Transistores de Alta Frequencia

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DISCIPLINA DE CIRCUITOS ELETRÔNICOS II
TRANSISTORES DE ALTA FREQUÊNCIA
Prof. Cesar Augusto Prior
Caroline Obregon
Jean Muenchen
Laura Ferreira
Santa Maria, RS, Brasil
Abril de 2018
Conteúdo
1 Introdução 2
2 Construção 2
3 Princípio de Funcionamento e Principais Parâmetros 3
4 Curvas Características 4
5 Principais Aplicações 6
6 Conclusões 7
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1 Introdução
Logo após o final da Segunda Guerra Mundial, foram desenvolvidos componentes eletrônicos semicondutores
denominados transistores. Os primeiros se limitavam a aplicações de som e baixas frequências. Com o avanço da
tecnologia, logo surgiram os transistores para receptores de VHF, no início da década de 1960, foram os principais
responsáveis pela revolução da eletrônica na época. Houve limitações para as altas frequências, como a espessura
da estrutura que afetava o tempo de trânsito. Então, fez-se necessário o desenvolvimento de transistores visando
diminuir o efeito do trânsito dos portadores de carga, utilizando novos materiais, com regiões semicondutoras de
dimensões mínimas, diferentes geometrias e encapsulamentos. Atualmente, podem alcançar frequências em torno
de 2000 MHz e são capazes de ligar e desligar em velocidades muito altas. Transistores de alta frequência são
usados em amplificadores HF, VHF, UHF, CATV e MATV e aplicações de oscilação, disponíveis tanto como NPN
quanto PNP. Neste trabalho será explorado o transistor bipolar RF BFP650 [3].
2 Construção
Transistores de alta frequência são comumentes feitos de heterojunção (HBT), a principal diferença entre BJT e
HBT é o uso de diferentes materiais semicondutores para a junção emissor-base e o base-coletor, criando uma
heterojunção. A heterojunção é uma junção formada por dois materiais diferentes. Estes materiais podem ser
metais, isolantes ou semicondutores.
Figura 1: Bandas em heterojunção de um transistor NPN bipolar.
Diferente da tecnologia BJT, o perfil de dopagem pode ser mudado em favor da resposta de frequência. O HBT
melhora o BJT, pois pode lidar com sinais de frequências muito altas, até várias centenas de GHz. É usado em
circuitos ultrarrápidos modernos, principalmente sistemas de radiofrequência (RF) e em aplicações que exigem
alta eficiência de energia, como amplificadores de potência de RF em telefones celulares.
Figura 2: Representação esquemática de uma heterojunção.
O semicondutor para a camada do emissor é escolhida de modo que a lacuna de banda é maior do que a da
base material semicondutor. Materiais usados como substrato incluem SiGe (silicon-germanium) a GaAs (galiium
arsenide). Nos transistores de SiGe, a quantidade de germânio na base é nivelado, tornando a lacuna de banda
mais estreita no coletor do que no emissor. Esse afunilamento da lacuna de banda leva a um transporte assistido
em campo na base, que acelera o transporte através da base e aumenta a resposta de frequência.
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Em resumo as principais características de um componente feito de heterojunção são:
• Alto Ganho de corrente sem necessidade de dopar excessivamente o emissor.
• Perfil de dopagem muda em favor da resposta de frequência.
• Aumento da injeção de portadores devido às camadas adicionais de semicondutor.
• Altas frequências de operação (100 GHz).
3 Princípio de Funcionamento e Principais Parâmetros
Nos projetos simples, que envolvem correntes contínuas ou de baixas frequências, pode-se prever um certo ganho
para esta configuração e o resultado obtido na prática não vai ser muito diferente. Entretanto, os transistores não
se comportam do mesmo modo quando trabalham com sinais de altas frequências.
O ganho de um transistor começa a ser cada vez mais influenciado à medida que a frequência aumenta além de
certo valor. O ganho de um transistor cai quando a frequência se eleva, até o ponto em que ele não mais pode ser
usado para amplificação.
Figura 3: Comportamento do ganho de um transistor qualquer quando submetido à altas frequências.
A eletrônica cria a cada dia dispositivos que podem trabalhar em frequências mais elevadas, já sendo encontra-
dos diversos dispositivos que ultrapassam a barreira do gigahertz (GHz).
Analisando um transistor a partir de sua estrutura, sabe-se que a corrente entre a base e o emissor é que se
responsabiliza pela corrente principal, entre o coletor e o emissor. Como esta última corrente tem maior intensidade
que a primeira, diz-se que o transistor amplifica sinais. As variações da corrente de base é que devem comandar,
pois, as variações da corrente de coletor (configuração de emissor comum). Para os materiais semicondutores mais
usados como o germânio e o silício, os portadores de carga se movimentam numa velocidade que depende de sua
natureza.
