Design de circuitos de RF

Design de Circuitos de RF

1-Introdução

O mercado das comunicações sem fio, se expande para dimensões inimagináveis. Dispositivos como pagers, telefones celulares e sem fio, modems de cabo, e tags de identificação (RFID) estão entrando rapidamente em todos os aspectos de nossas vidas, evoluindo de artigos de luxo para ferramentas indispensáveis.

Figura 1- Etiqueta RFID

Figura 2- Estação Móvel

As vendas mundiais anuais de telefones celulares ultrapassou a muito tempo a marca de 2,5 bilhões de unidades. Com 4,5 milhões de clientes, as redes de satélites domésticos (tv por assinatura :. Ex: SKY) compreendem uma indústria de 3,5 bilhões de dólares. O sistema de posicionamento global (GPS) representa um mercado de 5 bilhões de dólares. As estatísticas são esmagadoras.

Figura 3- GPS

O projeto de circuitos de RF é o único que se baseia em muitas disciplinas não relacionadas com circuitos integrados (CI's). A base de conhecimento RF cresceu por quase um século e trouxe consigo a criação de um corpo aparentemente interminável de literatura para o novato neste tema.

A tecnologia sem fio veio a existência quando, em 1901, Guglielmo Marconi transmitira com sucesso sinais de rádio através do Oceano Atlântico. As conseqüências e perspectivas desta demonstração foram simplesmente avassaladora, a possibilidade de substituição do meio guiado para as comunicações telegráficas e telefônicas pela transmissão de ondas através do "éter" retratou um futuro excitante. No entanto, enquanto duas vias de comunicação sem fio se materializou para aplicações militares, conversas de duas vias de telefone ainda passaram por cima de fios por muitas décadas, devido ao alto custo e grande dimensão dos transmissores de RF.

A invenção do transistor, o desenvolvimento da teoria da informação de Shannon, e a concepção do sistema celular nos laboratórios Bell, pavimentou o caminho para menores dimensões dos dispositivos e preços acessíveis.

"Este telefone utiliza modulação GFSK com acesso a rede por DECT¹-TDMA/TDD com detecção zero-IF I/Q²'', disse o engenheiro." Como podemos modificá-lo para trabalhar com DCS1800³ bem", perguntou o gerente. "Nós precisamos adicionar um duplexador pelo menos, um LO mais com mistura SSB e provavelmente, dois filtros SAW", respondeu o engenheiro ...

Os circuitos de RF de telefones móveis ficaram muito mais complicados do que costumavam ser. Os não especializados no tema, que utilizam um telefone celular (telemóvel) para realizar chamadas, provavelmente não sabem que centenas de cientistas e engenheiros trabalharam durante quase um século para tornar a tecnologia sem fio acessível. Eles também não sabem que há mais poder de computação nestes telefones do que em alguns dos primeiros computadores pessoais.

¹É um conjunto de requisitos, protocolos e mensagens que fornecem implementadores com a capacidade de criar perfis de acesso à rede (subconjuntos de protocolo) para ser capaz de acessar praticamente qualquer tipo de rede de telecomunicações. Mais informações

²Amplitude e Fase podem ser moduladas simultaneamente, mas esta modulação é difícil de ser gerada, e especialmente difícil de detectar. Em vez disso, em sistemas práticos, o sinal é dividido em outro conjunto de componentes independentes: I(em Fase) e Q(em Quadratura). Estes componentes são ortogonal e não interferem uns com os outros. Mais informações

³Padrão do Sistema GSM. Mais informações

Figura 4- RF section of a cellphone

1.1 Gargalos no Projeto de Circuitos de RF

Os telefones de bolso hoje possuem mais de um milhão de transistores, e apenas uma pequena fração destes operam na faixa de RF, o restante em opera em baixa freqüência "baseband" analógica e  no processamento de sinais digitais.

Figura 5- Blocos de processamento de RF e baseband  em um transceptor.

