Transistores de Alta Freqüência

Transistores de Alta Freqüência

¾Os transistores foram desenvolvidos logo após o final da Segunda Guerra Mundial e eram usados em produtos de consumo.

¾Os primeiros se limitavam a aplicações de som e baixas freqüências.

¾Com o avanço da tecnologia, logo surgiram os transistores para receptores de VHF, no início da década de 1960. As aplicações em microondas ficariam para mais tarde.

¾As limitações para altas freqüências eram decorrentes de fatores como:

9Velocidade de saturação dos elétrons;

9Espessura da estrutura básica (afetava o tempo de trânsito);

9Resistências e capacitâncias que se manifestavam de forma dispersa, incluindo as decorrentes do encapsulamento.

Transistores de Alta Freqüência

¾As principais soluções encontradas pela engenharia foram:

9Desenvolvimento de novos materiais, como o arsenieto de gálio;

9Nova geometria interna das camadas;

9Novas formas de construção e encapsulamento.

¾Nos dias atuais os transistores já conseguem operar na faixa de dezenas de GHz, podendo chegar à ordem de 50 GHz, comercialmente, com

características de baixo ruído;

¾Importantes parâmetros dos transistores podem ser obtidos a partir das equações de Johnson.

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação I – Limite voltagem – freqüência

9V

E

/ l

9l

9v

9E_max – campo elétrico máximo

9(

l/v

π

π

2

2

E

v

v

l

V

=













Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Aplica-se a um transistor bipolar uma tensão de polarização de 5 VCC, gerando um campo elétrico de 6 x 106 _{V/m. O comprimento da material é} de 0,5 µm e a velocidade de saturação dos portadores de carga é de

50 x 103 _{m/s. determinar a freqüência de operação e a velocidade nominal} dos portadores de carga.

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação II – Limite corrente – freqüência

9I

9X_C – reatância correspondente à capacitância de saída, isto é:

π

π

2

2

E

v

v

l

X

I

=













1

C

v

l













π

2

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Considerando a capacitância de saída de 18 pF, determinar a corrente máxima do componente do exercício anterior, caso o mesmo tenha como freqüência limite 40 GHz.

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação III – Limite potência – freqüência

9P

π

π

2

2

E

v

v

l

X

P

=













Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Determinar a potência máxima, para o primeiro componente, desta vez operando em 50 GHz.

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação IV – Limite ganho em potência – freqüência

9G

9k

9T

9 e – carga de um elétron (1,6 x 10–19₎

π

2

E

v

e

kTV

G

=

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Também para o primeiro exercício, determinar o ganho máximo em 60 GHz, com temperatura de 300 K. Em seguida, determinar o ganho para 100 K.

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação V – Ganho máximo

9f

9f

9Z

9Z_in – componente real da impedância de entrada

f

f

Z

Z

G

=

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Por que a fórmula leva em conta apenas a componente real da impedância?

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

¾Equação VI – Relação de impedância

9C

9C

9 t_b – tempo de trânsito da carga

max max max

V

t

I

e

kT

t

I

C

C

Z

Z













=

=

Transistores de RF - Bipolares

Equações de Johnson

Exercício

¾ Determinar as temperaturas equivalentes de ruído para as tensões de 5 V e de 3 V, no componente em questão.

Transistores de RF - Bipolares

Freqüência de corte

¾ É a freqüência na qual o ganho em corrente é reduzido à unidade.

¾ Fatores que afetam o valor da freqüência de corte:

9Velocidade de saturação dos portadores de carga

9Tempo de carga da capacitância da junção emissor-base (t_eb)

9Tempo de carga da capacitância da junção coletor-base (t_cb)

9Tempo de trânsito na região da base (t_bt)

9Tempo de trânsito na região de depleção da junção base-coletor (t_bc)

¾ Os tempos acima somados fornecem o tempo de trânsito emissor-coletor (t).

¾ A freqüência de corte é, assim, obtida por:

bc bt cb eb t

t

t

t

t

t

f

+

+

+

=

=

1

1

Transistores de RF - Bipolares

Etapas de projeto

¾ A combinação dos resistores de polarização que determina as tensões e correntes direta é o circuito CC.

