Neste trabalho ´e proposta uma metodologia de projeto de co-design detector- antena, de modo a permitir a otimiza¸c˜ao da performance do detector.
A figura 2.9 apresenta um fluxograma com a metodologia de projeto proposta. Inicialmente faz-se necess´aria a escolha da tecnologia, considerando os fatores mencionados na se¸c˜ao 2.2.
Ap´os a defini¸c˜ao da tecnologia, ´e escolhida a arquitetura do detector, que pode ser de detec¸c˜ao direta ou heter´odina, como mencionado na se¸c˜ao 2.1. Como os detectores heter´odinos precisam de uma fonte sintonizada, n˜ao s˜ao adequados a processos com fT baixa. Logo, se a tecnologia escolhida anteriormente n˜ao for
adequada, a detec¸c˜ao direta ´e a melhor escolha do ponto de vista da arquitetura. Neste trabalho foi proposto investigar detectores utilizando MOSFET em pro-
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Figura 2.9: Fluxograma base para a metodologia de projeto de detectores com antena integrada.
cesso de fabrica¸c˜ao CMOS convencional para detec¸c˜ao direta do sinal. Esta esco- lha ´e adequada para a aplica¸c˜ao objeto deste projeto, que ´e a detec¸c˜ao por ima- gem, ou imageamento, pois permite que todos os circuitos de detec¸c˜ao, aquisi¸c˜ao, pr´e-processamento, convers˜ao anal´ogico-digital e processamento digital das ima- gens, possam ser integrados no mesmo chip. Al´em disso, o menor custo do pro- cesso CMOS pode permitir maior acesso a este tipo de aplica¸c˜ao.
Com a arquitetura definida, inicia-se o projeto dos detectores com ferramenta EDA, considerando o fluxo de projeto de circuitos integrados e utilizando mode- los de transistores que considerem o seu modelo distribu´ıdo, que ser´a melhor explicado no cap´ıtulo 3.
O ponto chave e mais importante desta metodologia de projeto ´e a consi- dera¸c˜ao acerca da extra¸c˜ao de uma impedˆancia ´otima de entrada do detector em fun¸c˜ao da antena. Considerando o projeto realizado no passo anterior, faz-se ne- cess´aria a extra¸c˜ao de uma curva de responsividade (uma das figuras de m´erito que define a performance do detector, e que ser´a melhor explicada no cap´ıtulo 3) em fun¸c˜ao da impedˆancia de entrada do detector, para que se possa projetar a antena. A extra¸c˜ao desta curva depende antes da defini¸c˜ao da polariza¸c˜ao do detector, logo, uma outra curva precisa ser extra´ıda, que ´e a da responsividade do detector em fun¸c˜ao da tens˜ao de polariza¸c˜ao. Definida a polariza¸c˜ao do detector, extrai-se a curva que servir´a para encontrar o ponto ´otimo de impedˆancia, ou seja, a impedˆancia que a antena dever´a ser projetada.
Com a impedˆancia ´otima definida, parte-se para o projeto da antena, utili- zando ferramenta de simula¸c˜ao eletromagn´etica (EM).
Ap´os o projeto da antena, avalia-se os resultados conjuntos do detector e da antena, e caso os mesmos atendam as necessidades de resposta do detector (que podem depender de uma determinada aplica¸c˜ao, como a responsividade do detector e a largura de banda da antena), parte-se para a fase de layout dos circuitos, simula¸c˜oes p´os-layout e finaliza¸c˜ao do chip para fabrica¸c˜ao (tape-out).
Esta metodologia de projeto pode servir como base para projetos comerciais que se utilizam atualmente de ferramentas EDA e EM com um fluxo de projeto de circuitos integrados de r´adiofrequˆencia e microondas.
O cap´ıtulo a seguir detalha os circuitos utilizados para a detec¸c˜ao do sinal em terahertz, bem como, apresenta a sua an´alise te´orica.
3
Circuito para Detec¸c˜ao de
Ondas Submilim´etricas
Este cap´ıtulo apresenta os circuitos utilizados para detec¸c˜ao de sinais nas frequˆencias de terahertz. Inicialmente ´e apresentada uma breve introdu¸c˜ao aos circuitos utilizados e uma an´alise te´orica, para em seguida ser mostrado o projeto dos detectores e do arranjo de detectores desenvolvido.
3.1
Detectores a MOSFET
Os detectores a MOSFET utilizados para operar nas frequˆencias em terahertz s˜ao detectores de potˆencia que operam no modo resistivo n˜ao-quasi-est´atico [49]. Este princ´ıpio de detec¸c˜ao funciona em frequˆencias muito al´em da frequˆencia de transi¸cˆao fT do processo CMOS.
A figura 3.1 apresenta um transistor MOSFET na configura¸c˜ao de detector, com gate acoplado ao sinal de terahertz.
Figura 3.1: Transistor MOS em configura¸c˜ao de detector quadr´atico.
Note que, com este princ´ıpio de funcionamento, o mesmo sinal ´e aplicado a porta e ao dreno do transistor, o que o torna um detector direto, hom´odino ou n˜ao-coerente.
Neste tipo de detector, a condutˆancia de dreno-fonte Gds do transistor ´e
se um segundo sinal Vds e extra´ındo-se a corrente de dreno ID. Como a corrente
de dreno (dependente do tempo) em triodo pode ser escrita como
id(t) = vds(t)Gds(t) (3.1)
a mistura dos sinais ´e obtida com uma multiplica¸c˜ao direta dos mesmos. A condutˆancia do canal pode ser aproximada por
Gds =
W
LµCox(vgs− Vth− vds/2) (3.2) onde W e L s˜ao a largura e o comprimento do canal, respectivamente, Cox
´e a capacitˆancia do ´oxido, µ ´e a mobilidade, e Vth ´e a tens˜ao de threshold do
transistor.
Neste caso do detector direto, com o sinal vRF = VRFsin(ωt) aplicado, do
gate pro dreno do dispositivo, temos
vgs− Vg = vRF = vds (3.3)
logo, a corrente detectada ID ´e dada pela equa¸c˜ao 3.4
ID = W LµCox V2 RF 4 (3.4)
Esta conclus˜ao, dada pela equa¸c˜ao 3.4, ´e baseada na an´alise em regime quasi- est´atico, que ´e v´alida para frequˆencias inferiores a frequˆencia de transi¸c˜ao fT do
processo de fabrica¸c˜ao. No regime quasi-est´atico, com uma an´alise em fun¸c˜ao da frequˆencia, a corrente ID tenderia a cair ap´os fT, devido ao aumento da influˆencia
das reatˆancias parasitas e resistˆencias. Por´em, a an´alise no regime n˜ao-quasi- est´atico mostra que a detec¸c˜ao do sinal ID neste tipo de detector ´e poss´ıvel, mesmo
em frequˆencias bem ac´ıma de fT, como nas frequˆencias na faixa de terahertz.
Uma an´alise mais detalhada do funcionamento deste detector em frequˆencias de terahertz ´e feita na se¸c˜ao seguinte.