Em outras palavras, a secção de banda base é, em termos do número de dispositivos, várias ordens de magnitude mais complexa do que a do circuito da figura 4, mas a seção de RF ainda é o gargalo de design de todo o sistema. Este fato acontece basicamente por duas razões:

• Campo Multidisciplinar: em contraste com outros tipos de circuitos analógicos e de sinal misto(analógico e digital), sistemas RF exigem um bom conhecimento de muitas áreas que não estão diretamente relacionadas com circuitos integrados (CI's). Mostrado na figura 6, a maior parte dessas áreas têm sido estudadas extensivamente por mais de meio século, o que torna difícil para um designer de CI's adquirir o conhecimento necessário em um período razoável de tempo. Devido a este problema, o projeto de sistemas sem fio tradicionais foram realizados em níveis um pouco desconexos de abstração; teóricos da comunicação criaram o esquema de modulação e do processamento do sinal; especialistas em sistemas de RF planejam a arquitetura do transceptor; IC designers desenvolvem cada um dos blocos de construção, e fabricantes "colam" o ICs e outros componentes externos juntos. Na verdade, as arquiteturas são muitas vezes planejadas de acordo com componentes e ICs disponíveis off-chip, os quais são projetados para servir tantas arquiteturas  quanto possível, levando a uma grande quantidade de redundância no sistema e níveis de circuito, resultando em níveis mais elevados de consumo de energia e desempenho inferior. 

Figura 6- Requisitos para RF Circuit Design

• Um hexágono para projetos de circuito de RF: Os circuitos de RF devem processar sinais analógicos com uma ampla faixa dinâmica em altas frequências. É interessante notar que os sinais devem ser tratados como analógicos mesmo se a modulação é digital ou a amplitude não carregara informação. Os trade-offs¹ envolvidos no projeto de tais circuitos podem ser resumidos no termo "RF design hexagon" como mostrado na figura 7, onde quase quaisquer dois dos seis parâmetros comerciais de componentes, possuem alguma relação um com o outro. Enquanto os circuitos digitais são diretamente beneficiados com os avanços na tecnologia de CI's, circuitos de RF nem tanto. Esse problema é agravado pelo fato de que muitas vezes estes circuitos exigem componentes de RF externos, por exemplo, indutores que são difíceis de levar para o chip, mesmo com os modernos processos de fabricação de ICs.

Figura 7- trade-offs¹ envolvidos no projeto de RF

Mais recentemente, como a indústria se move para uma maior integração e menor custo, o design de circuitos de RF exige cada vez mais "engenharia simultânea", assim IC designers da indústria e academia unem as forças, para ter um conhecimento suficiente e integrado de todas as disciplinas.

¹Relação custo x beneficio. Mais Informações

1.2 VLSI and IC's para circuitos de RF

Técnicas de projeto de circuitos de RF são, assim altamente sensíveis à física dos dispositivos, e assim as características analógicas da tecnologia digital VLSI é de preocupação primordial. Um dos desafios principais está na implementação destes circuitos em IC's em vez de PCB's, oferecendo vantagens que incluem custo de produção inferior, funcionalidade alta, tamanho físico pequeno, alta estabilidade e baixa exigência de potencia de alimentação. Se torna agora muito necessário alcançar coordenação melhor entre o "projeto do sistema" e o "projeto do circuito de RF.

Alguns anos atrás tecnologia de arsenieto de Gálio (GaAs) era a primeira escolha de semicondutor para implementar IC's de RF devido a sua baixa figura de ruido, ganho mais alto e maior potencia de saída  Avanços na tecnologia CMOS sub-micron de silício, têm tornado possível obter níveis mais elevados de integração do sistema de RF com menor custo do que com a GaAs, predominantemente para aplicações sem fio de baixa largura (em GHz) de banda. Os outros benefícios de RF CMOS circuits são a fácil fabricação em larga escala e requisitos de energia minimizado para cargas off-chip.

Figura 8- RF CMOS Circuit

Enquanto transceptores integrados de silício BJT são ainda mais desejáveis para os produtos de hoje, soluções de circuitos de RF utilizando tecnologia CMOS apresentam uma realidade com uma perspectiva promissora para um transceptor de chip único, numa embalagem de plástico, como mostra a figura 8. Esta competição de tecnologias, oferece aos designers de sistema oportunidades mais criativas, e o melhoramento das soluções de transceptores sem fio pode fazer com que o projeto do sistema evolua junto com a arquitetura, circuitos, antenas, e os planos de alocação de frequencia. No futuro, o processamento de sinais em banda base inevitavelmente irá compensar as imperfeições no front-end¹, por exemplo, com software de rádio.