¾ A seqüência recomendada é:

1. Selecionar os circuitos a serem polarizados;

2. Definir as tensões e correntes diretas para o transistor;

3. Definir a fonte de tensão CC e sua distribuição pelos transistores e resistores de polarização;

4. Calcular os resistores de polarização a partir do circuito definido no passo 1 e das tensões definidas nos passos 2 e 3.

Transistores de RF - Bipolares

Exercícios

¾ A partir de parâmetros típicos, calcular o ganho de corrente de

curto-circuito para uma freqüência de 1 GHz, com base no modelo para pequenos sinais em π-equivalente.

¾ Qual será a corrente de base do transistor submetido a uma tensão de polarização de 5 volts?

¾ Esboce um diagrama do ganho de corrente de curto circuito em função da freqüência.

Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído

¾ Representa uma evolução do transistor bipolar homojunção.

¾ São produzidos com AlGaAs (emissor)-GaAs (coletor).

¾ A base é fortemente dopada.

¾ Os materiais e a dopagem da região base - emissor fazem com que esta junção seja diferente da junção base – coletor.

¾ Seu custo é mais elevado e tende a apresentar maior distorção que o homojunção.

¾ Aplicações em modens ultra rápidos e circuito de radiofreqüência.

Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído

¾ Os três principais ofensores para o ruído em um transistor bipolar

homojunção são:

9 ruído térmico

9ruído de disparo na junção base-emissor

9 ruído de disparo na junção base-coletor

¾ O ruído térmico é função direta da temperatura e da resistência da base.

Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído

¾ O ruído de disparo produzido pela junção P-N depende da corrente da junção.

¾ Existe um valor de corrente de

coletor na qual a figura de ruído é a melhor. Estes valores são típicos para cada componente em

particular. Na prática, os valores dependem da eficiência da junção.

Complicações em Transistores de RF – Bipolares

¾ Algumas complicações estão presentes nos BJT.

9 A corrente de base é pequena, porém não nula devida à

injeção de lacunas no emissor e a uma pequena recombinação na base.

9 O processo acima limita o ganho em corrente.

9 Como o tempo de trânsito é finito, ocorre um acúmulo de cargas na base devido à elevada capacitância da junção base-emissor.

9 À semelhança de outros componentes, possuem efeitos parasitas que prejudicam o desempenho.

Transistores de RF – características estáticas I/V

¾ Corrente direta de coletor:

9 I_sf = corrente direta de saturação

9 q = carga de um elétron

¾ Corrente reversa de coletor:

9 I_sr = corrente reversa de saturação

1

I

=

I



_

e

−



_





1

I

=

I



_

e

−



_





Transistores de RF – características estáticas I/V

¾ Corrente total do coletor:

¾ Usando a relação V_ce = V_be – V_bc, tem-se:

¾ A equação acima descreve a característica I/V do coletor.

be bc qV qV kT kT c cf cr sf

I

=

I

−

I

=

I



_

e

−

e



_





1

I

I e

e



_

_



=

_

_

−

_

_









Transistores de RF – características estáticas I/V

¾ Um outro importante parâmetro é a transcondutância que, para pequenos sinais é: ce c m c kT be V q

dI

q

g

I

dV

kT

=

≅

Transistores de RF – capacitâncias

¾ Ambas as junções possuem capacitâncias com duas componentes em cada junção:

9 componente de depleção

9 C_je0 – capacitância da junção de emissor com tensão zero.

9 C_jc0 – capacitância da junção de coletor com tensão zero.

9 φ – diferença de potencial entre o semicondutor e o anodo de metal quando não há ddp externa aplicada.

be be je je

V

C

C

φ

−

=

1

V

C

C

φ

−

=

1

Transistores de RF – capacitâncias

cargas na base, na junção com o emissor:

9τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.

¾ A capacitância base – emissor total é a soma das duas componentes. kT qV sf be b be be

e

kT

q

I

dV

dQ

C

=

=

τ

C

C

C

=

+

Transistores de RF – capacitâncias

cargas na base, na junção com o coletor:

9τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.

¾ A capacitância base – coletor total é a soma das duas componentes.

¾ Apesar das duas fórmulas acima, normalmente não ocorre condução reversa em altas freqüências.

kT qV sf bc b bc bc

e

kT

q

I

dV

dQ

C

=

=

τ

C

C

C

=

+

Transistores de Efeito de Campo - FET

¾ Opera alterando-se a condutividade de um “canal” semicondutor pela variação do campo elétrico no canal.