No germânio, por exemplo, os elétrons se movimentam a uma velocidade da ordem de 3.600 cm por segundo,
enquanto que as lacunas são mais lentas, com uma velocidade de 1.600 cm por segundo. Pode-se dizer que, tanto no
silício como no germânio, a velocidade dos portadores negativos de carga (elétrons) é quase o dobro da velocidade
dos portadores de carga positiva (lacunas). Supõe-se então que um sinal de alta frequência seja aplicado à base de
um transistor. No momento em que o sinal “entra"no circuito (transistor), a corrente de coletor para o emissor deve
começar a fluir. Os portadores de carga devem atravessar toda a região semicondutora que corresponde ao coletor,
à base até chegar ao emissor. Dependendo da distância que deve ser percorrida, e da velocidade dos portadores,
pode não haver tempo suficiente para isso [1].
O que pode ocorrer é que durante um ciclo de amplificação do sinal de entrada, pode não haver tempo suficiente
para que a corrente correspondente flua entre o coletor e o emissor do transistor. Antes mesmo que a corrente atinja
seu máximo correspondente ao pico positivo do sinal de entrada, sua polaridade já pode ter-se invertido, cancelando
o efeito. Nestas condições, o transistor já não consegue amplificar, pois não há tempo para o trânsito das cargas
entre o coletor e o emissor. Influi neste efeito também as capacitâncias encontradas entre a base e o emissor,
e entre o coletor e o emissor. Antes da corrente atingir seu máximo, é preciso haver tempo para carregar estas
capacitâncias parasitas.
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Figura 4: O tempo de transito insuficiente para que a corrente atinja o máximo.
Pode-se aumentar a resposta de frequência de um transistor, capacitando-o a operar com sinais de frequências
elevadas com a diminuição da espessura da região que forma a base, mas para isso existem limitações. O problema
básico está justamente no fato de os portadores de cargas N e P terem velocidades diferentes de propagação. Assim,
se um transistor tiver mais material P a ser percorrido do que material N, o transistor tende a ser mais lento que seu
equivalente. Entre dois transistores com as mesmas características gerais, um NPN e outro PNP, o PNP tende a ser
mais lento, com uma frequência limite de operação bem mais baixa.
Figura 5: Parâmetros comparados de diferentes transistores
4 Curvas Características
Para demonstrar um modelo de curva característica para um transistor de alta frequência, optou-se por buscar
um modelo no mercado. O BFP650 (Figura 6), cujo datasheet [2] encontra-se na bibliografia deste trabalho, é
um transistor NPN bipolar de RF de banda larga de alta linearidade. O dispositivo é baseado na tecnologia de
heterojunção (SiGe:C) de alta confiabilidade da marca.
Figura 6: Transistor de Alta Frequência Modelo BFP650
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O design do coletor suporta tensões até VCEO = 4 V e correntes até IC = 150 mA. Com sua alta linearidade em
correntes tão baixas quanto 30 mA o dispositivo suporta designs eficientes em termos de energia. A frequência de
transição típica é de aproximadamente 42 GHz, daí a dispositivo oferece alto ganho de potência em frequências de
até 5 GHz em aplicaçõesde amplificador.
As curvas característica do transistor encontram-se nas Figuras 7 e 8.
Figura 7: Curva Característica (VCE x IC) do Modelo BFP650. (Fonte: Datasheet)
Figura 8: Curva Característica de Entrada (VBE x IC) do Modelo BFP650. (Fonte: Datasheet)
A curva que relaciona a frequência de acordo com a corrente de coletor (diagrama AC), está apresentada na
Figura 9
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Figura 9: Diagrama de Característica AC do Modelo BFP650. (Fonte: Datasheet)
5 Principais Aplicações
Transistores de alta frequência são usados para que sinais pequenos que funcionam em altas frequências em apli-
cações de comutação de alta velocidade, isto é, devem ser capazes de ligar e desligar em velocidades muito altas.
Transistores de alta frequência são usados, por exemplo, em amplificadores HF, VHF, UHF, CATV, MATV de
oscilação. Outras aplicações, segundo o catálogo da marca Infineon [3] incluem Navegação, Bluetooth, Radares,
Indústria Automotiva, Disposivitos Móveis, Rádio, TV, WI-FI, Telecomunicações, Drones, e muitas outras.
HF: Sigla para o termo inglês High Frequency e significa "frequência alta". As radiofrequências (HF) de alta
frequência estão entre 3 e 30 megahertz. Representam importante papel nas transmissões de rádio tanto para ra-
diodifusão, como para fins utilitários (comunicações com aviões, embarcações, etc) civis, militares ou comerciais.
