Elektronski fakultet u NišuKatedra za Mikroelektroniku

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

PREDAVANJA - IV semestar

Prof. dr Ivica Manić

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

UVODPRENOSNI VODOVIPRENOSNI VODOVI

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

UVOD

Telekomunikacije – oblast ljudske delatnosti čiji je osnovni zadatak prenos podataka (tekst, zvuk, slika) između dva ili više korisnika

Podaci se obično prenose u vidu električnih signala ili elektromagnetnih talasa različitih frekvencija

Opseg frekvencija signala koje koriste uređaji za telekomunikacije veoma je širok, od nekoliko desetina kHz do par stotina GHz, pri čemu se talasne dužine menjaju u opsegu od hiljadu metara dočemu se talasne dužine menjaju u opsegu od hiljadu metara do jednog milimetra

Više frekvencije omogućavaju brži prenos i manju potrošnju → trendViše frekvencije omogućavaju brži prenos i manju potrošnju → trend u savremenim telekomunikacijama je pomeranje ka sve višim frekvencijama → mikrotalasno područje veoma značajno

Elektromagnetni talasni spektar

Mikrotalasno područje: 500 MHz 20 GHzMikrotalasno područje: 500 MHz – 20 GHz300 MHz – 300 GHz

Dekadna podela talasnih opsega

Mikrotalasno 500 MHz – 20 GHzpodručje 300 MHz – 300 GHz

U elektronskim kolima za rad u mikrotalasnom području ne mogu se koristiti konvencionalne diskretne pasivne komponente (ugljeni i žični otpornici, liskunski kondenzatori motani kalemovi) Umesto njih razvijena suliskunski kondenzatori, motani kalemovi). Umesto njih razvijena su štampana kola u kojima se koriste raspodeljene otpornosti i induktivnosti tankih metalnih linija i kapacitivnosti tankih dielektričnih slojeva.

Skin efekat – prenos energije na visokim frekvencijama odvija se samo u tankom spoljašnjem sloju provodnika. Javlja se kao posledica induktivne reaktanse (XL= ωL), koja postaje velika na visokim frekvencijama i deluje poput centrifugalne sile koja sprečava prodor energije dublje u provodnik.

Ski d th d bi d k j ik t l ij di d ikSkin depth – dubina do koje mikrotalasna energija prodire u provodnikTipične vrednosti na 10 GHz: aluminijum 0.79 µm

bakar 0.63 µmsrebro 0 58 µmsrebro 0.58 µmzlato 0.48 µm

Debljina sloja bakra na ploči sa mikrotalasnim kolima je tipično oko 35 µm

Upotreba kružnih provodnika i komponenata sa kružnim izvodima u mikro-talasnim kolima je besmislena zbog skin efekta. Zato se na mikrotalasnim komponentama mogu videti planarni (trakasti) izvodi ili izvode čine lemne p g p ( )oblasti na telu komponenata (npr. SMD tehnologija). Štaviše, i same komponente mikrotalasnog kola se teško uočavaju jer ova kola često nisu ni sastavljena od klasičnih diskretnih elemenata već se koriste otpornosti, kapacitivnosti i induktivnosti tankih slojeva raspoređenih po površini štampane ploče (raspodeljeni elementi).

Specifični termini (izrazi)

• Decibel (dB) relativni odnos dve snage (izlazne i ulazne) ili napona• Decibel (dB) - relativni odnos dve snage (izlazne i ulazne) ili napona, koji može biti pozitivan (gain – pojačanje, dobitak) ili negativan (loss –slabljenje, gubitak).

P V;log10in

out

PPG = ][log20 dB

VVG

in

out=

• Decibel u odnosu na mW (dBm) – broj koji pokazuje koliko je data ( )snaga veća ili manja u odnosu na referentnu snagu od 1 mW

][1

log10 dBmmWPPdBm =

Termini dB i dBm mogu da se kombinuju i koriste zajedno

• Karakteristična impedansa – impedansa koja određuje protok visoko-frekventne energije u sistemu ili kroz prenosni vod. Karakteristična impedansa nije statički (dc) već dinamički (ac) parametar, tj. karakteristična p j ( ) ( ) p , jimpedansa je dinamička impedansa koja se javlja u sistemu ili prenosnom vodu na frekvenciji za koju je on projektovan da radi.

Karakteristična impedansa je konstanta za dati sistem ili prenosni vod štoKarakteristična impedansa je konstanta za dati sistem ili prenosni vod, što znači da ona ima istu vrednost na ulazu u sistem ili vod kao i na udaljenosti od 30 cm, 1m ili 1 km od ulaza.

U visokofrekventnim aplikacijama najčešće se koristi karakterističnaimpedansa od 50 Ω zato što ta vrednost predstavlja kompromis izmeđui d i k j j i t ili d j fik ij i (30 Ω) i iimpedanse pri kojoj sistem ili vod najefikasnije prenosi snagu (30 Ω) i one prikojoj je slabljenje u sistemu ili vodu minimalno (77 Ω).

• Odnos stojećeg talasa napona - VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) – brojni odnos koji zavisi od vrednosti impedanse opterećenja na izlazu prenosnog voda u poređenju sa karakterističnom impedansom tog prenosnog voda. Takođe, VSWR je i odnos ulazne impedanse nekog uređaja i izlazne impedanse uređaja koji njime upravlja.

Stojeći talas nastaje interferencijom dva ravanskatalasa istih amplituda i istih talasnih dužina ifrekvencija, koji se prostiru u istom pravcu, ali usuprotnim smerovima. U mikrotalasnom vodustojeći talas se javlja usled interferencije između incidentnog i reflektovanog talasa zbog neusklađenih impedansi voda i opterećenja na njegovom izlazu. Što je veća razlika između ovih impedansi to je amplituda stojećeg talasa veća, pa je i VSWR veći.

Najbolja vrednost VSWR je 1:1 i dobija se u slučaju idealnog prilagođenja, kada su impedanse dva sistema jednake, tako da nema refleksije signala nazad ka izvoru. Amplituda stojećeg talasa u tom slučaju jednaka je nuli.

Slučajevi drastičnog neprilagođenja, kao što su otvoreno kolo (prekid) ili kratak spoj u kolu, odlikuju se prisustvom stojećeg talasa velike amplitude i velikim vrednostima VSWR.

• Povratni gubitak – snaga reflektovanog signala izražena u decibelima u odnosu na snagu incidentnog signala

U slučaju idealnog prilagođenja između prenosnog voda i opterećenja na njegovom izlazu, reflektuje se signal vrlo male snage, pa odnos nivoa reflektovanog i incidentnog signala daje vrlo veliki negativan broj decibela.

U slučajevima prekida ili kratkog spoja u kolu, reflektuje se praktično celokupan signal, pa je odnos reflektovanog i ulaznog nivoa približno jednak jedinici, što izraženo u dB predstavlja vrlo mali negativan broj (približno 0 dB) j , p j g j (p )

• Koeficijent refleksije, Γ (ρ) – odnos između reflektovane i ulazne snage usled neprilagođenja na kraju prenosnog voda, ili na ulazu ili na izlazusnage usled neprilagođenja na kraju prenosnog voda, ili na ulazu ili na izlazu kola, izražen kao broj u opsegu od 0 do 1 (ili u procentima od 0% do 100%) .

U slučaju idealnog prilagođenja Γ = 0 (0%), a u slučajevima drastičnog neprilagođenja (prekid ili kratak spoj) Γ = 1 (100%)neprilagođenja (prekid ili kratak spoj) Γ = 1 (100%)

• Talasna dužina, frekvencija

• Kratak spoj, prekid

• Bežične komunikacije

• TDMA (Time Division Multiple Access) - Višestruki pristup sa vremenskom podelom – šema rada bežičnog sistema po kojoj se svakoj baznoj stanici (svakom kanalu) pojedinačno dodeljuje određen vremenski period u kome može da radi (emituje i prima signal). Vremenski periodi dodeljeni pojedinim stanicama (kanalima) razdvojeni su kratkim vremenskim i t li k ji i j d d t i (k l ) di d ti Sintervalima u kojima ni jedna od stanica (kanala) ne radi – guard time. Sve stanice (kanali) dok rade koriste ceo frekventni opseg.

TDMA FDMA

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) - Višestruki pristup sa frekventnom podelom – šema rada bežičnog sistema po kojoj su sve bazne stanice (kanali) aktivne sve vreme, ali se svakoj stanici (kanalu) pojedinačno dodeljuje određen frekventni opseg u kome može da radi (emituje i prima i l) F k i i d d lj i j di i i (k li )signal). Frekventni opsezi dodeljeni pojedinim stanicama (kanalima)

razdvojeni su uskim frekventnim opsezima u kojima ni jedna od stanica (kanal) ne radi – guard frequency.

• CDMA (Code Division Multiple Access) - Višestruki pristup sa podelom šifara – šema rada bežičnog sistema po kojoj se svakom korisniku pojedinačno dodeljuje specifična šifra, odnosno opseg u frekventno-vremenskom domenu (tzv. čip – odsečak). U principu, odašiljač moduliše signal koji šalje pomoću pseudoslučajne šifre, tako da taj signal mogu da

i i d d liš i k i i i k ji d j t i t šif O kprime i demodulišu samo oni korisnici koji poseduju tu istu šifru. Ovakav sistem je osnova za bezbednu komunikaciju između korisnika savremene mobilne telefonije.

CDMA

U većini savremenih aplikacija koriste se FDMA i CDMA načini rada

Radio i TV 100 kHz – 500 MHzMobilna telefonija 800 MHz – 900 MHzPCS 1 85 GHz 1 99 GHzPCS 1.85 GHz – 1.99 GHzWLAN 902 – 928 MHz; 2.4 – 2.435 Ghz; 5.725 – 5.85 GHz

PRENOSNI VODOVI

• Prenosni vod (transmisiona linija)– komponenta koja efikasno vršiprenos energije od jedne do druge tačkePod pojmom efikasnog prenosa energije u vodu podrazumevamo minimalnePod pojmom efikasnog prenosa energije u vodu podrazumevamo minimalnegubitke u samom prenosnom vodu i minimalnu refleksiju sa izlaza voda.

Vrste prenosnih vodova prema načinu prostiranja talasa:1) Transverzalni elektromagnetni (TEM) vodovi – prenose samo TEM talase

dvožični vodovi (paralelnidvožični vodovi (paralelniprovodnici kružnog p.p.), koaksijalni vodovi,planarni vodovi (strip linijeplanarni vodovi (strip linije,mikrostrip, koplanarni tala-sovodi) Ilustracija TEM talasa u koaksijalnom vodu

2) Vodovi višeg reda – prenose talase koji sadrže i longitudinalnu komponentupravougaoni talasovodi, optička vlakna

Najčešće korišćene vrste prenosnih vodova

Efekti prenosnog voda na signal:

1. Fazni pomeraj signala ftVtVV gAA πωω 2,cos)( 0' === g

λππωφφω

ωlflltVV

cltVcltVV

BB

AABB

22),cos(

)]/(cos[)/(

000'

0''

===−=

−=−=

λccBB 000

80'

99459999999999015)1

/1032cos0

VVkHfl

smccflVVt BB ×===

π

l /λ0'

0'

0'

50046.01,5)3914.01,20)2

99459999999999.01,5)1

VVGHzfcmlVVkHzfkml

VVkHzfcml

BB

BB

BB

======

===

Ovaj efekat postaje značajan kada je odnos l /λ ≥ 0.001

2 Efekat disperzije Deformacija signala usled2. Efekat disperzije - Deformacija signala usled razlike u brzinama prostiranja signala različitihfrekvencija Fourier ovom analizom pokazuje se da povorkaFourier-ovom analizom pokazuje se da povorkapravougaonih impulsa može da se generiše iz višesinusoidalnih signala različitih frekvencija

U RF i mikrotalasnom području klasični dvožični vodovi sa provodnicima kružnog poprečnog preseka ne mogu da zadovolje kriterijume vezane za g p p g p g j jefikasnost prenosa energije, pre svega zbog skin efekta, kao i zbog gubitaka koji se na tim frekvencijama javljaju u samom provodniku i usled zračenja.