¾ É ainda conhecido como amplificador de transcondutância, pois relaciona uma corrente de saída a uma tensão de entrada.

¾ Existem dois tipos básicos:

9 FET de junção (JFET);

9 FET com semicondutor de óxido metálico (MOSFET), também chamado de IGFET (FET com porta isolada).

¾ Existem outros componentes de Efeito de Campo, porém todos derivados dos dois básicos acima.

¾ Atravessaram um rápido desenvolvimento, tanto em freqüência como em potência.

FET para microondas

¾ O FET representa um grande avanço nas operações na faixa de microondas.

¾ São fabricados com os materiais do grupo III-A da Tabela Periódica dos Elementos Químicos, notadamente o Gálio e o Arsênio, na forma

GaAs FET.

¾ São ainda empregados AlGaAs e InGaAsP.

¾ Conseguem estender a faixa de operações para bem além dos transistores de junção bipolar (BJT), além de apresentar nível de ruído muito inferior, podendo chegar a menos de 1 dB na figura de ruído.

¾ São mais estáveis diante de variações de temperatura.

¾ São muito utilizados como amplificadores de baixo ruído (LNA).

¾ Outras aplicações:

9Circuitos integrados monolíticos para microondas;

9Conversores analógico-digitais;

FET para microondas

¾ O MESFET é um FET à base de metal e semicondutor

¾ O MESFET também é conhecido como SBT (transistor de barreira Schottky) ou, ainda, SBFET.

¾ Os principais elementos empregados são:

9 íons de enxofre ou estanho

9 vapor de alumínio

9 liga de ouro e germânio

9 liga de ouro e telúrio

9 liga de ouro, germânio e telúrio

¾ HEMT é um transistor com alta mobilidade de elétrons, também

conhecido como TEGFET (GaAs FET com elétron bidimensional), ou,

também, HFET (FET heterojunção). É construído com estruturas finíssimas para reduzir o tempo de trânsito e, assim, permitir freqüências maiores.

FET para microondas

FET para microondas

¾ O transistor bipolar de silício apresenta figura de ruído plana até uma certa freqüência. Em seguida, o ruído sobe bruscamente.

¾ O FET, por outro lado, apresenta aumento de ruído nas baixas e nas altas freqüências.

¾ O HEMT apresenta comportamento

semelhante ao FET, porém em menor grau. O HEMT supercongelado

(- 260o_{C) tem melhor desempenho.}

¾ O ruído na maioria dos MESFET e HEMT aumenta nas baixas freqüências.

¾ Ao contrário do que poderia parecer,

componentes para freqüências altas nem sempre tem bom desempenho em baixas freqüências.

Seleção de transistores

¾ Os critérios de escolha entre um transistor bipolar ou de efeito de campo para a faixa de microondas depende da aplicação.

¾ Por exemplo, em um sistema de recepção de sinais de satélites a figura de ruído é de importância fundamental.

¾ Em outras aplicações a potência de transmissão poderá ser mais importante.

¾ Deve-se ficar atento à faixa de freqüência. Alguns componentes possuem figura de ruído e ganho fortemente dependentes da freqüência.

¾ Antes da escolha definitiva, é fundamental que as folhas de especificações sejam analisadas.

¾ O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas, pelo menos, e raramente (talvez nunca) iguais:

9 ganho máximo possível (G_max)

9 ganho na figura de ruído ótima

Seleção de transistores

¾ O ganho máximo possível geralmente ocorre em uma freqüência ou uma faixa muito estreita, na qual as impedâncias de entrada e de saída sejam casadas de forma conjugada, ou seja, as partes reativas devem se cancelar enquanto que as partes resistivas devem estar combinadas para a máxima transferência de potência.

¾ Outro parâmetro importante na análise é o ponto de compressão de 1 dB, no qual um aumento de X dB na entrada corresponde a um aumento de (X – 1) dB na saída.

¾ Operações muito próximas do ponto de compressão de 1 dB podem provocar distorções em um amplificador linear e devem ser evitadas.

¾

¾ O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas, pelo menos:

9 ganho máximo possível (G_max)

9 ganho na figura de ruído ótima