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 Alta Freqüência
Transistores de Alta Freqüência
Transistores de RF - Bipolares
Equações de Johnson
¾Equação I – Limite voltagem – freqüência
Vmax
Emax vs
=
2π
l
2π  
v
9Vmax – voltagem máxima possível (Emax / lmin)
9l – comprimento do material
9vs – velocidade de saturação do material
9Emax – campo elétrico máximo
9(l/v) – tempo médio do portador de carga em velocidade média
ao longo do comprimento do material
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
I max X C Emax vs
=
2π
l
2π  
v
9Imax – corrente máxima possível no componente
9XC – reatância correspondente à capacitância de saída, isto é:
1
l
2π  Co
v
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
Pmax X C Emax vs
=
2π
l
2π  
v
9Pmax – potência máxima
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
Gmax kTVmax Emax vs
=
2π
e
9Gmax – ganho máximo em potência
9k – constante de Boltzman (1,38 x 10–23)
9T – temperatura absoluta (kelvin)
9 e – carga de um elétron (1,6 x 10–19)
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
Gmax
Zo
=
Z in
ft
f
9ft – freqüência de corte
9f – freqüência de operação
9Z0 – componente real da impedância de saída
9Zin – componente real da impedância de entrada
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
I max tb
 kT 
 
Z o Cin  e 
=
=
I max tb
Z in Co
Vmax
9Cin – capacitância de entrada
9Co – capacitância de saída
9 tb – tempo de trânsito da carga
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 (teb)
9Tempo de carga da capacitância da junção coletor-base (tcb)
9Tempo de trânsito na região da base (tbt)
9Tempo de trânsito na região de depleção da junção base-coletor (tbc)
¾ Os tempos acima somados fornecem o tempo de trânsito emissorcoletor (t).
¾ A freqüência de corte é, assim, obtida por:
1
1
ft = =
t teb + tcb + tbt + tbc
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.
¾ O circuito equivalente é semelhante ao do homojunção.
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 baseemissor
9 ruído de disparo na junção basecoletor
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:
 qVkTbe

I cf = I sf  e − 1


9 Isf = corrente direta de saturação
9 q = carga de um elétron
¾ Corrente reversa de coletor:
 qVkTbc

I cr = I sr  e − 1


9 Isr = corrente reversa de saturação
Transistores de RF – características estáticas I/V
¾ Corrente total do coletor:
qVbc
 qVkTbe

kT
I c = I cf − I cr = I sf  e − e 


¾ Usando a relação Vce = Vbe – Vbc,
tem-se:
I c = I sf e
qVbe
kT
− qVce


kT
 1 − e



¾ A equação acima descreve a
característica I/V do coletor.
Transistores de RF – características estáticas I/V
¾ Um outro importante parâmetro é a
transcondutância que, para pequenos
sinais é:
dI c
gm =
dVbe V
ce kT
q
q
≅
Ic
kT
Transistores de RF – capacitâncias
¾ Ambas as junções possuem capacitâncias com duas componentes
em cada junção:
9 componente de depleção
C je =
C je 0
1−
Vbe
φbe
C jc =
C jc 0
1−
Vbc
φbc
9 Cje0 – capacitância da junção de emissor com tensão zero.
9 Cjc0 – 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.
Transistores de RF – capacitâncias
9 componente de difusão, causada pelo armazenamento de
cargas na base, na junção com o emissor:
Cbe,τ
I sf q
dQb
=
=
τe
dVbe kT
qVbe
kT
9τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.
¾ A capacitância base – emissor total é a soma das duas
componentes.
Cbe = C je + Cbe,τ
Transistores de RF – capacitâncias
9 componente de difusão, causada pelo armazenamento de
cargas na base, na junção com o coletor:
Cbc ,τ
qVbc
dQb I sf q
=
=
τ e kT
dVbc
kT
9τ – tempo de trânsito na base em condução normal e direta.
¾ A capacitância base – coletor total é a soma das duas componentes.
Cbc = C jc + Cbc ,τ
¾ Apesar das duas fórmulas acima, normalmente não ocorre condução
reversa em altas freqüências.
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;
9Circuitos lógicos de alta velocidade.
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
¾ Figura de ruído versus freqüência para diversos componentes
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
(- 260oC) 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 (Gmax)
9 ganho na figura de ruído ótima
9 ganho de inserção
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 (Gmax)
9 ganho na figura de ruído ótima
9 ganho de inserção