Para se obter as respostas equivalente ao amplificador de baixo ruído completo, é necessário organizar os três transistores da maneira correta, dois em paralelo entre as híbridas e o outro na saída da segunda híbrida. Assim como o arquivo S2P do transistor, o modelo tridimensional da híbrida pode ser importado para o circuital e inserido no projeto, já que ele apresenta boas respostas. Isso permite que o modelo circuital do LNA completo fique com as respostas mais próximas do real. Nessa simulação não são inseridos os limitadores para que se possa ver o real efeito do amplificador balanceado no dispositivo, que são caracterizados pelo fato desse tipo de amplificador possuir uma banda larga e de que as variáveis de ruído e ganho são independentes uma da outra. Sendo assim, os limitadores serão inseridos somente no modelo tridimensional.
Figura 3.21: Modelo circuital do LNA completo.
Sendo assim, deve-se organizar os três transistores com suas respectivas redes, como mostrado na Figura 3.21, formando os amplificadores balanceado e não-balanceado. Todas as redes de casamento sofreram alterações nos valores dos componentes porque os terminais dos acopladores híbridos tridimensionais não possuem impedância iguais às alimentações que haviam sido utilizadas no modelo com um único transistor. Teoricamente eles são 50 Ω, como as fontes, mas o modelo 3D mostra uma pequena variação nesses valores (alguns com 49.5 Ω, outros com 52 Ω). A presença dos demais transistores no circuito também interfere na resposta final de cada transistor, acarretando alterações nas redes tanto de casamento quanto de polarização.
Com o modelo circuital do amplificador de baixo ruído é possível observar as respostas obtidas com maior atenção. Dado que algum parâmetro não esteja de acordo com as especificações, deve-se alterar algum componente para que todos os requisitos sejam alcançados. Por exemplo, se a figura de ruído for maior que a desejada, pode-se tentar diminuir o valor da resistência de estabilidade, desde que o circuito mantenha a sua estabilidade.
As figuras seguintes mostram as melhores respostas obtidas com o modelo circuital do amplificador de baixo ruído, como a Figura 3.22 que mostra a estabilidade do circuito. Se a resposta de estabilidade (µ ou simplesmente MU) estiver acima de 1 significa que o circuito não oscila em nenhum ponto. É possível ver que dentro de uma faixa bem larga do espectro (0 – 20 GHz), esse dispositivo não oscila.
Figura 3.22: Estabilidade do LNA circuital final.
Figura 3.23: Perda de retorno na porta de entrada do LNA circuital final.
A Figura 3.23 mostra a perda de retorno no terminal de entrada do sistema. Essa resposta irá medir o nível de potência refletida para esta porta, e esse nível, como visto no Capítulo 2, deve estar abaixo de -10 dB para ser considerado aceitável. É possível ver que o projeto atende a esse requisito, apesar da resposta, no final da banda de operação, estar bem próxima do limiar.
A Figura 3.24 mostra a figura de ruído do sistema completo, que se refere ao quanto de ruído esse dispositivo gera. A especificação do projeto para essa resposta é que
Figura 3.24: Figura de ruído do LNA circuital final.
o nível de ruído esteja por volta de 1 dB em toda a banda de operação. É possível ver que esse requisito é satisfeito em toda a banda de frequência de operação.
Figura 3.25: Ganho do LNA circuital final.
Por fim, a Figura 3.25 mostra o ganho total desse modelo que se refere ao quanto que o sinal de entrada foi amplificado. A especificação do projeto para essa resposta é que o nível de ganho seja igual ou maior que 25 dB em toda a banda de operação. É possível ver que esse requisito é atendido com sucesso. O fato de o ganho cair por volta de 4 dB do início ao final da banda de operação, não afeta o desempenho do dispositivo que, mesmo assim, atende a especificação.
É possível ver, analisando os resultados que o amplificador balanceado funcionou adequadamente, fornecendo a largura de banda desejada e que é considerada grande e permitiu que tanto o ganho quanto a figura de ruído estivessem dentro das especificações de projeto. A partir deste modelo circuital, que apresenta boas respostas, é possível desenvolver o modelo tridimensional do amplificador de baixo ruído. Este modelo demandará mais
tempo de simulação e de estudo, pois nele será adicionado fatores que não são vistos no modelo circuital, como acoplamento entre vias e capacitâncias adjacentes, além do fato de inserir os limitadores que são um requisito importante deste projeto, mas que podem alterar as respostas vistas neste modelo circuital.
Capítulo 4
Modelo Final e Resultados
O último passo que deve ser dado para finalizar o projeto é montar o modelo tridimensional do dispositivo que possibilita o projetista uma análise eletromagnética do sistema. Essa análise se faz necessária para que se possa verificar onde há falhas eletromagnéticas de projeto (como acoplamento excessivo entre vias, perda de sinal pelo substrato, etc.). Essa análise não é fornecida pelo modelo circuital, sendo assim, é de grande importância que o modelo tridimensional seja implementado, pois ele fornece respostas bem próximas às apresentadas pelo protótipo.