A designação nasceu nos primórdios das transmissões de rádio, quando as frequências geralmente utilizadas eram
muito mais baixas.
VHF: Sigla para o termo inglês Very High Frequency (Frequência Muito Alta) que designa a faixa de radio-
frequências de 30 a 300 MHz. Este tipo de sinal é utilizado para transmissão de rádio FM, utilizando a frequência
entre 88-108 MHz. Foi o primeiro método de transmissão televisiva (canais 2 a 13). Também é utilizada em siste-
mas de navegação terrestre, comunicações aéreas (dos aviões) e radioamadorismo.
UHF é a sigla para o termo inglês Ultra High Frequency (Freqüência Ultra Alta), e designa a faixa de radio-
frequências de 300 MHz até 3 GHz. É ela a responsável pelos sinais de televisão atuais (canais 14 a 69), rádio e
transceptores.
Televisão a cabo ou televisão de antena comunitária (respectivamente Cable Television, ou Community An-
tenna Television em inglês, CATV) é um sistema de distribuição de conteúdos audiovisuais de televisão, de rádio
FM e de outros serviços para consumidores através de cabos coaxiais fixos, ao invés do tradicional e antigo sistema
de transmissão via antenas de rádio (televisão aberta). Espalhou-se por vários países, principalmente através dos
serviços de televisão por assinatura.
MATV: Master Antena Television ou MATV, descreve uma rede de cabeamento analógica que é usada para
distribuir vários sinais de televisão por toda a instalação. Com a instalação de múltiplas antenas parabólicas, para
subscrever e distribuir centralmente qualquer canal, de qualquer parte do mundo (serviços pagos e gratuitos de TV)
podem ser entregues localmente usando a tecnologia popularmente denominada SMATV ou Satellite Master.
WI-FI: O roteador Wi-Fi fornece a capacidade de receber sinais relativamente fracos de dispositivos habilitados
para Wi-Fi, como telefones celulares. Portanto, deve ter alta sensibilidade para detectar um sinal fraco na presença
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de fortes sinais de interferência. A sensibilidade do receptor pode ser melhorada usando um amplificador de
baixo ruído (LNA) como um primeiro bloco do receptor para aumentar a relação sinal-ruído (SNR) do sistema
global, especialmente em um ambiente com muito sinal fraco. Além disso, os sistemas WLAN estão sujeitos a
interferência co-canal e à interferência de sinais celulares coexistentes fortes.
6 Conclusões
A sociedade está tornando-se cada vez mais mobile. Conectividade disponível e universal têm um papel importante
no futuro. O tráfego de dados e a infraestrutura crescerão exponencialmente. Se estima que em 2020 existirão
50.1 bilhões de unidades conectadas em velocidades alcançando a faixa de 1Gbps através da 5G, pois as pessoas
continuam a expandir o uso de informação móvel todo dia através de múltiplos dispositivos conectados um no outro
compartilhando conteúdo, vídeos e fotos, somando esse tráfego. HBTs são usados principalmente em aplicações de
telecomunicações digitais e analógicas , como em amplificadores para smartphone, tecnologia 5G, WiFi, sensores,
radares.
A utilização de novos processos tecnológicos no tratamento dos semicondutores levaram à criação de novos
dispositivos. Quando forem necessárias elevadas frequências de trabalho nas aplicações, os transistores feitos de
heterojunção, sejam eles FETs ou TJBs, são os mais indicados em circuitos integrados e analógicos. A possibili-
dade de fornecer correntes elevadas com pequenas variações da tensão de entrada e o baixo valor das capacidades
internas destes dispositivos faz com que o seu desempenho seja ótimo em altas frequências.
Referências
[1] Newton Braga. Transistores em rf (art2417). Disponível em: <htt p :
//www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/57 − artigos − e − pro jetos/10583 − transistores −
em− r f −art2417>. Acesso em: 25/04/2018.
[2] Infinein. Bfp650 - high linearity silicon germanium bipolar rf transistor. Disponível em:
<htt ps : //www.in f ineon.com/dgdl/In f ineon − BFP650 − DS − v0101 − en.pd f ? f ileId =
db3a30431400e f6801142743b0330715>. Acesso em: 25/04/2018.
[3] Infinein. Rf discretes - selection guide. Disponível em: <htt ps : //www.in f ineon.com/dgdl/In f ineon−RF+
Discretes+ Selection+Guide−BC− v0100−EN.pd f ? f ileId = 5546d46254e133b401552 f3516a5698a>.
Acesso em: 25/04/2018.
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