¹Num receptor de rádio, a extremidade frontal (RF front-end) é um termo genérico para todos os circuitos entre a antena e a primeira frequência intermédia (IF). Mais Informações

1.3 Sistemas de RF analógico e digital

Para obter uma visão geral e preliminar de transceptores sem fio, primeiro considere a simples arquitetura "analógica" mostrado na figura 9:

Figura 9- Analog RF system. (a)Transmissor. (b)Receptor

No transmissor [figura 9(a)], o sinal gerado pelo microfone modula uma portadora de alta frequência, e o resultado é amplificado e "bufferizado" de modo a dirigir-se a antena.

No receptor [figura 9(b)], o sinal é amplificado por um amplificador de baixo ruído (LNA), o espectro é transladado para uma frequência mais baixa por um "downconverter" (em geral, um misturador) para facilitar a demodulação posterior, e a saída demodulada é amplificada e entregue ao alto falante.

Considere agora o transceptor digital mostrado na figura 10:

Figura 10- Digital RF system. (a)transmissor. (b)receptor

Aqui, o sinal de voz é primeiro digitalizado por um conversor analógico-para-digital (ADC) e comprimido para reduzir a taxa de bits e, portanto, a largura de banda necessária [Figura 10(a)]. Em seguida, os dados sofrem uma codificação e uma intercalação (colocar os bits em sequencia). Estas duas funções formatam os dados de tal forma que o receptor pode detectar e minimizar erros, executando as operações inversas. Uma vez que os pulsos retangulares não são geralmente bons para executar a modulação direta, os dados são "shaped¹" antes de serem aplicados ao modulador e no amplificador de potência (PA).

¹Em eletrônica e telecomunicações, “shaped” é o processo de mudar a forma de onda de pulsos transmitidos. O seu objetivo é fazer com que o sinal transmitido mais adequado para a sua finalidade, ou o canal de comunicação , tipicamente através da limitação da eficácia da largura de banda da transmissão. Ao filtrar os pulsos transmitidos desta forma, a interferência entre símbolos causada pelo canal pode ser mantido sob controle. Em comunicação RF, pulso moldar é essencial para fazer o ajuste de sinal em sua faixa de frequência. Mais Informações

No receptor [figura 10(b)], o sinal é amplificado, transladado em frequência pelo downconverter e digitalizado. Subsequentemente, a demodulação, igualação, decodificação e desintercalação, e descompressão são executadas no domínio digital. Os dados resultantes são depois convertidos para a forma analógica por um conversor digital-para-analógico (DAC), amplificado e aplicado ao alto-falante.

O desempenho de tais receptores pode ser quantificado em termos da distância máxima através da qual eles operam enquanto provendo uma recepção satisfatória. Isto é determinado pela potencia entregue à antena e a sensibilidade do receptor, em particular o ruído do LNA. No entanto, num ambiente real, muitos receptores diferentes operam simultaneamente, muitas vezes em com estreita proximidade, interferindo assim com os outros. Além disso, o meio de comunicação é bastante complexo: reflexões em edifícios e outros obstáculos podem resultar em interferência destrutiva num dado ponto, suprimir a força do sinal recebido a níveis indetectáveis. Num ambiente assim, o processamento de sinal no receptor digital, atinge um desempenho mais elevado do que o do sistema analógico.

Olhando para os dois emissores-receptores das figuras 9 e 10, o leitor pode se perguntar: quais partes estão relacionados à eletrônica de RF?. A definição exata de RF depende do sistema, mas geralmente considere o sinal no domínio RF se é analógico e seu espectro não está centrado em torno da frequência zero. Isto indica que na figura 9 todos os blocos de construção exceto o amplificador de áudio são circuitos de RF. Do mesmo modo, na figura 10, o modulador, o PA, o LNA , e o downconverter.

A moderna eletrônica dos RF systems, no entanto, inclui muito mais do que o projeto de construção de tais blocos, por exemplo, as relações custo-benefício ao nível do sistema devem ser cuidadosamente estudadas em cada caso.

2 Conceitos básicos em RF Circuits Design

Com o aumento da frequência e do comprimento de onda de operação destes circuitos, as ondas eletromagnéticas ficam comparáveis às dimensões dos componentes discretos como os resistores, os capacitores e os indutores, estes componentes então, começam a divergir nas respostas elétricas do comportamento de frequência ideal.

