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Transistores de Alta Freqüência
Os transistores foram desenvolvidos logo após o final da SegundaGuerra Mundial e eram usados em produtos de consumo.
Os primeiros se limitavam a aplicações de som e baixas freqüências.
Com o avanço da tecnologia, logo surgiram os transistores parareceptores de VHF, no início da década de 1960. As aplicações emmicroondas ficariam para mais tarde.
As limitações para altas freqüências eram decorrentes de fatores como:Velocidade de saturação dos elétrons;Espessura da estrutura básica (afetava o tempo de trânsito);Resistências e capacitâncias que se manifestavam de formadispersa, incluindo as decorrentes do encapsulamento.
Transistores de Alta Freqüência
As principais soluções encontradas pela engenharia foram:Desenvolvimento de novos materiais, como o arsenieto de gálio;Nova geometria interna das camadas;Novas formas de construção e encapsulamento.
Nos dias atuais os transistores já conseguem operar na faixa de dezenasde GHz, podendo chegar à ordem de 50 GHz, comercialmente, comcaracterísticas de baixo ruído;
Importantes parâmetros dos transistores podem ser obtidos a partir dasequações de Johnson.
Transistores de Alta Freqüência
Transistores de Alta Freqüência
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação I – Limite voltagem – freqüência
Vmax – voltagem máxima possível (Emax / lmin)l – comprimento do materialvs – velocidade de saturação do materialEmax – campo elétrico máximo(l/v) – tempo médio do portador de carga em velocidade médiaao longo do comprimento do material
ππ 22
maxmax svE
vl
V=
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
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 éde 0,5 µm e a velocidade de saturação dos portadores de carga é de50 x 103 m/s. determinar a freqüência de operação e a velocidade nominaldos portadores de carga.
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação II – Limite corrente – freqüência
Imax – corrente máxima possível no componenteXC – reatância correspondente à capacitância de saída, isto é:
ππ 22
maxmax sC vE
vlXI
=
1
oCvl
π2
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
Considerando a capacitância de saída de 18 pF, determinar a correntemáxima do componente do exercício anterior, caso o mesmo tenhacomo freqüência limite 40 GHz.
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação III – Limite potência – freqüência
Pmax – potência máxima
ππ 22
maxmax sC vE
vlXP
=
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
Determinar a potência máxima, para o primeiro componente, desta vezoperando em 50 GHz.
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação IV – Limite ganho em potência – freqüência
Gmax – ganho máximo em potênciak – constante de Boltzman (1,38 x 10–23)T – temperatura absoluta (kelvin)e – carga de um elétron (1,6 x 10–19)
π2maxmaxmax svE
ekTVG
=
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
Também para o primeiro exercício, determinar o ganho máximo em60 GHz, com temperatura de 300 K. Em seguida, determinar o ganhopara 100 K.
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação V – Ganho máximo
ft – freqüência de cortef – freqüência de operaçãoZ0 – componente real da impedância de saídaZin – componente real da impedância de entrada
ff
ZZG t
in
o=max
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
Por que a fórmula leva em conta apenas a componente real daimpedância?
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Equação VI – Relação de impedância
Cin – capacitância de entradaCo – capacitância de saídatb – tempo de trânsito da carga
max
max
max
VtIekTtI
CC
ZZ
b
b
o
in
in
o
==
Transistores de RF - BipolaresEquações de Johnson
Exercício
Determinar as temperaturas equivalentes de ruído para as tensões de5 V e de 3 V, no componente em questão.
Transistores de RF - BipolaresFreqüência de corte
É a freqüência na qual o ganho em corrente é reduzido à unidade.Fatores que afetam o valor da freqüência de corte:
Velocidade de saturação dos portadores de cargaTempo de carga da capacitância da junção emissor-base (teb)Tempo de carga da capacitância da junção coletor-base (tcb)Tempo de trânsito na região da base (tbt)Tempo de trânsito na região de depleção da junção base-coletor (tbc)
Os tempos acima somados fornecem o tempo de trânsito emissor-coletor (t).A freqüência de corte é, assim, obtida por:
bcbtcbebt tttttf
+++==
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Transistores de RF - BipolaresEtapas de projeto
A combinação dos resistores de polarização que determina as tensões e correntes direta é o circuito CC.