Sa porastom frekvencije postaje sve teže i skuplje nadoknaditi gubitkeSa porastom frekvencije postaje sve teže i skuplje nadoknaditi gubitke nastale u prenosnom vodu, pa su zato za aplikacije u RF i mikrotalasnom području potrebni efikasni prenosni vodovi sa malim gubicima.

→ na višim frekvencijama umesto dvožičnih vodova koriste se koaksijalni i→ na višim frekvencijama, umesto dvožičnih vodova, koriste se koaksijalni i planarni vodovi, od kojih najširu primenu imaju mikrostrip linije

Uticaji otpornost i, induktivnosti i kapacitivnosti provodnika, kao i provodnosti izolacije, u klasičnoj analizi električnih i elektronskih kola su zanemarljivi. Međutim, ovi uticaji ne mogu se zanemariti u slučaju prenosnih vodova, što pogotovo važi u slučaju da vod prenosi signale visokih frekvencija. Prenosni vod se prilikom analize predstavlja modelom raspodeljenih elemenata, što podrazumeva podelu na veći broj elementarnih sekcija dužine Δz, pri čemu

k k ij j j d j ći k i l t i k lse svaka sekcija zamenjuje odgovarajućim ekvivalentnim kolom.

Vrednosti pojedinih od 4 parametara označena na šemi (R’, L’, C’, G’) navode se u odgovarajućim jedinicama po jedinici dužine, a sami parametri u nazivu sadrže epitet “podužna” (podužna otpornost, podužna induktivnost, podužna kapacitivnost, podužna provodnost)

Osim navedenih parametara, značajne su i karakteristike materijala od koga je izrađena izolacija u prenosnom vodu, kao što su njegova dielektrična konstanta, ε, i permeabilnost, μ

• Podužna otpornost, R’ (Ω/m) – karakteristika svakog provodnika je da pruža otpor proticanju struje, usled čega se na provodniku (tj. na otpornosti provodnika) stvara pad napona u skladu sa Omovim zakonom a rezultat suprovodnika) stvara pad napona u skladu sa Omovim zakonom , a rezultat su gubici u provodniku → poželjno je da R’ bude malo

• Podužna induktivnost, L’ (µH/m) – posledica pojave indukovane EMS usled proticanja nai menične str je kro pro odnik Ind kti na reaktansa (X ’ L’)proticanja naizmenične struje kroz provodnik. Induktivna reaktansa (XL’= ωL’), koja je omski rezultat induktivnosti, raste sa porastom frekvencije i može dovesti do problema u visoko-frekventnim kolima → poželjno da L’ bude malo

• Podužna kapacitivnost, C' (µF/m) – posledica prisustva kondenzatorske strukture koja se formira između dva provodnika prenosnog voda (obloge kondenzatora) međusobno razdvojena dielektričnim materijalom ili vazduhom Kapacitivna reaktansa (X ’=1/ωC’) koja je omski rezultatvazduhom. Kapacitivna reaktansa (XC’=1/ωC’), koja je omski rezultat kapacitivnosti, opada sa porastom frekvencije, što znači da pri dovoljno visokim frekvencijama signal iz glavnog provodnika može da bude kratko-spojen sa uzemljenim provodnikom (ili štitom) → poželjno da C’ bude malospojen sa uzemljenim provodnikom (ili štitom) → poželjno da C bude malo

• Podužna provodnost, G’ (S/m) – posledica činjenice da otpornost dielektričnog sloja ili vazduha između dva provodnika koji čine prenosni vod nije beskonačno velika Provodnost dielektričnih materijala koji se koriste unije beskonačno velika. Provodnost dielektričnih materijala koji se koriste u vodovima je obično veoma mala, ali konačna i dovodi do curenja između dva provodnika, čime se gubi deo signala u vodu.

Parametri ekvivalentnih kola TEM prenosnih vodova

a, b, d, D, w, h – dimenzije označene na slajdu koji ilustruje vrste prenosnih vodovaμc, σc – permeabilnost i specifična provodnost provodnika prenosnog vodaμ, ε, σ – permeabilnost, dielektrična konstanta i specifična provodnost izolacionog materijala između provodnika prenosnog voda

Kombinovanjem odgovarajućih izraza za pojedine parametre iz prethodne tabele, može se pokazati da za sve TEM prenosne vodove važe relacije:tabe e, o e se po a at da a s e p e os e odo e a e e ac je

με=''CLεσ=

''

CG

Primenom Kirchhoff-ovih zakona na ekvivalentno kolo elementarne sekcije prenosnog voda mogu se izvesti diferencijalne jednačine koje opisuju napon naprenosnog voda mogu se izvesti diferencijalne jednačine koje opisuju napon na krajevima prenosnog voda i struju kroz vod u funkciji vremena t i položaja z :

Jednačine telegrafičara:

ttziLtziR

ztzv

∂∂+=

∂∂− ),('),('),(

ttzvCtzvG

ztzi

∂∂+=

∂∂− ),('),('),(

U opštem slučaju, kroz prenosni vod prostiru se dva talasa, i to:

Incidentni talas (V + I +) γz u smeru- Incidentni talas (V0+, I0+)e-γz u smeruod izvora ka potrošaču - Reflektovani talas (V0-, I0-)eγz u smeruod potrošača ka izvoruod potrošača ka izvoru,

gde je γ=α+jβ tzv. kompleksna konstanta prostiranja prenosnog voda (α – konstanta slabljenja [Np/m], β – fazna konstanta [rad/m]).

Odnos amplituda napona i struje incidentnog talasa, V0+/I0+, jednak je negativnoj vrednosti odnosa amplituda napona i struje reflektovanog talasa, -V0-/I0-, a ovi odnosi poznati su pod nazivom karakteristična impedansa prenosnog voda, Z0:

V0+/I0+ = -V0-/I0- = Z0 [Ω]

Kompleksna konstanta prostiranja i karakteristična impedansa su parametri koji u potpunosti karakterišu prostiranje talasa kroz prenosni vod a mogu se izrazitiu potpunosti karakterišu prostiranje talasa kroz prenosni vod, a mogu se izraziti u funkciji podužnih parametara voda kao:

)'')(''( CjGLjR ωωγ ++=

''''''

0 CjGLjRLjRZ

ωω

γω

++=+=

Incidentni talas i reflektovani talas prostiru se kroz prenosni vod u suprotnim smerovima ali istom faznom brzinom u :smerovima, ali istom faznom brzinom, up:

βωλ == fu p

Prisustvo dva talasa istih talasnih dužina u prenosnom vodu, koji se prostiru u suprotnim smerovima, rezultuje formiranjem tzv. stojećeg talasa u vodu.

Idealan prenosni vod : R’=0, G’=0(vod bez gubitaka)(vod bez gubitaka)

Niskopojasni filtar - potpuno propušta sve signale čija je frekvencija niža od tzv. granične frekvencije, a ne propušta signale sa frekvencijom višom od granične.granične frekvencije, a ne propušta signale sa frekvencijom višom od granične.

U slučaju voda bez gubitaka (s obzirom na R’=0, G’=0) važe i relacije:

cuL λω 111'

rr

pp f

cf

uCL

uCLZCL

ελ

ελ

μεβωμεωωβα 00

1;1''

1;'

;'';0 ==========

Karakteristični parametri prenosnih vodovaKarakteristični parametri prenosnih vodova

Rad na frekvencijama iznad granične rezultuje mnogo većim gubicima u vodu nego rad u odgovarajućem frekventnom opsegu, pa je zato za svaku primenu

ž i b ti i d d k t ih f k t ih k kt i tikveoma važno izabrati prenosni vod adekvatnih frekventnih karakteristika

Uticaj prenosnog voda na električna kola koja on povezuje treba da bude minimalan.

Može se pokazati: →+−+−= 0

0

00 VZZ

ZZVL

L

ZZV −Koeficijent refleksije

Impedansa opterećenja, ZL, treba da bude što bliža karakterističnoj impedansi

0

0

0

0

ZZZZ

VV

L

L

+−==Γ +

p p j , L, j pprenosnog voda, Z0, da bi se smanjili povratni gubici usled refleksije signala

- Idealno prilagođenje: ZL=Z0 → Γ=0, VSWR=1:1 (u realnom vodu, odlično je ukoliko se postigne da VSWR bude oko1 5:1 ili 2:1)ukoliko se postigne da VSWR bude oko1.5:1 ili 2:1)- Otvoreno kolo (ZL→∞) i kratak spoj (ZL=0) predstavljaju slučajeve drastičnog neprilagođenja u kojima se celokupna energija reflektuje → Γ=1, VSWR →∞ (u realnom vodu VSWR od 10:1 ili 20:1 već ukazuje na prekid ili kratak spoj)(u realnom vodu, VSWR od 10:1 ili 20:1 već ukazuje na prekid ili kratak spoj)Kratak spoj se u analizama i merenjima mikrotalasnih kola koristi kao referentna tačka

→11

+−=Γ

VSWRVSWRΓ−=−= +

−

+

−

0

0

0

0

VV

II

0

0

0

0

ZZZZ

VV

L

L

+−==Γ +

−

↓

: │Γ│- amplituda ; θr – fazni ugao koeficijenta refleksije

1+VSWR00

rje θΓ=Γ

00 L

→11

+−=Γ

VSWRVSWRΓ−=−= +

−

+

−

0

0

0

0

VV

II

0

0

0

0

ZZZZ

VV

L

L

+−==Γ +

−

↓1+VSWR00

rje θΓ=Γ

00 L

U slučaju idealnog prilagođenja nemarefleksije → nema interferencije talasa →j jnema stojećeg talasa u vodu

U slučaju kratkog spoja reflektovani talas jefazno pomeren u odnosu na incidentni zafazno pomeren u odnosu na incidentni za180 ͦ , a u slučaju otvorenog kola dva talasasu u fazi. U oba slučaja interferencija dvatalasa je maksimalna → amplituda stojećegj p j gtalasa je maksimalna.

Periodi ponavljanja kod incidentnog i reflektovanog talasa posmatranih individual-reflektovanog talasa posmatranih individual-no su jednaki i iznose λ, a period ponavljanjastojećeg talasa je λ/2.

Koaksijalni vodovi (kablovi)Koaksijalni vod je prenosni vod koji čine dva j j p jprovodnika sa zajedničkom uzdužnom osom, pri čemu jedan provodnik potpuno okružuje drugi, a razdvaja ih sloj čvrstog dielektričnog materijala. Razdvojni dielektrični sloj (izolacija) može biti kontinualan ili u vidu prstenova periodično postavljenih između dva provodnika.

Najvažniji parametri od kojih zavise karakteri-stike koaksijalnog voda su relativna dielektrična konstanta izolacionog sloja, ε, spoljni prečnik unutrašnjeg provodnika, d, i unutrašnji prečnik spoljnog provodnika, D.Za izradu izolacionog sloja najčešće se koriste teflon (εr = 2.1), polistiren g j j ( r ), p(εr = 2.56) i polietilen (εr = 2.26). Dielektrični materijal od koga je izrađen izolacioni sloj bitan je u pogledu svojih mehaničkih i električnih karakteristika. Mehaničke karakteristike ovog sloja bitne su zato što on drži centralni (glavni) provodnik i razdvaja ga od spoljnog provodnika. Električne karakteristike bitne su zato što od vrste dielektrika zavise gubici usled curenja i brzina prostiranja elektromagnetnog talasa u vodu (što veće ε → to manja brzina prostiranja).

Parametri d (spoljni prečnik centralnog provodnika) i D (unutrašnji prečnik spoljnog provodnika, koji obično služi kao štit - oklop), odnosno njihov odnos D/d u značajnoj meri određuju najvažnije električne parametre koaksijalnogD/d, u značajnoj meri određuju najvažnije električne parametre koaksijalnog voda, kao što su karakteristična impedansa, induktivnost, kapacitivnost, slabljenje i granična frekvencija.

Primer: koaksijalni kablovi RG-58, RG-59 i RG-62 izgledaju skoroPrimer: koaksijalni kablovi RG 58, RG 59 i RG 62 izgledaju skoro identično jer su približno istih spoljnih prečnika. Međutim, ovi kablovi imaju centralne provodnike različitih debljina, što znači različite odnose D/d, pa su im i karakteristične impedanse različite (50 Ω, 75 Ω, i 93 Ω, respektivno).