As leis convencionais de Kirchhoff e as ferramentas de análise atuais, como apresentado ao estudante universitário de engenharia para circuitos elétricos de baixa frequência, falham quando aplicadas a circuitos governados pela propagação de ondas eletromagnéticas, como os circuitos que operam nas frequências de rádio (RF) e de microondas (MW). As perguntas são evidentemente:

A que frequência superior se torna a análise de circuito convencional impróprio?

• Que características fazem com que o comportamento de alta frequência destes componentes elétricos, seja tão diferente do comportamento destes em baixa frequência?

•  Que "nova" teoria de circuito tem que ser empregada?

• Como esta teoria é aplicada ao desígnio prático de circuitos analógicos de alta frequência?

Vamos examinar o sistema de RF genérico mostrado na figura 11:

Figura 11- Generic RF System

Aplicações típicas desta configuração são telefones celulares e redes de área locais sem fios (WLANs). O diagrama em bloco na figura 11 pode ser chamado de transceptor, desde que incorpore os circuitos do transmissor e do receptor e utilize uma única antena para comunicação. Nesta configuração é processado primeiro digitalmente o sinal de entrada (uma voz ou um sinal digital de um computador). Se o sinal de entrada é um sinal de voz, como é o caso em telefones celulares, é convertido primeiro em forma digital; então comprimido para reduzir o tempo de transmissão; e finalmente apropriadamente codificado para suprimir o ruído e erros de comunicação.

Depois que o sinal de entrada for digitalmente pré-processado, é convertido por um conversor digital-para-analógico (DAC). Este sinal de baixa frequência será misturado com um sinal portador de alta frequência provido por um oscilador de local. O sinal combinado é amplificado subsequentemente por um amplificador de potencia (PA) e então dirigido à antena cuja tarefa é radiar a informação codificada como ondas eletromagnéticas através do espaço livre.

No diagrama de bloco da figura 11 vamos focalizar no PA do transmissor. Este poderia ser um PA operando em 2GHz, para telefones celulares que podem ser implementados como um amplificador de estagio duplo.

Detalhes do esquema do primeiro estágio do PA são mostrados na figura l2:

Figura 12- Diagrama simplificado do circuito do primeiro estágio de um PA à 2GHz de um telefone celular.

Percebe-se que o sinal de entrada é alimentado através de um capacitor de bloqueio de DC para uma rede de entrada correspondente, que se faz necessária para corresponder à impedância de entrada do transistor (BFG425W da Philips Semiconductors), operando em configuração de emissor comum, para a impedância de saída do misturador que precede o PA.

A correspondência (“casamento de impedância”) é necessária para assegurar a transferência máxima de potencia, assim como para eliminar a degradação de desempenho causada pelas reflexões.

A rede de correspondência inter-estágios deve, então, corresponder à impedância de saída do transistor com a impedância de entrada da segunda etapa do PA.

Os componentes “chave” das redes de correspondência, são as linhas microstrip mostradas na figura 12 como retângulos sombreados. Em alta frequência estes elementos distribuídos exibem propriedades elétricas sem igual que diferem significativamente dos elementos concentrados de circuitos de baixa frequência.

Pode-se perceber também redes adicionais para controlar as portas de entrada e de saída do transistor. A separação de sinais de alta frequência da DC é alcançada por duas redes de bloqueio de RF que utilizam indutores de frequência de rádio, denominados (RFCs).

A placa de circuito impresso do PA de duplo estágio é mostrada na figura 13:

Figura 13- layout da placa de circuito impresso do um PA

Note as linhas de microstrip como rastros de cobre de comprimentos e larguras específicos. Presos às linhas de microstrip estão os capacitores, os resistores e os indutores.

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Fontes:

RF Microeletronics de Behzad Razavi

Circuits and Systems for Wireless Communications de Markus Helfenstein and George S. Moschytz

RF Circuit Design Theory and Applications de Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko

Sinais e Sistemas de Simon Haykin and Barry Van Veen

Sinais e Sistemas de Alan V. Oppenheim and Alan S. Willsky

RF/Microwave Circuit Design For Wireless Applications de Ulrich L. Rohde and David P. Newkirk

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--EM CONSTRUÇÃO--

By Bruno Alves Rodrigues 

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