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 - BipolaresExercícios
A partir de parâmetros típicos, calcular o ganho de corrente decurto-circuito para uma freqüência de 1 GHz, com base no modelo para pequenos sinais em π-equivalente.
Qual será a corrente de base do transistor submetido a uma tensão de polarização de 5 volts?
Esboce um diagrama do ganho de corrente de curto circuito em função da freqüência.
Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído
Representa uma evolução do transistor bipolar homojunção.
São produzidos com AlGaAs (emissor)-GaAs (coletor).
A base é fortemente dopada.
Os materiais e a dopagem da região base - emissor fazem com que esta junção seja diferente da junção base – coletor.
Seu custo é mais elevado e tende a apresentar maior distorção que ohomojunção.
Aplicações em modens ultra rápidos e circuito de radiofreqüência.
O circuito equivalente é semelhante ao do homojunção.
Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído
Os três principais ofensores para o ruído em um transistor bipolar homojunção são:
ruído térmico ruído de disparo na junção base-
emissorruído de disparo na junção base-
coletor
O ruído térmico é função direta da temperatura e da resistência da base.
Transistores de RF – Bipolares de baixo ruído
O ruído de disparo produzido pela junção P-N depende da corrente da junção.
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
Algumas complicações estão presentes nos BJT.
A corrente de base é pequena, porém não nula devida à injeção de lacunas no emissor e a uma pequena recombinação na base.O processo acima limita o ganho em corrente.Como o tempo de trânsito é finito, ocorre um acúmulo de cargas na base devido à elevada capacitância da junção base-emissor.À semelhança de outros componentes, possuem efeitos parasitas que prejudicam o desempenho.
Transistores de RF – características estáticas I/V
Corrente direta de coletor:
Isf = corrente direta de saturaçãoq = carga de um elétron
Corrente reversa de coletor:
Isr = corrente reversa de saturação
1beqVkT
cf sfI I e
= −
1bcqVkT
cr srI I e
= −
Transistores de RF – características estáticas I/V
Corrente total do coletor:
Usando a relação Vce = Vbe – Vbc, tem-se:
A equação acima descreve a característica I/V do coletor.
be bcqV qVkT kT
c cf cr sfI I I I e e
= − = −
1be ceqV qVkT kT
c sfI I e e−
= −
Transistores de RF – características estáticas I/V
Um outro importante parâmetro é a transcondutância que, para pequenossinais é:
ce
cm c
kTbe Vq
dI qg IdV kT
= ≅
Transistores de RF – capacitâncias
Ambas as junções possuem capacitâncias com duas componentes em cada junção:
componente de depleção
Cje0 – capacitância da junção de emissor com tensão zero.Cjc0 – capacitância da junção de coletor com tensão zero.φ – diferença de potencial entre o semicondutor e o anodo de
metal quando não há ddp externa aplicada.
be
be
jeje V
CC
φ−
=1
0
bc
bc
jcjc V
CC
φ−
=1
0
Transistores de RF – capacitâncias
componente de difusão, causada pelo armazenamento de cargas na base, na junção com o emissor:
τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.
A capacitância base – emissor total é a soma das duas componentes.
kTqV
sf
be
bbe
be
ekTqI
dVdQC , ττ ==
τ,bejebe CCC +=
Transistores de RF – capacitâncias
componente de difusão, causada pelo armazenamento de cargas na base, na junção com o coletor:
τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.
A capacitância base – coletor total é a soma das duas componentes.
Apesar das duas fórmulas acima, normalmente não ocorre condução reversa em altas freqüências.
kTqV
sf
bc
bbc
bc
ekTqI
dVdQC , ττ ==
τ,bcjcbc CCC +=
Transistores de Efeito de Campo - FET
Opera alterando-se a condutividade de um “canal” semicondutor pelavariação do campo elétrico no canal.