Kao i svi ostali prenosni vodovi, i koaksijalni kablovi su u osnovi niskopojasni filtri, koji imaju određenu graničnu frekvenciju iznad koje ih ne treba koristiti.

Koaksijalni kablovi navedeni u gornjem primeru spadaju u tzv. fleksibilnekablove, a osim njih u upotrebi su i tzv. polurigidni (polukruti) kablovi.

Fleksibilni koaksijalni kablovi su kablovi koji se mogu savijati u različitim pravcima, pri čemu ne dolazi do prekida kabla ili bilo kakve degradacije j ih t k lik dij ij j k bl ij ji d i i lnjegovih parametara ukoliko radijus savijanja kabla nije manji od minimalnog

dozvoljenog radijusa. Pogodni su za primene u kojima je potrebno često povezivanje/razvezivanje kablova(npr istraživačke laboratorije)(npr. istraživačke laboratorije)

Fleksibilni koaksijalni kablovi sastoje se u principu iz četiri komponente: centralni provodnik (jednostruka ili višestruka uvijena vlaknasta žica), razdvojni dielektrik (obično teflon), spoljni provodnik od upletenih žičnih lakana (štit ili oklop) i spoljna koš ljicavlakana (štit ili oklop) i spoljna košuljica.

Centralni provodnik može da bude jednostruka žica ili je sačinjen od uvijene višestruke vlaknaste žice, obično bakarne. On predstavlja “vruć vod” koji prenosi signal i koji određuje vrednost induktivnosti i otpornosti u ekvivalent-prenosi signal i koji određuje vrednost induktivnosti i otpornosti u ekvivalent-nom kolu. Signal koji se prenosi je elektromagnetni, pa je struja koja protiče kompleksna, ima električnu i magnetnu komponentu, a između njih je fazna razlika od 90̊.razlika od 90. Razdvojni dielektrični sloj (obično teflon) razdvaja centralni i spoljni provodnik, ali takođe određuje i veoma važne parametre voda, kao što su kapacitivnost i provodnost u ekvivalentnom kolu. Osim toga, od dielektričnog sloja zavisiprovodnost u ekvivalentnom kolu. Osim toga, od dielektričnog sloja zavisi karakteristična impedansa kabla, slabljenje u kablu, granična frekvencija i brzina prostiranja elektromagnetne energije kroz kabel.Spoljni provodnik služi kao uzemljena referentna tačka i kao štit za signal kojiSpoljni provodnik služi kao uzemljena referentna tačka i kao štit za signal koji se prostire kroz unutrašnji provodnik. Štit (oklop) sprečava prodor štetnih spoljnih signala (smetnji) u kabel i gubljenje korisnog signala iz kabla. Izrađuje se u vidu pletenice od velikog broja tankih žičnih vlakana, pri čemu pletenica p g j , p pmože da bude jednostruka, dvostruka ili triaksijalna (dve pletenice sa dielektrikom između njih).Spoljna košuljica ima uglavnom zaštitnu ulogu i održava ostale komponente p j j g g pkabla zajedno, a ne utiče na električne osobine kabla.

Na tržištu se mogu naći fleksibilni koaksijalni kablovi različitih vrsta i spoljnog prečnika, a svaka vrsta obično ima svoju RG brojnu oznaku.

Izbor pravog kabla za datu aplikaciju je veoma bitan Zavisi od tzv CWIzbor pravog kabla za datu aplikaciju je veoma bitan. Zavisi od tzv. CW snage (Continuous Wave Power) signala koji se prenosi kablom, ali i od drugih faktora, kao što su uslovi okoline (atmosferski i električni), ili recimo da li ima mnogo uglova oko kojih treba da se savije itdda li ima mnogo uglova oko kojih treba da se savije, itd.

Performanse prenosnog voda ne zavisesamo od vrste i kvaliteta samog kablagnego i od vrste i kvaliteta konektora kojisu montirani na krajevima kabla radispajanja sa drugim kablovima i/ili uređajima.

Polurigidni koaksijalni kablovi su kablovi koji se mogu saviti do izvesnog radijusa, i to samo jedanput. Svaki pokušaj ispravljanja ili ponovnog savijanja ovog kabla može dovesti do oštećenja koje rezultuje degradacijomsavijanja ovog kabla može dovesti do oštećenja koje rezultuje degradacijom karakteristika ili gubitkom funkcionalnosti kabla. Za savijanje se koriste specijalni alati koji zadovoljavaju specifikacije proizvođača u pogledu minimalnog dozvoljenog radijusa savijanja za dati tip kabla.minimalnog dozvoljenog radijusa savijanja za dati tip kabla.

Svi delovi polurigidnog kabla (centralni provodnik, razdvojni dielektrik i spoljni provodnik) su od čvrstog materijala, što rezultuje krutošću kabla.

Osnovnu razliku u odnosu na fleksibilne koaksijalne kablove čini prisustvo čvrstog spoljnog provodnika koji polurigidnom kablu obezbeđuje mehaničku č ti i b ljš štit i l d lj ih ti j S lj i d ikčvrstinu i poboljšanu zaštitu signala od spoljnih uticaja. Spoljni provodnik (oklop) je obično izrađen u vidu bakarne košuljice oko celog kabla, koja zavisno od primene može biti presvučena nekim drugim metalom (olovo-kalaj zlato) radi zaštite od oksidacije i/ili poboljšanja performansi kablakalaj, zlato) radi zaštite od oksidacije i/ili poboljšanja performansi kabla.Oznake tipa kod polurigidnih kablova sastoje se iz brojeva koji predstavljaju spoljni prečnik kabla u inčima. Najviše se koriste kablovi dimenzija 0.085, 0 141 i 0 250 inča Od njih prvi izbor je uglavnom 0 141 dok se tanji kablovi0.141 i 0.250 inča. Od njih, prvi izbor je uglavnom 0.141, dok se tanji kablovi (0.085) koriste ukoliko su zbog prostornog ograničenja potrebni mali zavoji, a deblji (0.250) za prenos signala veće snage (deblji kablovi imaju manje slabljenje signala i mogu da prenose veću snagu)slabljenje signala i mogu da prenose veću snagu). Polurigidni koaksijalni kablovi imaju bolje karakteristike (veća snaga, manje slabljenje) od fleksibilnih kablova istog spoljnog prečnika, dok su fleksibilni kablovi osetno jeftiniji i znatno praktičniji za korišćenjekablovi osetno jeftiniji i znatno praktičniji za korišćenje.

Planarni prenosni vodovi – strip linijePlanarni prenosni vod (strip linija, sendvič vod) izveden je iz koaksijalnog, a p ( p j ) j j gsastoji se iz ravnog četvorougaonog centralnog provodnika (kolo) okruženog dielektrikom preko koga su i sa gornje i sa donje strane naneti slojevi metala (bakra) koji služe kao spoljni provodnik (štit). Planarni vod ima znatno višu graničnu frekvenciju od koaksijalnog i efikasniji je za RF i MW primene.Strip linija - sendvič struktura koju čine dve uzemljene bakarne ploče razdvo-jene dielektrikom u čijem centru je glavni provodnik - kolo. Kolo sa svih strana okružuje isti dielektrik, koji je sa d (č ti i) t k i lj idve (četiri) strane pokriven uzemljenim metalnim pločama, čime se postiže prirodan zaštitni efekat na kolo.

U konvencionalnim kolima koja rade na niskim frekvencijama ili u dc režimuuobičajeno je da se za uzemljenje koristi jedna tačka na kućištu uređaja na k j ži j i d l i k l k ji t b d b d lj i K dkoju se žicama vezuju svi delovi kola koji treba da budu uzemljeni. Kada su u pitanju kompleksni RF i mikrotalasni signali, umesto tačke uzemljenja neophodno je imati ravan uzemljenja (uzemljena velika površina) kako bi se obezbedila adekvatna uzemljena referenca Naime osobine signala suobezbedila adekvatna uzemljena referenca. Naime, osobine signala su potpuno identične na svakih ½ talasne dužine, a suprotne na svakih ¼ talasne dužine, tako da ako bismo na RF ili mikrotalasnu ploču stavili tačke uzemljenja, udaljenost između tih tačaka na nekoj frekvenciji mogla bi dauzemljenja, udaljenost između tih tačaka na nekoj frekvenciji mogla bi da iznosi ¼ talasne dužine, pa bi za tu frekvenciju naša veza sa uzemljenjem bila u prekidu umesto u kratkom spoju.

Važan parametar strip linije je rastojanje između ravni uzemljenja b (GPSVažan parametar strip linije je rastojanje između ravni uzemljenja, b, (GPS, od izraza ground-plane spacing). GPS se koristi u proračunu širine prenosnih linija dobijenih nagrizanjem na ploči, w, i rastojanja između njih, s.

U veličinu GPS ne uračunava se debljina spoljnih ploča već samo debljina sloja dielektrika. Debljina dielektričnog sloja mora biti veoma uniformna, sa što manjim varijacijama po celoj površini kako bi se održala uniformnost širinemanjim varijacijama po celoj površini, kako bi se održala uniformnost širine linija i rastojanja između njih. Naime, da bismo izračunali širinu linija i rastoja-nje između njih, treba izračunati odnose w/b i s/b. S toga, ako postoje velike varijacije u veličini b (GPS), teško je održati konstatnost u širini linija i rastoja-varijacije u veličini b (GPS), teško je održati konstatnost u širini linija i rastojanja između njih, čime je ugrožena i konstantnost njihove impedanse, što može da dovede do pogrešnog funkcionisanja kola.

Strip linije su odličan izbor za sve primene na visokim frekvencijama , gde je neophodna dobra zaštita kola, a koriste se i za izradu pasivnih komponenata.Pri tome, potpuna okruženost kola dielektrikom je, zbog dobre zaštite kola, velika prednost, ali u isto vreme i nedostatak strip linija. Naime, zbog otežanog pristupa teško je otkloniti eventualne kvarove u kolu, pa se zato npr. aktivne komponente (diode, tranzistori) po pravilu ne ugrađuju u strip liniju.

Mikrostrip linije

Problem otežanog pristupa kola rešen je kod mikrostrip linija tako što su uProblem otežanog pristupa kola rešen je kod mikrostrip linija tako što su, u poređenju sa strip linijom, uklonjeni gornji sloj dielektrika i gornja metalna ploča, čime je pristup kolu potpuno otvoren.

Debljina dielektričnog materijala, b, je veoma važan parametar jer se, kao i kod strip linije, koristi za proračun veličina w/b i s/b od kojih zavise širina i razmak između metalnih linija koje će na površini biti formirane nagrizanjem S toga je iizmeđu metalnih linija koje će na površini biti formirane nagrizanjem. S toga je i ovde važno da debljina dielektrika bude uniformna.Glavna razlika u odnosu na strip liniju ogleda se u dielektričnoj konstanti. Kod strip linije kolo je potpuno okruženo dielektrikom iste vrednosti ε dok se kolo ustrip linije kolo je potpuno okruženo dielektrikom iste vrednosti ε, dok se kolo u slučaju mikrostripa nalazi na međupovršini između dielektrika (ε) i vazduha (ε0) → efektivna dielektr. konstanta, εeff, rezultat proračuna koji uzima u obzir ε i ε0

Vrednost εeff zavisi od impedanse mikrostrip linije, što znači da zavisi od površine dielektrika pokrivene linijom, odnosno od širine linije ili odnosa w/b. Odnos w/b koristi se za izračunavanje faktora ispune (pokrivanja) koji pred-Odnos w/b koristi se za izračunavanje faktora ispune (pokrivanja), koji pred-stavlja faktor kompenzacije zbog različitih vrednosti dielektrične konstante iznad i ispod kola. Svaka izmena u dizajnu tokom projektovanja kola dovodi do promene impedanse i zahteva ponovljeno izračunavanje faktora ispunedo promene impedanse i zahteva ponovljeno izračunavanje faktora ispune kako bi u daljoj analizi bila korišćena adekvatna vrednost εeff.

Mikrostrip linije su najčešći tip prenosnih vodova koji se koriste u savremenim RF i mikrotalasnim kolima. Velikoj rasprostranjenosti mikrostrip kola, osim njihovih dobrih performansi, značajno doprinose jednostavnost njihove izrade tehnikom štampanih ploča i mogućnost jednostavnog kombinovanja sa SMD komponentama minijaturnih dimenzija.

