E-802 – Circuitos de Microondas

Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N
• É composto por um bloco de cristal intrínseco que separa uma fina
camada de cristal P+ de uma fina camada de cristal N+.
• Como é impossível obter um cristal intrínseco 100% livre de
impurezas, os diodos PIN são construídos utilizando cristais do tipo p
(P-) ou do tipo n (N-).
• As junções dos cristais criam as regiões de exaustão ao longo do
dispositivo, devido a diferença de dopagem dos mesmos.
• A figura a seguir apresenta a estrutura de um diodo P-n -N, juntamente
com a distribuição de cargas ao longo do dispositivo.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N - Distribuição de cargas
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N
• Se a dopagem do cristal intrínseco for suficientemente pequena, então
a região de exaustão irá se propagar por todo o material N+, desde de
que este seja suficientemente fino.
• Normalmente ocorre o cenário apresentado na figura anterior, onde a
região de carga penetra ligeiramente nos cristais com alta dopagem.
• Polarizando o dispositivo reversamente, é possível aumentar o
tamanho da região de exaustão até esta abranger todo o material N+.
• A tensão que provoca esta situação é chamada de tensão de perfuração.
• O campo elétrico na região de exaustão depende da quantidade de
impurezas no material p ou n. De uma forma geral, quanto menor for a
dopagem neste cristal, mais constante é o campo elétrico.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N - Circuito Equivalente
• Se a corrente reversa causada pelos minoritários for ignorada, é
possível afirmar que o diodo PIN se comporta como um capacitor
(quando polarizado reversamente).
• Sua capacitância de junção depende do comprimento do cristal
intrínseco e da área da seção transversal dos cristais.
• Além da capacitância, deve-se considerar uma resistência série que
representa as perdas e um indutor que representa as indutâncias
parasitas do circuito.
• Um diodo PIN bem construído possui RS em torno de 5W e LS
variando entre centenas de pH à unidades de nH.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N - Circuito Equivalente
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N - Circuito Equivalente
• Quando polarizado diretamente, há uma grande inserção de portadores
livres no cristal intrínseco, o que reduz sua resistência.
• O valor da resistência do diodo será inversamente proporcional à
quantidade de corrente que circula pelo componente (modulação de
condutividade.
• Assim, obtém-se o circuito equivalente (b) apresentado na figura
anterior, onde Rf é obtido em função da corrente direta.
• A possibilidade de controlar a resistência do diodo PIN através da
corrente direta permite seu uso em atenuadores ajustáveis e sistemas de
chaveamento de RF.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Aplicação em Sistema de Chaveamento
• O uso deste dispositivo em sistemas de chaveamento é baseado na
diferença de suas características quando polarizado diretamente e
reversamente.
• Dependendo da sua polarização, este dispositivo apresenta alta ou
baixa impedância, o que permite controlar a transmissão de sinais.
• A comutação de baixa para alta impedância é conseguida mudando a
polarização do diodo de direta para reversa. O valor da corrente de
polarização determina qual será a atenuação oferecida pelo dispositivo.
• Basicamente, existem dois tipos de chaveadores de RF construídos
com diodos PIN: (a) serial e (b) paralelo.
• O serial pode ser utilizado apenas em linhas bifilares, já o paralelo
pode ser usado tanto em linhas bifilares quanto em guias de onda.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Aplicação em Sistema de Chaveamento
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Aplicação em Sistema de Chaveamento
• Na montagem em paralelo, quando a tensão de polarização for nula ou
negativa, o diodo apresenta uma alta impedância, de modo que seu
efeito sobre o sinal de RF seja desprezível. Assim, a linha de
transmissão ou o guia de ondas se comportará como um circuito
casado, permitindo a transmissão do sinal.
• Quando o diodo for polarizado diretamente, sua resistência decresce
drasticamente quase curto-circuitando a linha de transmissão ou guia
de ondas.
• Nesta situação, a onda eletromagnética é refletida e um elevado
coeficiente de onda estacionária é estabelecido no circuito.
• O circuito se comporta como uma chave que está fechada quando a
tensão de polarização for nula ou negativa e aberta, quando a tensão
de polarização é positiva.
• Quando o diodo está polarizado diretamente, praticamente toda a
potência é devolvida para o gerador. A potência de RF dissipada no
circuito é mínima.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Aplicação em Sistema de Chaveamento
• Por exemplo, um diodo que com polarização direta tenha resistência de
1W, ligado a uma linha com impedância característica de 50W,
ocasionará um coeficiente de reflexão de 0,96. Apenas 7,6% da
potência será dissipada no diodo.
• Se o diodo for capaz de tolerar 3 Watts, a potência no guia de ondas
pode ser aproximadamente 40 Watts, sem perigo de danos ao diodo.
• É comum utilizar dois ou mais diodos para se obter um circuito de boa
qualidade, pois é mais barato utilizar dois diodos de pior qualidade
para alcançar o desempenho elétrico de um diodo de melhor qualidade.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Exercício
• Considere um circuito de RF chaveado por diodo PIN. Determine a
potência de retorno ao gerador e a potência absorvida pela carga
quando o diodo está polarizado diretamente e reversamente.
• Dados:
Potência do gerador: 40dBm
Carga: 50Ω
R[-5V]=2,2kΩ
R[5V]=12Ω
Impedância característica: 50Ω.
• Repita este exemplo para a conexão do diodo em série.
Capítulo 2 - Diodos para Microondas
Diodo P-I-N – Exercício
• Seja um diodo PIN cuja a curva de resistência é apresentada abaixo.
R[Ω]
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
ID[mA]
• Determine a atenuação para chave aberta e chave fechada,
considerando que a fonte de corrente de polarização varie de 1mA à
13mA.
• O que poderia ser feito para que a chave apresenta-se um desempenho
melhor? Implemente a sua sugestão e calcule as novas atenuações.
50 Ω
50 Ω
D1
100