É ainda conhecido como amplificador de transcondutância, pois relacionauma corrente de saída a uma tensão de entrada.
Existem dois tipos básicos:FET de junção (JFET);FET com semicondutor de óxido metálico (MOSFET), também chamadode IGFET (FET com porta isolada).
Existem outros componentes de Efeito de Campo, porém todos derivadosdos dois básicos acima.
Atravessaram um rápido desenvolvimento, tanto em freqüência como empotência.
FET para microondas
O FET representa um grande avanço nas operações na faixa demicroondas.São fabricados com os materiais do grupo III-A da Tabela Periódica dosElementos Químicos, notadamente o Gálio e o Arsênio, na formaGaAs FET.São ainda empregados AlGaAs e InGaAsP.Conseguem estender a faixa de operações para bem além dos transistoresde junção bipolar (BJT), além de apresentar nível de ruído muito inferior,podendo chegar a menos de 1 dB na figura de ruído.São mais estáveis diante de variações de temperatura.São muito utilizados como amplificadores de baixo ruído (LNA).Outras aplicações:
Circuitos integrados monolíticos para microondas;Conversores analógico-digitais;Circuitos lógicos de alta velocidade.
FET para microondas
O MESFET é um FET à base de metal e semicondutorO MESFET também é conhecido como SBT (transistor de barreiraSchottky) ou, ainda, SBFET.Os principais elementos empregados são:
íons de enxofre ou estanhovapor de alumínioliga de ouro e germânioliga de ouro e telúrioliga de ouro, germânio e telúrio
HEMT é um transistor com alta mobilidade de elétrons, tambémconhecido como TEGFET (GaAs FET com elétron bidimensional), ou,também, HFET (FET heterojunção). É construído com estruturas finíssimaspara reduzir o tempo de trânsito e, assim, permitir freqüências maiores.
FET para microondas
Figura de ruído versus freqüência para diversos componentes
FET para microondas
O transistor bipolar de silício apresentafigura de ruído plana até uma certa freqüência. Em seguida, o ruído sobe bruscamente.
O FET, por outro lado, apresenta aumento de ruído nas baixas e nas altas freqüências.
O HEMT apresenta comportamento semelhante ao FET, porém em menor grau. O HEMT supercongelado(- 260oC) tem melhor desempenho.
O ruído na maioria dos MESFET e HEMT aumenta nas baixas freqüências.
Ao contrário do que poderia parecer, componentes para freqüências altas nem sempre tem bom desempenho em baixas freqüências.
Seleção de transistores
Os critérios de escolha entre um transistor bipolar ou de efeito de campopara a faixa de microondas depende da aplicação.Por exemplo, em um sistema de recepção de sinais de satélites a figurade ruído é de importância fundamental.Em outras aplicações a potência de transmissão poderá ser maisimportante.Deve-se ficar atento à faixa de freqüência. Alguns componentes possuemfigura de ruído e ganho fortemente dependentes da freqüência.Antes da escolha definitiva, é fundamental que as folhas de especificaçõessejam analisadas.O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas,pelo menos, e raramente (talvez nunca) iguais:
ganho máximo possível (Gmax)ganho na figura de ruído ótimaganho de inserção
Seleção de transistores
O ganho máximo possível geralmente ocorre em uma freqüência ou umafaixa muito estreita, na qual as impedâncias de entrada e de saída sejamcasadas de forma conjugada, ou seja, as partes reativas devem se cancelarenquanto que as partes resistivas devem estar combinadas para a máximatransferência de potência.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.Operações muito próximas do ponto de compressão de 1 dB podemprovocar distorções em um amplificador linear e devem ser evitadas.
O ganho deve ser cuidadosamente analisado, pois pode ser três formas,pelo menos:
ganho máximo possível (Gmax)ganho na figura de ruído ótimaganho de inserção