Zajednički nedostatak strip i mikrostrip linija ogleda se u komplikovanom povezivanju komponenata kao što su kondenzatori u rednu vezu sa linijompovezivanju komponenata kao što su kondenzatori u rednu vezu sa linijom.

Koplanarni talasovodiKoplanarni talasovod predstavlja modifikaciju mikrostrip voda kod koje svaku liniju kola prate dve bočne linije koje su uzemljene. Pri tome, uzemljeni sloj metala sa suprotne (donje) strane dielektrične podloge može da bude potpuno izostavljen, ali može i da pokriva celu podlogu kao kod mikrostripa čime se obezbeđuje dodatna zaštita kola i sa donje stranemikrostripa, čime se obezbeđuje dodatna zaštita kola i sa donje strane.

Pristup kolu u slučaju koplanarnogPristup kolu u slučaju koplanarnog talasovoda jednostavan je kao i kod mikrostripa, a dodatna pogodnost je što ni redno ni paralelno povezivanje u koloni redno ni paralelno povezivanje u kolo komponenata kao što su kondenzatori ili otpornici nije komplikovano.

TalasovodiPod pojmom “konvencionalni talasovod” ili “talasovod” obično se podrazumeva prenosni vod u vidu šuplje cevi (najčešće četvorougaonog preseka) ili tomeprenosni vod u vidu šuplje cevi (najčešće četvorougaonog preseka) ili tome slično, a u svakom slučaju to je vod kod koga se ne mogu uočiti dva odvojena provodnika kao u prethodnim slučajevima. Elektromagnetna energija pronalazi putanju najmanje otpornosti i prostire se kroz “prazan prostor” duž talasovodaputanju najmanje otpornosti i prostire se kroz prazan prostor duž talasovoda do svog odredišta. Talasovod nema centralni provodnik, a dielektrik je vazduh.Talasovodi se koriste u mikrotalasnom opsegu (naročito u gornjem delu ovog opsega) zato što ih je često lakše izraditi od odgovarajućih koaksijalnih p g ) j g j jkablova za ovo talasno područje i zato što često imaju manje slabljenje od njihU otvorenom prostoru talas se širi u svim pravcima (sferni talas) pri čemu snaga opada sa kvadratom rastojanja odtalas), pri čemu snaga opada sa kvadratom rastojanja od izvora talasa. Talasovod je konstruisan tako da ograniči prostiranje talasa na jedan jedini pravac, pri čemu u ideal-nom slučaju nema gubitaka snage. Dimenzije zidova j g g jčetvorougaonog talasovoda, a i b, moraju da budu reda veličine talasne dužine λ kako bi se ostvarivala totalna refleksija od zidova i talas ostao unutar talasovoda pri prostiranju. Dimenzija a ne može biti manja od λ/2 (talasovod kao da je sastavljen od dva odsečka širine λ/4, međusobno malo udaljena), dok je b nešto veće od a/2.

Svaki talasovod ima odgovarajuću graničnu frekvenciju, a to je frekvencija pri kojoj je λ/2 jednaka dimenziji talasovoda a. Kroz talasovod se ne mogu prostirati talasi frekvencija za koje je dimenzija a manja od λ/2talasi frekvencija za koje je dimenzija a manja od λ/2.

Kroz koaksijalni vod, mikrostrip i strip linije prostire se tzv. transverzalni elektromagnetni talas (TEM), tj. kombinacija električnog i magnetnog talasa koji g ( ), j j g g g jsu fazno pomereni za 90 ̊ i prostiru se zajedno. U talasovodu, međutim, nema kombinacije, posmatramo ili samo transverzalni električni (TE) ili samo transverzalni magnetni (TM) talas, kao dva modaliteta prenosa mikrotalasne energije u talasovodu.

Umesto termina karakteristična impedansa, koji se koristi kod ostalih prenosnih d i d it l j č j jih f k i i j l č j t l dvodova i od vitalnog je značaja za njihovo funkcionisanje, u slučaju talasovoda

definiše se karakteristična talasna impedansa, koja predstavlja odnos električnog polja i magnetnog polja u određenoj tački talasovoda. S obzirom da menja vrednost zavisno od položaja tačke u kojoj se računa ovaj parametarmenja vrednost zavisno od položaja tačke u kojoj se računa, ovaj parametar nije od velikog značaja za funkcionisanje talasovoda, a njegova vrednost važna je jedino u tačkama gde se talasovod ukršta ili povezuje sa drugim talasovodom ili koaksijalnim kablom.ili koaksijalnim kablom.

Za primenu talasovoda od velikog značaja su dodatne komponente kao što su sprežnici (couplers), prirubnice (flanges), oslabljivači (prigušnici) signala ( tt t ) T č (t ) š i (t i ti ) i d t kt i(attenuators), T-račve (tees), završeci (terminations) i detektori.

Različite vrste sprežnika i prirubnica za talasovode

Magic T

Oslabljivač (prigušnik) sa rotirajućim krilom (a) i otpornom karticom (b)

Završetak talasovoda sa apsorpcionim materijalom (a) fiksne i (b) promenljive impedanse Završetak kružnog

talasovoda

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJEKOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

STANDARDNE AKTIVNE KOMPONENTEDiodaBipolarni tranzistorMOSFETMOSFETLDMOSFETJFETJFET

Dioda sa pn spojem

Direktna polarizacija

Inverzna polarizacija

p j

Bipolarni tranzistor

PNP tranzistor

NPN tranzistor

Režimi rada

BC II β=0=CI

k i ti

BC II β<sekoristine

I l I VIzlazne I-V karakteristike PNP tranzistora

iu sprezi sa zajedničkim emitorom

BT kBT kao pojačavač

BT kao prekidač

MOS tranzistor sa efektom polja - MOSFET

Kanal može biti indukovanprimenom odgovarajućeg napona na gejt, ili ugrađen odgovarajućim tehnološkim post pkom (jonskapostupkom (jonska implantacija / difuzija primesa odgovarajućeg tipa)

Triodna oblast

Oblast zasićenja

0=DI Zakočenje

Parazitne kapacitivnosti u strukturi MOS tranzistora

Lateralni dvostruko-difundovani MOSFET (LDMOSFET)LDMOSFET j ž k t k j č t k i ti j č j i l b iLDMOSFET je snažna komponenta koja se često koristi za pojačanje signala u baznim stanicama bežičnih komunikacionih sistema. Osnovna prednost u odnosu na klasični MOSFET je što može da provodi veće struje i ima povišen probojni napon. Pri tome, može da ima dužinu kanala manju od 0.1 μm, p p j p , j μ ,koja obezbeđuje veliku brzinu rada (visoku graničnu učestanost). Zbog svoje specifične strukture, LDMOSFET ima manje parazitne kapacitivnosti od konvencionalnog MOSFET-a.

Kratak kanal poželjan je iz dva razloga:

1) Veća struja (snaga) ),( DSGSox

nD VVftLWI ⋅=

εμ

2) Veća brzina prekidanja (viša granična afrekvencija)

oxtL

L LWC ⋅ mgf

Vreme prolaska elektrona Ulazna kapacitivnost Granična frekvencijakroz kanal

sp v

=τox

oxGS tLWC = ε

GS

mg C

gfπ2

=

Smanjivanje dužine kanala konvencionalnog MOSFET-a ograničeno je probojnim naponom i mogućnostima fotolitografije

Tehnikom dvostruke difuzije kroz isti otvor u oksidu (najpre dublja difuzija oblasti p-tipa, a potom plića difuzija oblasti sorsa n+-tipa), u strukturi LDMOSFET-a formira se oblast kanala kao razlika u dužinama dve pomenute difuzije u lateralnom pravcu, a udaljena oblast drejna n+-tipa formira se u isto vreme kad i oblast sorsa → kratak kanal (velika struja mala ulazna kapacitivnost velika brzina) i velika udaljenost između sorsa i drejnastruja, mala ulazna kapacitivnost, velika brzina) i velika udaljenost između sorsa i drejna (visok probojni napon)

Cirkularnom geometrijom (donja slika) postižu se veća širina kanala (veća struja) i samoizolacija drejna (potpuno okružen strukturom gejt-sors)

Tehnologija izrade LDMOS tranzistora kompatibilna je sa standardnom tehnologijom CMOS integrisanih kola

FET sa pn spojem – JFET (Junction FET)

JFET po načinu funkcionisanja podseća na MOSFET sa ugrađenim kanalom: kanal je normalno otvoren kad nema napona na gejtu, a za zatvaranje kanala na gejt se dovodi odgovarajući napon (negativan kod n kanalnog a pozitivanna gejt se dovodi odgovarajući napon (negativan kod n-kanalnog, a pozitivan kod p-kanalnog JFET-a)Za razliku od MOSFET-a, kod koga je gejt izolovan od kanala oksidom, u gejtu JFET a formiran je pn spoj a debljina kanala kontroliše se inverznomgejtu JFET-a formiran je pn spoj, a debljina kanala kontroliše se inverznom polarizacijom ovog spoja, odnosno širinom oblasti osiromašenja inverzno polarisanog spoja.

Bilo koji od dva pn spoja (prednji, zadnji, ili oba) može biti inverzno polarisan radi efikasnije kontrole električne debljine kanala, koja je definisana kao razmak između oblasti osiromašenja dva pn spojarazmak između oblasti osiromašenja dva pn spoja

Direktna polarizacija pn spoja u strukturi gejta JFET-a nije poželjna jer bi ktič d l d k tk j i đ jt i k lpraktično dovela do kratkog spoja između gejta i kanala →

→ na gejt n-kanalnog JFET-a sme se dovoditi samo negativan napon, a na gejt p-kanalnog samo pozitivan(kod MOSFET a sa ugrađenim kanalom nije problem dovesti na gejt napon(kod MOSFET-a sa ugrađenim kanalom nije problem dovesti na gejt napon bilo kog polariteta)

Prednosti JFET-a u odnosu na MOSFET: - efikasnija kontrola struje naponom na gejtu zbog odsustva oksida → veća transkonduktansa (gm = dIDS / dVGS)

dužina gejta može biti kraća od dužine kanala a oblast osiromašenja je- dužina gejta može biti kraća od dužine kanala, a oblast osiromašenja je generalno šira od debljine oksida gejta MOSFET-a → manja ulazna kapacitivnost, odnosno veća granična frekvencija

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJEKOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

DIGITALNA LOGIČKA KOLA

Invertor

Digitalna logička kola

Invertor

Invertor – osnovna ćelija svih digitalnih logičkih kola

Idealni invertor: a) Prenosna naponska karakteristika; i b) Logički simbol.

a) Invertor sa radnim naponskim nivoima od 0 V i V+ ;b) Prost invertor sačinjen od prekidača i otpornog opterećenja;c) Invertor sa NMOS tranzistorom kao prekidačkim elementom;d) Invertor s bipolarnim tranzistorom kao prekidačkim elementom.

Prenosna karakteristika realnog invertora

Digitalna logička kola – istorijski pregled

• RTL (Resistor-Transistor Logic) kola, diskretne komponente, bipolarna tehnologija

DTL (Di d T i t L i ) k l č t k j• DTL (Diode-Transistor Logic) kola, početak razvoja integrisanih kola, bipolarna tehnologija

• TTL (Transistor Transistor Logic) integrisana kola bipolarna• TTL (Transistor-Transistor Logic) integrisana kola, bipolarna tehnologija

• ECL (Emitter Coupled Logic) integrisana kola, bipolarna ( p g ) g , ptehnologija

• I2L, I2L ili IIL (Integrated Injection Logic) kola, bipolarna tehnologija

• MOS integrisana kola: PMOS, NMOS, CMOS

• BiCMOS integrisana kola

RTL kola

RTL invertor RTL NI kolo (NAND gate)RTL invertor RTL NI kolo (NAND gate)

Diskretne komponente (vrlo nizak nivo integracije) → velike dimenzije, visoka cena, velika disipacija (potrošnja energije), mala brzina

DL kola DTL kola

Diodna ILI i I kola (OR, AND). DTL NI kolo (NAND gate).