Dado que a análise do modelo tridimensional é bem mais precisa que a do modelo circuital, pode ser que as respostas obtidas aqui sejam diferentes das apresentadas no capítulo anterior. Isso se deve porque, no modelo circuital, os dispositivos inseridos no projeto estão eletricamente isolados uns dos outros, gerando assim, uma resposta mais distante do que acontece na prática. Já no modelo tridimensional todos os elementos são postos no mesmo substrato sem nenhuma barreira que os isole uns dos outros (a não ser que o projeto determine que isso aconteça). Isso fará com que o acoplamento entre componentes exista e, quanto maior esse acoplamento, maior a divergência entre as respostas circuital e tridimensional.
As respostas circuitais podem ser interpretadas como respostas ideais, onde não há acoplamento entre os componentes (que, para este projeto, é indesejado). Então, dado que o modelo tridimensional apresente muito acoplamento e, consequentemente, muita distinção das respostas ideais, é necessário que se faça um estudo detalhado do modelo tridimensional para descobrir o que está causando essa distinção, para que, em seguida, o modelo seja corrigido e apresente respostas mais próximas das ideais.
4.1
Construção do modelo tridimensional
Para fazer a simulação eletromagnética tridimensional de um dispositivo, é necessária a utilização de um software específico para tal fim. Já existem vários programas computacionais próprios para simulação de dispositivos tridimensionais, mas o que será
utilizado neste projeto é o HFSS, desenvolvido pela ANSYS. Esse software utiliza tecno- logias de computação de alto desempenho e plataformas eletrônicas de alta velocidade para torná-lo uma ferramenta muito útil para engenheiros que precisam desenvolver algum dispositivo em radiofrequência, micro-ondas ou alguma aplicação digital de alta velocidade. Suas soluções são desenvolvidas com base em elementos finitos, equação integral e métodos híbridos assintóticos e avançados.
O primeiro desafio encontrado no projeto do modelo tridimensional é fazer todos os componentes que pertencem ao dispositivo (substrato, linhas, componentes discretos, etc.) com suas dimensões reais. É preciso bastante atenção do projetista para que não haja erro de dimensionamento no projeto, pois isso pode acarretar em erro nas respostas obtidas, no layout apresentado e no tamanho final do dispositivo.
Ao se trabalhar com capacitores, indutores ou resistores, não é necessário fazer o modelo físico do componente no software, basta utilizar um elemento discreto, que é fornecido pelo HFSS com a finalidade de simplificar o trabalho do projetista. Este elemento insere os valores de capacitância, indutância ou resistência (ou uma combinação dos três) que o projetista desejar em um determinado local do seu dispositivo, seja de um ponto a outro, de uma aresta a outra, ou sobre uma área especificada. Sendo assim, no local definido pelo projetista, haverá um elemento funcionando como componente discreto, seja ele indutor, capacitor ou resistor, que não possui um formato tridimensional, como mostrado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Elemento discreto definido em uma área.
Os demais componentes (substrato, linhas, transistor, etc) são feitos com blocos tridimensionais com o formato equivalente ao componente real. Depois de feitos todos os componentes, pode-se simular o modelo, se nele houver algum erro isso será observado nas respostas do dispositivo. Mas, neste projeto especificamente, há algo que não pode ser
simulado por este software, o transistor. O modelo tridimensional deste componente pode ser construído, mas ele não irá conter os parâmetros de espalhamento do dispositivo, pois o HFSS não reconhece os arquivos SnP de nenhum dispositivo. Como o arquivo S2P do transistor é estritamente necessário para se obter as respostas do amplificador de baixo ruído, não será possível fazer a simulação do modelo 3D do dispositivo completo utilizando apenas um software. Sendo assim, há a necessidade de um outro software que interprete os parâmetros S do transistor e interligue com o modelo 3D. O software em questão é o ANSYS Designer, o mesmo utilizado para fazer o modelo circuital do projeto, pois ele tem a propriedade de interligar modelos e arquivos que não foram desenvolvidos nele próprio, como arquivos SnP e modelos tridimensionais. Sendo assim, é possível importar para o Designer o arquivo S2P do transistor e o modelo tridimensional do LNA e conectá-los para, assim, obter as respostas corretas fornecidas pelo dispositivo.
Para fazer a interligação do modelo tridimensional com o arquivo S2P do transistor, é necessário que o modelo tridimensional contenha terminais que representem a entrada e a saída do transistor. Essas portas devem estar localizadas no lugar exato onde a entrada e a saída do transistor serão inseridas, respectivamente.
A Figura 4.2 mostra um modelo 3D importado para o Designer ligado a três arquivos S2P do mesmo transistor, desse modo, é possível fazer a simulação do modelo 3D completo e obter as respostas do dispositivo. A porta 4 está relacionada a porta isolada da primeira híbrida e é ligada a uma carga de 50 Ω. As portas 1 e 3 são alimentadas, pois elas são a entrada e saída do dispositivo, respectivamente.
Figura 4.2: Modelo 3D importado para o Designer e conectado aos arquivos S2P do transistor.