura 4.21: Ganho do LNA final.
requisito que não é claro quanto a valores, não apresenta níveis ruins para um amplificador de baixo ruído [5]. Sendo assim, pode-se dizer que a miniaturização do amplificador de baixo ruído foi realizada com sucesso, apresentando uma redução de 52,9 %, comparando com o original, e que opera dentro de um mesmo padrão de desempenho.
Capítulo 5
Conclusão
O amplificador de baixo ruído apresentado nesta dissertação de mestrado oferece um alto ganho e boas respostas de perda de retorno e figura de ruído. Além desses resultados, este amplificador de baixo contém as vantagens de conter uma proteção contra picos de tensão (com o uso dos limitadores) e de possuir menos da metade da área ocupada pelo LNA original [1].
A Figura 5.1 mostra os amplificadores de baixo ruído original e miniaturizado em escala, onde é possível comparar o tamanho dos dois dispositivos e ver em qual dimensão foram aplicadas as técnicas de miniaturização. Nota-se que a largura do dispositivo foi bastante diminuída, já o comprimento do dispositivo ficou um pouco maior. Com esse modelo, foi possível obter uma redução de 52,9 % de área ocupada pelo amplificador de baixo ruído.
É visível como a miniaturização realizada apresenta grandes proporções, mas na tabela 5.1 são apresentados os valores correspondentes ao tamanho físico de cada dimensão do LNA, como efeito de comparação entre os dois.
Variáveis LNA original LNA miniaturizado Largura 0, 5881λg 0, 23327λg
Comprimento 1, 1108λg 1, 31879λg
Área Total 0, 65327λ2
g 0, 3076λ2g
Tabela 5.1: Comparação entre os tamanhos físicos dos LNA original e miniaturizado. A partir destes valores é possível afirmar que a miniaturização, no que diz respeito ao tamanho físico do dispositivo, foi bem sucedida. Mas é necessário fazer uma comparação dos parâmetros fornecidos por cada amplificador e verificar se é compensador utilizar este novo dispositivo num sistema de recepção real. A tabela 5.2 mostra os valores dos parâmetros de espalhamento de cada amplificador, assim como o nível de ruído fornecido por cada um deles.
Variáveis LNA original LNA miniaturizado Frequência 0, 8f0 1, 2f0 0, 8f0 1, 2f0 Perda de Retorno -14,8665 dB -15,4560 dB -10,8605 dB -15,7715 dB
Ganho 29,1628 dB 27,3891 dB 32,6749 dB 28,845 dB Figura de ruído 0,9384 dB 0,9294 dB 1,3773 dB 1,0543 dB
Tabela 5.2: Comparação entre as respostas fornecidas pelos LNA original e miniaturizado. Observando os valores listados na tabela acima, é possível ver que o ganho fornecido pelo amplificador de baixo ruído miniaturizado é melhor que do LNA original. A perda de retorno, se for observada na banda toda e não somente em uma frequência, também pode ser considerada melhor no LNA miniaturizado, pois a perda de retorno gerada por este dispositivo apresenta um mínimo em -35 dB com uma banda de 250 MHz o que não acontece no LNA original que se mantém em toda a banda com um valor por volta de -13 dB, oscilando entre -12 e -19 dB, aproximadamente.
Por fim, a figura de ruído é melhor no amplificador de baixo ruído original (por volta de 0.93 dB em toda a banda) que no LNA miniaturizado. Isso acontece, como já foi dito anteriormente, por conta do uso de componentes que não foram utilizados no amplificador original, como os limitadores e as redes de casamento compostas somente por indutores e capacitores. As redes de casamento compostas exclusivamente por componentes discretos possuem um largura de banda estreita, o que interfere diretamente na figura de ruído do dispositivo. Sendo assim, a figura de ruído apresentada pelo LNA miniaturizado deve ser pior que a do LNA original que utiliza elementos distribuídos em suas redes de casamento, e isso é comprovado ao longo do trabalho.
Visto tudo isso, é necessário saber qual a maior necessidade do sistema de recepção que está sendo projetado, para, assim, escolher qual dos amplificadores de baixo
ruído (apresentados neste capítulo) deve ser utilizado. Por exemplo, se o sistema requer uma menor figura de ruído, sem se preocupar com tamanho físico, o LNA original deve ser escolhido. Já, se o sistema requer uma pequena área ocupada, o LNA miniaturizado é uma ótima opção, pois atende ao requisito de área e não prejudica a resposta do sistema.
Pode-se concluir que a miniaturização do amplificador de baixo ruído foi bem sucedida, já que gerou um dispositivo com respostas dentro das especificações, que são bem próximas às respostas do amplificador de baixo ruído original, reduzindo em 52,9% a área ocupada pelo circuito.
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