Diskretne komponente (vrlo nizak nivo integracije) → velike dimenzije, visoka cena, velika disipacija (potrošnja energije), mala brzina

TTL kola

Uprošćeno TTL NI kolo (NAND gate) Standardno TTL 7400 NI kolo

• Smanjena površina čipa i povećana brzina u odnosu na DTL kola• Nizak do srednje visok nivo integracije • Velika izlazna struju kada je izlaz low, a mala kada je izlaz high• Veća potrošnja energije u odnosu na CMOS kola• Manja potrošnja, ali i manja brzina u odnosu na ECL• Tranzistori rade u oblasti zasićenja → gomilanje manjinskih nosilaca u oblasti baze• Asimetrična izlazna impedansa između low i high stanja → nepodobna za upravljanjeAsimetrična izlazna impedansa između low i high stanja nepodobna za upravljanje signalima kroz prenosne vodove• Masovno zamenjena ECL, CMOS i BiCMOS kolima; u upotrebi kao drajveri za magistrale na matičnim pločama

ECL kola

Emitorski povezan par (EC pair) Motorolino osnovno ECL10000 kolo

• Diferencijalni pojačavač na ulazu• Tranzistori rade u aktivnoj oblasti → znatno veća brzina u odnosu na TTL (tipično, prelazak iz stanja low u stanje high i obrnuto za manje od 1 ns)prelazak iz stanja low u stanje high i obrnuto za manje od 1 ns)

Nedostaci: • Tranzistori vuku struju sve vreme → velika potrošnja energije - najveći nedostatak (Dobro je što nema velikih varijacija u potrošnji → relativno nizak šum u provodnicima)(Dobro je što nema velikih varijacija u potrošnji → relativno nizak šum u provodnicima)• Mala margina šuma za signal na ulazu• Nestandardno napajanje negativnim naponom (-5.2 V) – nekompatibilnost sa TTL

Primena: uglavnom kada je primarna brzina rada

I2L kola

Uprošćena šema I2L invertora ILI kolo (OR gate) u I2L tehnologijiUprošćena šema I L invertora ILI kolo (OR gate) u I L tehnologiji

Osnovna ćelija je invertor - bipolarni tranzistor sa uzemljenim emitorom i otvorenim kolektorom kontrolisan strujnim generatorom. Kad je ulaz low (baza na masi, sg k tk j ) t i t di k l kt li j ć t ij l (hi h) K d j lkratkospojen) tranzistor ne vodi → kolektor na plivajućem potencijalu (high). Kad je ulaz high (sg nije kratkospojen) tranzistor vodi → kolektor povuče struju (izlaz low).Ovaj invertor može samo da povlači a ne i da daje struju → izlazi više invertora mogu se bezbedno vezivati u I (AND) mrežu, a rezultat je NILI (NOR) kolo; multikolektorski izlaz( ) , j ( ) ;Logički nivoi bliski (h=0.7 V; l=0.2 V), ali kolo otporno na šum zbog strujnog upravljanjaBrzina približno kao kod TTL; potrošnja nešto veća od CMOS

MOS integrisana kola

NMOS invertor sa otpornikom PMOS invertor sa otpornikom

Nedostaci: velike dimenzije (mala gustina pakovanja), visoka cena (skupa i komplikovana izrada otpornika), velika potrošnja energije (značajna dok tranzistor vodi)

NMOS kola sa aktivnim opterećenjem u kolu drejna

Invertor NILI kolo (NOR gate)

NI kolo (NAND gate)

O i d t t k lik t š jOsnovni nedostatak: velika potrošnja (disipacija) energije

CMOS tehnologija

Complementary MOS

CMOS invertor

Električna šema i topografija (layout) NI kola (NAND gate) u CMOS tehnologijiElektrična šema i topografija (layout) NI kola (NAND gate) u CMOS tehnologiji

CMOS tehnologija – dominantna i daleko najzastupljenija u izradi svih savremenih digitalnih kolaOsnovne karakteristike i najveće prednosti CMOS tehnologije:• Velika gustina pakovanja• Veoma mala potrošnja energije u statičkom režimu

V lik i š ( l tlji t š ) i ši k• Velike margine šuma (mala osetljivost na šum) i širok opseg napona napajanja

CMOS kolo ima manju potrošnju energije od NMOS ili PMOS kola zato štoCMOS kolo ima manju potrošnju energije od NMOS ili PMOS kola zato što disipira snagu samo tokom prekidanja (prelaska iz low u high stanje i obrnuto) kada se javljaju struje koje pune ili prazne različite kapacitivnosti u kolu (kapacitivnosti u strukturi gejta kapacitivnosti sorsa i drejna kao ikolu (kapacitivnosti u strukturi gejta, kapacitivnosti sorsa i drejna, kao i kapacitivnosti izvoda i vodova).

Potrošnja je mala pri malim brzinama prekidanja (clock speed), odnosno na j j p p j ( p )niskim frekvencijama, ali raste sa porastom frekvencije:

fCVP 2=

Na visokim frekvencijama kolo provodi samo mali deo vremena u statičkom režimu → potrošnja kod savremenih mikroprocesora je veoma velika

BiCMOS tehnologija

Kombinacija CMOS i bipolarne tehnologije: integrisano kolo izrađeno u BiCMOS tehnologiji sadrži i bipolarne i CMOS tranzistoreKoristeći prednosti koje pojedinačno nude tehnologije bipolarnih i CMOSkola BiCMOS tehnologija omogućava izradu VLSI kola odličnih performansikola, BiCMOS tehnologija omogućava izradu VLSI kola odličnih performansi(brzina, snaga, gustina pakovanja) koje nisu mogle biti postignute niti jednomod dve tehnologije individualno

f C OS (U osnovi, u pitanju je modifikovana CMOS tehnologija (dodatne maske i tehnološki postupci) da se omogući i izrada BT

Prednosti u odnosu na čisto-CMOS i čisto-bipolarnu tehnologiju:Veća brzina od CMOSManja disipacija od BT (prostiji zahtevi koje treba da zadovolje pakovanje i štampane ploče)Fl k ibil t l d I/O k l ( b d / t ć j TTL CMOS ECL)Fleksibilnost u pogledu I/O kola (pobuda/opterećenje: TTL, CMOS, ECL) → generisanje signala koji su kompatibilni sa ulaznim ili izlaznim nivoima ECL, TTL i CMOS kola bez problema koji bi ograničili brzinu radaMogućnost primene za analogna kola odličnih performansiMogućnost primene za analogna kola odličnih performansiSmanjena mogućnost uključenja parazitnih struktura

Osnovne komponente u BiCMOS tehnologiji

PNP tranzistor

Vin = 0 : T1 ne vodi (OFF). Stoga ne vodi ni T3T2 vodi (ON) i obezbeđuje baznu struju za T4( ) j jNapon na bazi T4 jednak VddT4 vodi i deluje kao strujni izvor koji puni kondenzator CL do napona VddV t d d ti V VVout raste do vrednosti Vdd - Vbe (of T4)

Vin = V :Vin = Vdd :T2 ne vodi (OFF). Stoga ne vodi ni T4T1 je ON i obezbeđuje baznu struju za T3T3 vodi i vuče struju iz kondenzatora CL praznećiT3 vodi i vuče struju iz kondenzatora CL praznećiga ka 0 VVout pada na vrednost 0 V+ VCEsat (of T3)

Uprošćen BiCMOS invertor

Bipolarni tranzistori se isključujuBipolarni tranzistori se isključuju po izvršenom prekidanju (čim se kapacitivno opterećenje dovoljno napuni ili isprazni) → u statičkom

Nedostatak uprošćenog invertora: kolo ne obezbeđuje odgovarajuće putanje kojima bi se brzo praznilep p )

režimu nema protoka struje u kolu kao i kod CMOS kola

putanje kojima bi se brzo praznile bazne oblasti bipolarnih tranzistora pri njihovom isključivanju

Vin = 0 : T1 ne vodi (OFF). Stoga ne vodi ni T3T2 vodi (ON) i obezbeđuje baznu struju za T4T2 vodi (ON) i obezbeđuje baznu struju za T4Napon na bazi T4 jednak Vdd.T5 se uključuje i prespaja bazu T3 i GND. T3 brzo prelazi u OFF.T4 di i d l j k j i i k ji iT4 vodi i deluje kao strujni izvor koji puni kondenzator CL do napona Vdd.Vout raste do vrednosti Vdd - Vbe (of T4)

Vin = Vdd :T2 je OFF. Stoga ne vodi ni T4T1 je ON i obezbeđuje baznu struju za T3j j jT6 je ON i prespaja bazu T4 i GND. T4 brzoprelazi u OFF.T3 vodi i vuče struju iz kondenzatora CL praznećiga ka 0V

Konvencionalni BiCMOS invertor

Dodatak - dva NMOS tranzistora(T5 and T6) koji obezbeđuju ga ka 0V.

Vout pada na vrednost 0V+ VCEsat (of T3)(T5 and T6) koji obezbeđuju odgovarajuće putanje kroz koje se brzo prazne bazne oblasti bipolarnih tranzistora tokombipolarnih tranzistora tokom njihovog prelaska u OFF stanje → brže prekidanje

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

MIKROTALASNE PP KOMPONENTE

Š tkij di dŠotkijeva diodaMESFETVaraktor PiN dioda Tunelska diodaVaraktor, PiN dioda, Tunelska diodaGunn dioda, IMPATT diodaHEMTHBT

Mikrotalasne poluprovodničke komponente Kompozitni poluprovodnici: III-V jedinjenjap p p j j j

Savremena tehnologija poluprovodničkih komponenata i integrisanih kola: visoko razvijena, bazirana uglavnom na silicijumu Si komponente su optimizovane u pogledu dizajna dimenzija (gustineSi komponente su optimizovane u pogledu dizajna, dimenzija (gustine pakovanja) i veličine čipa, električnih karakteristika, disipacije, pouzdanosti rada, troškova izrade → dominiraju u većini aplikacija

O i Si j j i k i t i t k it i l d ički t ij liOsim Si, u manjoj meri koriste se i tzv. kompozitni poluprovodnički materijali, uglavnom jedinjenja elemenata iz III i V grupe periodnog sistema, kao što su Ga As, InP, InSb. Ovi materijali pogodniji su od Si za izradu optoelektronskih i mikrotalasnih komponenatamikrotalasnih komponenata

Poređenje između Si i GaAs:GaAs ima širu zabranjenu zonu od Si (1.42 eV u poređenju sa 1.12 eV), znatno veću (6-7 puta) pokretljivost nosilaca i brzinu drifta pri slabim i umerenim električnim poljima, a odlikuje se i direktnim zonskim prelazima nosilaca (za prelazak elektrona iz valentne u provodnu zonu potrebna je samo promena energije a ne i promena momenta) i pris st om lokalnih minim mapromena energije, a ne i promena momenta) i prisustvom lokalnih minimuma u energetskim zavisnostima zona (“laki” i “teški” nosioci naelektrisanja → pojava negativne dinamičke otpornosti na I-V karakteristikama komponenata)

GaAsProces dobijanja komplikovan i skup; dobijanje kvalitetnog oksida za

i i ij ši G A ij ćpasivizaciju površine GaAs nije mogućeŠiroka zabranjena zona → čist ili slabo dopirani GaAs poseduje izolatorska svojstva (poluizolator) → nije potrebna posebna izolacija između pojedinih komponenata na čipu → komponente blizu jedna do druge (veća gustina pakovanja) → kraće metalne veze između komponenata → manje parazitne kapacitivnosti , induktivnosti i otpornosti u kolu → manje izobličenje signala,

j š k l iš ič f k ijsmanjen šum u kolu, viša granična frekvencijaVelika pokretljivost nosilaca → niska otpornost u kanalu FET-a → brže punjenje i pražnjenje parazitnih kapacitivnosti, efikasnija kontrola izlazne t j l ( ć t k d kt dI /dV ) jstruje naponom na ulazu (veća transkonduktansa, gm = dIDS/dVGS), smanjen

šum (usled male efektivne mase smanjeno je rasejavanje nosilaca u kanalu)Negativna dinamička otpornost - Gunn-ov efekat:pri jakim električnim poljima deo elektrona dobija većuenergiju, dovoljnu da se nađu u višem lokalnom mini-mumu provodne zone, kome odgovara veća efektivnamasa odnosno manja pokretljivost (brzina drifta)masa, odnosno manja pokretljivost (brzina drifta) → napon počne da opada sa porastom struje → mogućegenerisanje snage bez pobude na ulazu → oscilator

Kontakt (spoj) metal-poluprovodnik

Omski kontakt – formira se između sloja metala (obično Al, Ti/Ni/Au) i jako dopiranog poluprovodnika, karakterišu ga postojanje male kontaktne otpornosti (što manja to bolje) i propusnost za struju u oba smera (iz p ( j j ) p p j (poluprovodnika u metal i obrnuto), a služi kao spoljni izvod kroz koji se u poluprovodnik dovodi (ili iz njega odvodi) struja

Šotkijev (Schottky) kontakt – formira se između sloja metala (Al Ni Au AgŠotkijev (Schottky) kontakt formira se između sloja metala (Al, Ni, Au, Ag, Ti, Ta, ...) i slabo dopiranog poluprovodnika, karakterišu ga usmeračka svojstva, slična svojstvima p-n spoja: propušta struju samo u jednom smeru (ima malu otpornost), a za struju u suprotnom smeru ima beskonačno veliku ( p ), j potpornost. Služi kao osnovni element u komponentama kao što su npr. Šotkijeva dioda, MESFET i HEMT.

Šotkijeva (Schottky) diodaŠotkijeva dioda – najjednostavnija komponenta bazirana na usmeračkimŠotkijeva dioda najjednostavnija komponenta bazirana na usmeračkim svojstvima kontakta metal-poluprovodnikDobijanje: naparavanjem metala (Al, Ni, Au, Ag, Ti, Ta, ...) preko slabo dopiranog epitaksijalnog sloja n-tipa na jako dopiranom supstratu (Si ili GaAs)p g p j g j p j p p ( )Osnovne karakteristike:

- Unipolarna komponenta → nema gomilanja nosilaca → velika brzina rada- Nizak napon provođenja pri direktnoj polarizaciji (tipično 0.2-0.3 V)- Nešto veća inverzna struja zasićenja u odnosu na diodu sa pn spojemMali pad napona u direktu i velika brzina rada posebno su izraženi u slučaju Šotkijeve diode na GaAs

( )1/ −= TnUVSD eIIEkvivalentno kolo Šotkijeve diode

Strujno-naponska karakteristika

Junction Barrier Structure (JBS) ili Merged Power Structure (MPS) integrisanaJunction Barrier Structure (JBS) ili Merged Power Structure (MPS) – integrisana struktura sastavljena od paralelne veze Šotkijeve diode i diode sa pn spojem

Š“Clamping” kolo sa Šotkijevom diodom

Šotkijeva dioda sprečava rad tranzistora u oblasti zasićenja

Šotkijeve diode pogodne su za brza prekidačka kola i mikrotalasne frekvencije zbog velike brzine rada i mogućnosti realizacije Šotkijevog kontakta male površine. Koriste se i kod hibridnih i kod monolitnih pmikrotalasnih integrisanih kola, a najčešću primenu imaju u detektorima signala i mešačima.

Dioda sa tačkastim spojem – prvobitna varijanta diode sa spojem metal-poluprovodnik, po performansama slična Šotkijevoj. Formira se kratkotrajnim propuštanjem velike struje kroz zašiljenu elastičnu žicu od

lf k j h l ž ši l d ik ( ti G ili Si)volframa koja vrhom naleže na površinu poluprovodnika (n-tip Ge ili Si). Prednosti: mala površina, mala kapacitivnost, velika brzina (fG ≥ 200 GHz)Nedostaci: veoma mala snaga, krhkost

Metal-Poluprovodnik FET (MESFET)Po konstrukciji i principu rada MESFET je sličan JFET-u → oba normalno j p p juključeni Električna debljina kanala MESFET-a, odnosno njegova provodnost, kontroliše se inverznom polarizacijom spoja metal-poluprovodnik formiranog u strukturi gejta kojom se menja širina oblasti osiromašenja tog spojaNa gejt se može dovesti i mali pozitivan napon (manji od napona provođenja spoja m-p)

MESFET je okružen poluizolatorom (slabo dopirani GaAs) → male dimenzije, male parazitne kapacitivnosti sorsa, drejna i kanala prema

t t lik b i d i t kti k t j č čsupstratu → velika brzina → dominantna aktivna komponenta za pojačavače snage i prekidačka kola u mikrotalasnom frekventnom opsegu

Struja drejna može se značajno menjati malim promenama napona na gejtuStruja drejna može se značajno menjati malim promenama napona na gejtu → MESFET se može modelirati kao naponom kontrolisani strujni izvor

TranskonduktansaTranskonduktansa

Prekidna (granična) frekvencija (g ) j

Maksimalna frekvencija oscilovanja

Da bi se obezbedila vrednost fT > 10 GHz, dužina gejta MESFET-a u GaAs mora biti L < 1 m Poželjno da L b de što manje ali obično nije načajnomora biti L < 1 µm. Poželjno da L bude što manje, ali obično nije značajno manje od 1 µm zbog ograničenja u pogledu probojnog napona.

Varaktor (varikap) diodaVaraktor ili varikap dioda je dioda sa pn spojem koja se koristi (najčešće u hibridnim integrisanim kolima) kao promenljivi kondenzator Iskorišćeno jehibridnim integrisanim kolima) kao promenljivi kondenzator. Iskorišćeno je svojstvo pn spoja da širina oblasti osiromašenja inverzno polarisanog spoja, što znači i kapacitivnost ove oblasti, jako zavisi od primenjenog inverznog naponanapona.

Najčešća primena: u rezonantnim kolima za podešavanje rezonantne frekvencije promenom vrednosti napona inverzne polarizacijefrekvencije promenom vrednosti napona inverzne polarizacije

Kapacitivnost diode je nelinearna funkcija napona polarizacije, pa se dioda može koristiti i kao umnožavač frekvencija. Ako na inverzno polarisanu diodu dovedemo naizmenični napon v = Vsinωt, kapacitivnost diode menjaće se kao:

ć i t j di d l d k iti ti j ti blikpa će se i struja diode usled promena kapacitivnosti menjati u obliku:

Shodno tome, varikap dioda se može koristiti kao generator viših harmonika.

PiN diodaNaziv PiN dioda potiče zbog prisustva slabo dopiranog (intrinsic – sopstveni ) sloja poluprovodnika između jako dopiranog n+ supstrata i p-oblasti na vrhu.U mikrotalasnim kolima koristi se kao promenljivi otpornik čija se otpornost menja sa promenom napona.

Inverzna polarizacija: i-oblast savršen izolator (Ri → ∞, C dominira) Direktna polarizacija: kroz diodu teče struja, pri čemu je Ri obrnuto proporcionalno struji. Variranjem napona direktne polarizacije menja se Ri , a time i impedansa diode, pa je zbog toga ova dioda našla primenu kao p , p j g g poslabljivač (attenuator). Osim toga, PiN dioda koristi se za realizaciju prekidača, pomerača faze, ograničavača, itd.

Tunelska diodaTunelska dioda - pn spoj u kome su i p i n oblast dopirane primesama visoke

( 20 3)koncentracije (reda veličine 1020 cm−3) → moguće tunelovanje elektrona jer je(a) dijagram energetskih zona u oblasti spoja jako iskrivljen, tako da se dno

provodne zone u n oblasti nalazi ispod vrha valentne zone u p oblasti; (b) oblast osiromašenja veoma uzana (

Tunelske diode koriste se kao aktivni elementi mikrotalasnih pojačavača i oscilatora (10 W na 5 GHz; 0.2 W na 50 GHz)

Ekvivalentno koloEkvivalentno kolo

Impedansa

Uslov oscilovanja: Re{Z} = 0 i Im{Z} = 0 →

f prekidna (granična) frekvencijafr – prekidna (granična) frekvencija f0 – rezonantna frekvencija

Gunn diodaGunn dioda – komad poluprovodnika n tipa sa omskim kontaktima na

O G Gsuprotnim stranama. Obično se koristi GaAs, mada postoje i Gunn diode na bazi InP i CdTe

Pojava oblasti negativne dinamičke otpornosti (provodnosti) na I-Vkarakteristici Gunn diode posledica je postojanja dva bliska minimuma ukarakteristici Gunn diode posledica je postojanja dva bliska minimuma u zavisnosti energetskih zona u GaAs, kojima odgovaraju elektroni različitih efektivnih masa, tzv. “laki” i “teški” elektroni

Mali naponi (slaba el. polja): svi elektroni na nižem energetskom minimumu, njihova efektivna masa je mala, a pokretljivost velika → velika provodnost Visoki naponi (jaka el. polja): većina elektrona dobija energiju dovoljnu da so apo (ja a e po ja) eć a e e t o a dob ja e e g ju do o j u dapređu na viši energetski minimum. Efektivna masa ovih elektrona je veća, a njihova pokretljivost manja → provodnost poluprovodnika manjaOpseg srednjih napona (polja): povećavanje napona dovodi do prelaskaodređenog broja elektrona iz nižeg na viši minimum → postepeno raste srednja efektivna masa elektrona, a smanjuje se njihova srednja pokretljivost (srednja brzina drifta) → opada provodnost poluprovodnika, pa se smanjuje i t j O j j t j i ć j d t lj f k tstruja. Ovo smanjenje struje pri povećanju napona predstavlja efekat

negativne dinamičke provodnosti (G = dI/dV < 0)

Ekvivalentno kolo Gunn diode

R C otpornost i kapacitivnost same-Rj, Cj – otpornost i kapacitivnost same diode Rs – otpornost priključaka, omskih kontakata i poluprovodnikakontakata i poluprovodnikaLp, Cp – induktivnost i kapacitivnost pakovanja (kućišta) diode

Postavljanjem Gunn diode u unutrašnjost talasovoda može se realizovati Gunn oscilatoroscilatorFrekvencija oscilovanja zavisi od brzine drifta elektrona i efektivne dužine puta u poluprovodnikup p

Izlazna snaga Gunn oscilatora u kontinu-alnom režimu varira od 10 do 250 mW, a u impulsnom režimu moguća je vršna snaga veća od 100 W

IMPATT diodaIMPATT dioda pripada grupi ATT (Avalanche Transit Time) dioda, čiji se rad bazira na lavinskom proboju u oblasti osiromašenja inverzno polarisanog pn spoja, pa se nazivaju i lavinske diode. IMPATT (IMPact ionization ATT) dioda je najznačajnija među njima, a koriste se još i TRAPATT (TRApped Plasma ATT) i BARITT (BARier Injection ATT) diodaATT) i BARITT (BARier Injection ATT) dioda

IMPATT dioda može da radi na frekvencijama iznad 100 GHz. U poređenju sa drugim mikrotalasnim diodama, ona obezbeđuje najveću kontinualnu snagu. U mikrotalasnim kolima koristi se prvenstveno kao oscilator.

IMPATT dioda je po strukturi slična PiN diodi. Obl t t d ti (i) j k iOblast sopstvene provodnosti (i) je u praksi slabo dopirana primesama n ili p tipa. Baterija (izvor jednosmernog napona) trebada obezbedi inverznu polarizaciju spojada obezbedi inverznu polarizaciju spoja dovoljno visoku da se oblast osiromašenjaraširi kroz celu i-oblast i da pri tome dovede diodu u stanje blisko lavinskom proboju.diodu u stanje blisko lavinskom proboju.

Funkciju oscilatora IMPATT dioda ostvaruje u prisustvu rezonantnog kola

Kolo je projektovano tako da pozitivna polupe-rioda oscilujućeg napona sa naponom napaja-j d ži di d ži l i k b j P inja drži diodu u režimu lavinskog proboja. Pri

tome električno polje prelazi kritičnu vrednostza proboj samo u oblasti oko N+-n spoja → utoj oblasti lavinski se generišu parovi elektron-toj oblasti lavinski se generišu parovi elektron-šupljina. Elektroni se brzo neutrališu pozitivnim naelektrisanjem iz obližnje N+ anode, a šupljinedriftuju kroz osiromašeni sloj prema P oblasti (katoda)*.driftuju kroz osiromašeni sloj prema P oblasti (katoda) . Vreme nakon koga šupljine stignu do katode je τ = L/vd ,i tada je struja maksimalna. Ako je rezonatno koloprojektovano tako da njegova frekvencija oscilovanjazadovoljava uslov

T/2= τ => f = vd /2L,napon dostiže minimum kada je struja maksimalna.

fNapon i struja su u protivfazi → uspostavljena je negativna dinamička otpornost.

I V karakteristika IMPATT diode ima oblik slova SI-V karakteristika IMPATT diode ima oblik slova S

*Napomena: Normalna polarizacija IMPATT diode je inverzna, pa suzato nazivi elektroda obrnuti u odnosu na standardnu diodu

Tranzistor sa velikom pokretljivošću elektrona (HEMT)HEMT (High Electron Mobility Transistor) – FET sa heterospojem u gejtu Heterospoj - spoj dva poluprovodnika sa različitim širinama energetskih procepa. Promena energije na heterospoju je veoma strma → heterospojevi formiraju potencijalne jame u kojima elektroni mogu da dostignu izuzetno veliku pokretljivost ukoliko do izražaja dođu njihova talasna svojstvapokretljivost ukoliko do izražaja dođu njihova talasna svojstvaTalasna svojstva elektrona dolaze do izražaja ako su dimenzije potencijalne jame istog reda veličine kao i talasna dužina elektronaKod MOSFET-a trougaona potencijalna jama formira se upravno na gejt premaKod MOSFET-a trougaona potencijalna jama formira se upravno na gejt prema podlozi (u x-pravcu) → talasna dužina elektrona pri dnu jame veća od širine jame → elektroni u provodnoj zoni zauzimaju diskretne energetske nivoe, pri čemu se u x-pravcu ponašaju kao stojeći talasi, a u druga dva pravca (y i z) slo-p p j j , g p (y )bodno se kreću i rasejavaju → svakienergetski nivo u x-pravcu javlja se kaodvodimenzionalna energetska podzonau y i z-pravcima → elektroni se ponaša-ju kao dvodimenzionalni elektronski gas(2DEG)El kt i d l i j dElektroni mogu da prelaze iz jedne podzone u drugu usled rasejavanja→ kvazi-2DEG

Kod Si MOSFET-a trougaona potencijalna jamamože se formirati na međupovršini Si-SiO2 uz pri-menu jakog električnog poljamenu jakog električnog poljaKod kompozitnih poluprovodnika potencijalnejame formiraju se korišćenjem heterospojeva, tzv.inženjeringom energetskih procepainženjeringom energetskih procepaHeterospoj AlGaAs-GaAs – trougaona potencijal-na jama prema Ga As sa veoma izraženim kvanti-zacionim energetskim nivoima. Potrebna je tehno-g jloška optimizacija da Fermijev nivo bude iznad naj-niže energetske podzone kako bi ona bila popunje-na elektronima → električno polje nepotrebno, a2DEG se formira samim kontaktom AlGaAs i GaAsPrisustvo primesnih atoma u oblasti 2DEG nije po-željno jer povećava rasejavanje i smanjuje pokretljivosti elektrona → ubacuje

t k đ l j d i AlG A k ji d j j k d i i N+se veoma tanak međusloj nedopiranog AlGaAs koji odvaja jako dopirani N+AlGaAs od 2DEG oblasti u GaAs → rasejavanje elektrona na neravninama međupovršine i na primesnim jonima praktično potpuno izbegnuto. Zbog kvantizacije ne postoji rasejavanje elektrona ni upravno na potencijalnu jamukvantizacije ne postoji rasejavanje elektrona ni upravno na potencijalnu jamu (x-pravac) → velika pokretljivost elektrona u 2DEG kanalu i ekstremno smanjenje šuma

HEMT baziran na heterospoju AlGaAs-GaAs: granična frekvencija > 10 GHz, izuzetno nizak šum (< 1dB) i visoko pojačanje

Na krajevima kanala nalaze se N+ oblasti GaAs (sors i drejn), a gejt je realizo-van u formi Šotkijevog kontakta i kontroliše struju kroz kanal. Kanal je j g j jnormalno otvoren, a zatvara ga negativan napon na gejtu koji smanjuje koncentraciju elektrona u 2DEG kanalu → strujno-naponske karakteristike HEMT-a su sličnog oblika kao kod JFET-a i MESFET-aElektroni prolaze kroz par heterospojeva formiran izmedju izvoda sorsa i 2DEG kanala, potom kroz kanal, i na kraju kroz par heterospojeva izmedju 2DEG kanala i izvoda drejna. Tunelovanje elektrona iz sorsa u 2DEG kanal i i k l d j if t j it t šć i d j k jiz kanala u drejn manifestuje se parazitnom otpornošću sorsa i drejna koja smanjuje brzinu i povećava šum HEMT-a → neophodna optimizacija kontakt-nih oblasti sorsa i drejna u cilju minimizacije njihove parazitne otpornosti

Heterospojni bipolarni tranzistor (HBT)Kod klasičnog bipolarnog tranzistora neophodno je jako dopiranje u oblasti

femitora da bi se postigla dovoljno visoka efikasnost injekcije emitoraPrisustvo heterospoja (npr. AlGaAs-GaAs) između baze i emitora omogućava veliku efikasnost injekcije emitora čak i ako je baza jače dopirana od emitora

Potencijalna barijera za injekciju šupljina iz baze u emitor (∆Vp) razlikuje se od barijere za injekciju elektrona iz emitora u bazu (∆Vn) za razliku u širinama

b j ih i đ AlG A it i G A b (∆E )zabranjenih zona između AlGaAs emitora i GaAs baze (∆Eg):

Može se pokazati da mala razlika u širinama zabranjenih zona, ∆Eg, značajno utiče na odnos In/Ip, gde je In struja elektrona injektovanih iz emitora u bazu (korisna komponenta struje), a Ip nekorisna struja šupljina injektovanih iz ( p j ), p j p j jbaze u emitor:

Primer – Al0.3Ga0.7As-GaAs HBT: ∆Eg ≈ 14.6kT → exp(∆Eg /kT) ≈ 2·106 g g→ kod HBT-a ∆Eg zaista mnogo utiče na In/Ip u poređenju sa čisto Si

bipolarnim tranzistorom kod koga je ∆Eg = 0

Zbog ovog svojstva HBT-a moguća je izrada tranzistora sa jako dopiranomZbog ovog svojstva HBT a moguća je izrada tranzistora sa jako dopiranom bazom i nisko dopiranim emitorom, pri čemu efikasnost emitora ostaje visokaNisko dopiranje emitora → niža emitor-bazna kapacitivnost → viša graničnafrekvencija strujnog pojačanja i viša maksimalna frekvencija oscilovanjaj j g p j j j jJako dopiranje u bazi → niža otpornost baze i baznog kontakta, kraće vreme prelaza baze → viša granična frekvencija i viša maks. frekvencija oscilovanjaPoluizolatorski GaAs supstrat → niska kapacitivnost kolektor-supstrat → viša granična frekvencija i viša maksimalna frekvencija oscilovanjaDodatna prednost HBT-a: niža cena proizvodnje u odnosu na GaAs FET-ove

KOMPONENTE ZA TELEKOMUNIKACIJE

MIKROTALASNE KOMPONENTE

Usmereni sprežnici,Kvadraturni hibridni sprežnici,Delitelji snage, Detektori, Mešači,Oslabljivači, Filtri, Cirkulatori i izolatori,A t P j č či O il t iAntene, Pojačavači, Oscilatori

Mikrotalasne komponente Usmereni sprežnici (Directional couplers)

Sprežnik – komponenta koja se sastoji od dva prenosna voda koji nisu direktno povezani, ali su veoma blizu jedan do drugog, tako da se deo energije koju prenosi jedan od vodova indukuje i prisutan je u drugom vodu.prenosi jedan od vodova indukuje i prisutan je u drugom vodu.Normalno vodove držimo dovoljno daleko jedan od drugog upravo da se ne bi javljala sprega između njih. Međutim, ako želimo npr. da izmerimo nivo snage ili frekvenciju signala u nekom prenosnom vodu, sprežnik je idealna i neophodna komponenta za uzorkovanje signala.

Sprežnik Usmereni sprežnik

Usmereni sprežnik - prenos energije koja dolazi samo iz jednog smeraU i ž ik k k iš ifič d ži L k j či i iUsmereni sprežnik karakteriše specifična dužina, L, koja ga čini usmerenim u određenom opsegu frekvencija, pri čemu je L= λ/4 na radnoj frekvenciji, tj. na centralnoj frekvenciji iz radnog opsega.

U praksi, dobro je da L bude jednaka λ/4 na frekvenciji nešto većoj od centralne kako bi kolo bolje funkcionisalo na višem kraju opsega radnih frekvencija

Zašto baš L= λ/4 čini sprežnik usmerenim? Podsećanje: signal se ponavlja na svakih λ/2, a ima suprotnu vrednost na svakih λ/4. To znači da, kada je L= λ/4, ako je impedansa na jednom kraju voda visoka, na drugom kraju voda je niska, i obrnuto.

Energija koja ulazi u sprežnik s leva, u tački 1 lako se prenosi iz voda A u vod B. Putujući kroz vod, ona se sreće sa sve višom impedansom, tako da u tački 2 ne može biti značajnog prenosa energije iz voda u vodne može biti značajnog prenosa energije iz voda u vod.Od tačke 1 do tačke 2 energija prevali tačno četvrtinu talasne dužine, pri čemu se impedansa promeni od vrlo niske do vrlo visoke, tako da je sprega koja omo-gućava transfer energije maksimalna u tački 1 a u tački 2 je zanemarljivo malagućava transfer energije maksimalna u tački 1, a u tački 2 je zanemarljivo mala.Slično važi za energiju koja dolazi iz suprotnog smera (s desna): transfer energije iz voda A u vod B tada je maksimalan u tački 2, a minimalan u tački 1.

Spoljni i unutrašnji izgled (slike gore) i šematski prikaz (slika desno) usmerenog sprežnika sa 4 prilaza

Sprežnik se na prenosni vod povezuje prilazima 1 i 2. Ako signal dolazi s leva,

(four port directional coupler)

p p p j p g ,sprega između prilaza 1 i 3 je jaka , a između 2 i 4 je vrlo slaba. U suprotnom, ako signal dolazi s desna, sprega između prilaza 2 i 4 je jaka, a između 1 i 3 je slaba. To znači da se uzorak signala dobija samo na prilazu 3 ako signal dolazi s leva, a samo na prilazu 4 ako signal dolazi s desna. U praksi, kod realnih sprežnika, postoji izvesno malo curenje energije između prilaza 1 i 4, odnosno 2 i 3.

Ako želimo da uzorkujemo signale koji dolaze samo iz jednog smera, onda se prilaz 4 može zatvoriti odgovarajućim (obično 504 može zatvoriti odgovarajućim (obično 50 Ω-skim) završetkom – usmereni sprežnik sa 3 prilaza. Ulazni signal mora se dovesti na prilaz 1 da bi bilo moguće uzorkovanje.

Parametri usmerenog sprežnika

p g j

- Faktor sprege (Coupling factor) – odnos (u decibelima) snage signala koji se javlja na prilazu 3 i snage ulaznog signala na prilazu 1 : C31 = -10 log(P3/P1)Faktor sprege zavisi od rastojanja između vodova u sprežniku; tipične p g j j p ; pvrednosti faktora sprege su 10, 20 ili 30 dB.- Uneto slabljenje (Insertion loss) – mera (u decibelima) za gubitak energijekroz sprežnik na putanji između prilaza 1 i 2 : L21 = 10 log(P2/P1)Tipične vrednosti unetog slabljenja kreću se u opsegu od 0.3 do 0.5 dB.Ako sprežnik ima bolji faktor sprege C31 (manja vrednost u dB), onda on unosi veće slabljenje L21 u kolo → potreban kompromis da bi sprežnik bio dobar

I l ij (I l ti ) ( d ib li ) j ij i đ il- Izolacija (Isolation) – mera (u decibelima) za curenje energije između prilaza 1 i 4 : I41 = -10 log(P4/P1) Idealno, kad je ulaz na prilazu 1, na prilazu 4 ne bi trebalo da bude energije, ali je zbog curenja ipak ima. Tipično, I41 = 20 - 50 dB

- Koeficijent usmerenosti, direktivnost (Directivity) – odnos (u decibelima) snage signala na izolovanom prilazu 4 i spregnutom prilazu 3 : D34 = -10 log(P4/P3) P d t lj l k lit t ž ik li i di kt ćPredstavlja realnu meru za kvalitet sprežnika, ali se ne meri direktno već se računa posredno, preko merenja izolacije i faktora sprege: D34 = -10log(P4/P3)= -10log(P4P1/P3P1)= -10log(P4/P1) +10log (P3/P1)= I41 - C31 [dB]

- Frekvencija (Frequency) – opseg radnih frekvencija sprežnika u kome važe specificirane vrednosti prethodno definisanih parametara (faktor sprege, uneto slabljenje, izolacija, direktivnost)

- Devijacija faktora sprege (Coupling deviation) – dozvoljeno odstupanje faktora sprege od specificirane vrednosti u okviru frekventnog radnog opsega

Ti ič k t l šk d tiTipične kataloške vrednosti parametara jednog usmerenog sprežnika

Primena usmerenih sprežnika- Kola za nadzor (kontrolu) – Kontrola signala (snage ili frekvencije signala) na izlazu iz nekog kola ili na ulazu u kolona izlazu iz nekog kola ili na ulazu u kolo

Svojstva usmerenog sprežnika da sprega postoji samo za direktni signal i veoma mala vrednost unetog slabljenja čine ga gotovo idealnim za ovu namenu (kolo #2 može da unosi neku refleksiju, ali spregnuti prilaz je na suprotnoj strani sprežnika, pa ne detektuje reflektovan signal). Ovim su

d lj i i k it ij i k j t b d d lj k tzadovoljeni osnovni kriterijumi koje treba da zadovolje komponente za ovu namenu, a to su da omoguće efikasnu kontrolu i da pri tome ostanu neprimetne u celom kolu, odnosno da ne unose bilo kakve značajne promene signala koji generišu kola čiji se rad kontrolišesignala koji generišu kola čiji se rad kontroliše. Kao indikatorske komponente u kolu na gornjoj slici, zavisno od vrste kontrole,mogu se koristiti merač snage, brojač frekvencije, analizator spektra, itd.

- Kola za regulaciju nivoa signala – Većina generatora RF i mikrotalasnih signala daju signale čija snaga opada sa porastom frekvencije, pa su potrebna dodatna kola za ujednačavanje nivoa signala u celom opsegupotrebna dodatna kola za ujednačavanje nivoa signala u celom opsegu radnih frekvencija. Na izlaz izvora signala vezuje se usmereni sprežnik koji kontroliše izlazni signal i generiše njegov uzorak. Uzorak izlaznog signala se pomoću detektora pretvara u odgovarajući jednosmerni napon čija vrednostpomoću detektora pretvara u odgovarajući jednosmerni napon, čija vrednost zavisi od nivoa uzorkovanog signala. Ovaj napon se šalje nazad u izvor, odnosno u automatsko kolo za regulaciju (Automated Leveling Circuit - ALC), koje je u stvari naponski kontrolisan oslabljivač na izlazu izvora. Zavisno od j j p jvrednosti dovedenog jednosmernog napona, slabljenje oslabljivača se povećava ili smanjuje, čime se praktično reguliše nivo signala na izlazu.

- Merenje snage – Usmereni sprežnik koristi se pri merenju signala visokih nivoa snage, koje raspoloživi merni uređaji (merači snage, analizatori spektra ili b j či f k ij ) d d M j di kili brojači frekvencije) ne mogu da podnesu. Merenje se sprovodi na uzorku signala koji se javlja na izlaznom prilazu usmerenog sprežnika, što praktično znači da se sprežnik u ovom slučaju koristi kao oslabljivač. Na ovaj način se instrumenti i merni uređaji kojima raspolažemo štite od eventualnih kvarovainstrumenti i merni uređaji kojima raspolažemo štite od eventualnih kvarova usled preopterećenja signalima velike snage, a u slučaju merenja snage se ujedno može i značajno proširiti merni opseg instrumenta.

- Reflektometri – Uređaji koji mere istovremeno snagu direktnog signala dovedenog na ulaz neke komponente/potrošača i refleksiju od tog potrošača, upoređuju ih i daju podatke o povratnom gubitku koji unosi potrošač. Za ovu namenu koristi se dvostruki usmereni sprežnik (dual-directional coupler), koji u suštini čine dva usmerena sprežnika povezana leđa-u-leđa. Dvostruki sprežnik ima dva izlazna prilaza jednakih faktora sprege i povećanu izolaciju između jih P i t j ć i t l blj j ( b i t d ž ik ) li j injih. Pri tom je veće i uneto slabljenje (zbog prisustva dva sprežnika), ali je i

reflektovana snaga kojom dvostruki sprežnik može da barata jednaka direktnoj snazi. Zbog povećane izolacije između izlaznih prilaza, indikator #1 registruje samo direktnu snagu dok indikator #2 registruje samo reflektovanu snagusamo direktnu snagu, dok indikator #2 registruje samo reflektovanu snagu

Kvadraturni hibridni sprežnici (Quadrature hybrids)Kvadraturni hibridni sprežnik je vrsta sprežnika koja ulazni signal deli na dva izlazna signala jednakih intenziteta, a međusobno fazno pomerenih za 90º. Izrađuje se tehnikom štampanih ploča, a sastoji se iz dva 50 Ω-ska prenosna voda (po jedan ulazni i izlazni) na jednoj polovini ploče i dva ista takva 50 Ω-ska

d (li ij ) d j l i i l č hib id i j ( t d d ivoda (linije) na drugoj polovini ploče, sa hibridnim spojem (mesto gde se vodovi preklapaju) na sredini ploče. Jedan od ulaznih portova (prilaza) zatvoren je odgovarajućim 50 Ω-skim završetkom, tako da kvadraturni hibridni sprežnik ima samo jedan ulazni i dva izlazna porta Hibridni spoj na radnoj frekvenciji za datusamo jedan ulazni i dva izlazna porta. Hibridni spoj na radnoj frekvenciji za datu dužinu linija (vodova) obezbeđuje odličnu izolaciju između dva izlazna porta, kao i između ulaznog i zatvorenog porta.

Idealno (ako nema unetog slabljenja), snaga signala na svakom od izlaza je za 3 dB (50%) niža od nivoa snage na ulazu. U praksi, izlazni nivoi su od 3.15 do 3 20 dB iži d l št či d t l blj j k d t hib id3.20 dB niži od ulaznog, što znači da uneto slabljenje kvadraturnog hibridnog sprežnika iznosi 0.15-0.20 dB.

Tačke A i B, u kojima se seku krive koje predstavljaju amplitudno-frekventne zavisnosti signala na izlazima #1 i #2, definišu opseg radnih frekvencija kvadraturnog hibridnog sprežnika (širina frekventnog radnog opsega jednaka je razlici frekvencija u tačkama B i A)

Veoma korisno svojstvo kvadraturnog hibridnog sprežnika je njegova inverzna funkcionalnost: ako se na izlaze dovedu identični signali fazno pomereni za 90º, na ulazu će se pojaviti kombinacija (zbir) ovih signala, uz malo uneto slabljenje. Zahvaljujući mogućnosti sabiranja dva signala i visokom stepenu izolacije između pojedinih portova kvadraturnog hibridnog sprežnika, moguća je njegova primena za konstrukciju različitih komponenata.

D k d t hib id ž ik l đ l đ i l d dDva kvadraturna hibridna sprežnika vezana leđa-u-leđa: signal doveden na ulaz pojavljuje se na izlazu sa praktično istim nivoom snage, malo oslabljen.

Ovakvo vezivanje koristi se za izradu pojedinačnih komponenata stabilne impe-danse. Ako je npr. na izlaz prvog hibridnog sprežnika vezana aktivna kompo-nenta (tranzistor, dioda) i ona otkaže, refleksija od ove otkazale komponente ide nazad ka ulazu. Međutim, ceo reflektovan signal odlazi na zatvoreni port i nema bilo kakav uticaj na ulazni signal → ovakvom vezom dobili smo kompo-nentu stabilne (konstantne) impedanse i konstantnu vrednost VSWR na ulazu

Osim podataka o frekventnom radnom opsegu i vrednostima izolacije, VSWR i unetog slabljenja, u katalozima figurišu podaci i o vrednostima još dva parametra kvadraturnih hibridnih sprežnika: amplitudni balans i fazni balansparametra kvadraturnih hibridnih sprežnika: amplitudni balans i fazni balans. Amplitudni balans poredi nivoe snage na izlaznim portovima; idealno, oba porta treba da daju signale koji su 3 dB ispod nivoa ulaznog signala (jednaki polovini ulaznog signala) ali se u praksi javljaju varijacije Poželjne su štopolovini ulaznog signala), ali se u praksi javljaju varijacije. Poželjne su što manje varijacije kako bi oba kola priključena na izlaze dobijala istu energiju. Tipična vrednost amplitudnog balansa je ±0.5 dB → nivoi signala na izlazu variraju od 2.5 do 3.5 dB ispod nivoaj pulaznog signala.Fazni balans je parametar koji definišekoliko maksimalno fazna razlika izmeđusignala na dva izlaza sme da odstupa od 90º u okviru propisanog frekventnogradnog opsega. Idealnu faznu razlikud 90º ć j d ž ti lod 90º moguće je održati samo u vrlo

uskom opsegu frekvencija, a u praksipostoje dozvoljene varijacije usled kojihje moguć pravilan rad hibridnog sprežje moguć pravilan rad hibridnog sprež-nika u znatno širem opsegu frekvencija.Tipična vrednost je ±1.5º.

Primena kvadraturnih hibridnih sprežnika- Prilagođeni detektori – Detektori izrađeni tako što su na izlaze kvadraturnog hibridnog sprežnika vezane usklađene diode (diode jednakih električnihhibridnog sprežnika vezane usklađene diode (diode jednakih električnih karakteristika). Na diode se iz izlaza sprežnika dovode identični signali, uz malu razliku u amplitudama, u okviru dozvoljenog amplitudnog balansa koji ne remeti rad detektora Zadatak ovako izrađenog prilagođenog detektora jene remeti rad detektora. Zadatak ovako izrađenog prilagođenog detektora je da RF signal sa ulaza efikasno pretvori u jednosmerni ili video signal, zavisno od potrebe. Kombinacija dva osnovna svojstva kvadraturnog hibridnog sprežnika (jednaki nivoi snage na izlazima i dobra izolacija između ulaznih i p (j g jizlaznih portova) čini ga veoma pogodnim za primene u kojima su potrebni kvalitetni detektori.

-Sabirajući pojačavači (Combining amplifiers) – Pojačavači kod kojih su iskorišćena dva kvadraturna hibridna sprežnika vezana leđa-u-leđa, sa komponentama za pojačanje signala (tranzistori) vezanim između njih (na o po e ta a a pojača je s g a a (t a sto ) e a eđu j ( aizlaze prvog i ulaze drugog sprežnika). Oba pojačavača dobijaju identične signale iz prvog sprežnika, koji nakon pojačanja odlaze na ulaze drugog sprežnika, koji ih sabira, tako da na izlazu dobijamo signal po obliku istovetan ulaznom, ali znatno povećanog nivoa snage usled dejstva dva pojačavača.Otkaz ili degradacija funkcionalnosti jednog od pojačavača nema uticaja na ulazni signal jer refleksija od otkazalog pojačavača, odlazeći ka ulazu, završava

t t I l i i l j i d lj i t t blik k l i li jna zatvorenom portu. Izlazni signal je i dalje istovetnog oblika kao ulazni, ali je nivo snage niži zato što sada pojačanje vrši samo drugi pojačavač.

SPST prekidači (Single-pole single-throw switches) – Prekidači bazirani takođe na dva kvadraturna hibridna sprežnika vezana leđa-u-leđa, sa diodama između njih, s tim što ovoga puta drugi ulazni port nije zatvoren već služi kao izlaz #2.Kada su diode pod punom direktnom polarizacijom, one imaju veoma malu otpornost i praktično ne utiču na ulazni signal. Naime, signal sa ulaznog porta prolazi kroz kombinaciju hibridnih sprežnika uz vrlo malo slabljenje i javlja se na i l #1 i t blik i t j d k i k l K dizlazu #1 u istom obliku i gotovo jednakog nivoa snage kao na ulazu. Kad se ukloni direktna polarizacija sa dioda, one imaju veoma veliku otpornost, kao da između dva sprežnika postoji prekid. Zato sada sva energija koja se pojavi