PROGETTAZIONE DEL LAYOUT DEL CIRCUITO

7.2 PROGETTAZIONE DEL LAYOUT DEL CIRCUITO

La progettazione del circuito in esame, così come ogni circuito a microonde, richiede l’identificazione e la valutazione di diversi elementi quali:

• Individuazione dei componenti da utilizzare nel prototipo

• Determinazione della larghezza delle piste e della loro lunghezza

• Individuazione del layout più adatto alla struttura complessiva in esame

• Presentazione delle simulazioni elettromagnetiche • Valutazione dell’ingombro del circuito

7.2.1 Individuazione dei Componenti da Utilizzare nel Prototipo

Il primo passo per la realizzazione del layout è quello di individuare il footprint di tutti i componenti che verranno utilizzati nella fase di montaggio del circuito. Per la realizzazione di un corretto layout è infatti necessario conoscere l’ingombro di tali componenti (package) e la posizione dei loro piedini (leads).

Per alcuni componenti, come le capacità dell’ATC e le induttanze della Coilcraft, il layout è già presente nelle librerie di Microwave Office. Per tutti gli altri, invece, è stato necessario disegnarlo,

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facendo riferimento alle dimensioni riportate nei Data-Sheet dei componenti.

Per quanto riguarda le resistenze si utilizzeranno quelle della NeOhm o della Bourns (a seconda della disponibilità); in entrambi i casi si useranno componenti appartenenti alla serie 0805.

Come capacità da 10pF si utilizzeranno quelle della Murata con codice identificativo GRM188R71H103KA01B.

Il transistor PNP è il componente MMBT2907A dell’ON SEMICONDUCTOR.

Il dispositivo attivo, come già indicato nei Capitoli 3 e 6, è l’E-PHEMT ATF54143 dell’Agilent Technologies.

I data-sheet di tutti i componenti utilizzati, in cui vengono riportate anche le dimensioni dei componenti stessi, sono presentati in Appendice B.

Per quanto riguarda invece lo splitter a 90°, non è stato possibile, a causa delle tempistiche di consegna da parte del fornitore, reperire il componente HPQ-05W della Mini-Circuits che si era scelto per il progetto.

Si è così utilizzato il Power Splitter PSCQ-2-450, sempre della Mini-Circuits, già disponibile in laboratorio e il cui range di funzionamento, da 350MHz a 450MHz, lo rende comunque adatto al progetto.

Questo componente presenta però, come valori tipici, una insertion-loss di 0.5dB, un’amplitude unbalance di 1.50dB e una phase unbalance di 5 gradi. Questi valori sono decisamente peggiori rispetto a quelli dello splitter che si era scelto. Per questo motivo, prima di procedere alla caratterizzazione del circuito complessivo sarà necessario ripetere le simulazioni tenendo conto di questi cambiamenti.

Tale splitter, inoltre, ha un ingombro molto superiore a quello del componente che si era scelto e anche i piedini sono in posizione differente. Per questo motivo, il layout, una volta che si avrà a disposizione il componente HPQ-05W, dovrà essere rivisto.

Infine, lo splitter in questione non è a montaggio superficiale. Per questo motivo, verrà montato nella faccia inferiore della basetta e la sua presenza, nella faccia superiore sarà testimoniata solamente dalle saldature e dai fori dei suoi piedini.

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7.2.2 Determinazione della Larghezza delle Piste e della loro Lunghezza Relativamente al Dispositivo Singolo

In questa fase, è indispensabile conoscere le caratteristiche elettriche e fisiche del substrato dove verranno realizzate le piste. Il dielettrico è vetronite (costante dielettrica pari a 4.7 e loss tangent di 0.02) nel quale sono depositati due strati di rame

(spessore di 17.5µm).

Lo spessore complessivo è di 1.6mm.

Note queste caratteristiche, è possibile determinare la larghezza delle piste utilizzando il programma TXLine (vedi Capitolo 5).

Quello che risulta è che le piste di segnale, alla frequenza di 408MHz e per una impedenza caratteristica di 50Ω, devono essere larghe 2.9mm.

A questo punto bisogna determinare la lunghezza delle piste che caratterizzano il circuito. Anche questa infatti è piuttosto critica per il mantenimento delle performance del sistema. Si è infatti verificato, con l’ausilio di TXLine, che una variazione di 1mm nella lunghezza di una pista provoca, alla frequenza di 408MHz, una variazione di 1 grado sulla lunghezza elettrica. Purtroppo però la lunghezza delle piste sarà legata al posizionamento dello splitter. La presenza di quest’ultimo porta infatti all’inevitabile conseguenza di avere delle piste di ingresso e di uscita piuttosto lunghe.

Si ribadisce che, facendo uso dello splitter HPQ-05W, questa lunghezza risulterà notevolmente ridotta.

In Fig.7.1 e Fig.7.2 sono riportati i risultati delle simulazioni circuitali riguardanti adattamento, guadagno e noise figure del dispositivo a singolo stadio. Come si vede, l’effetto della presenza delle piste sulle simulazioni è piuttosto ridotto per quanto riguarda il guadagno e la noise figure, mentre diventa abbastanza evidente sull’adattamento. In particolare produce uno spostamento verso

frequenze inferiori dei picchi dell’S_{1 1} e dell’S_{2 2}.

Infine, per quanto riguarda le piste della rete di polarizzazione, la loro larghezza non deve sottostare ad alcun vincolo, dato che questa per la continua non rappresenta un valore critico.

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7.2.3 Individuazione del Layout della Struttura Bilanciata

Una volta individuata la lunghezza delle piste del dispositivo a singolo stadio, si pone il problema di determinare la struttura complessiva del layout dell’amplificatore bilanciato. È infatti indispensabile, per il mantenimento delle performance dell’amplificatore stesso, che i due dispositivi a stadio singolo siano il più possibile simmetrici.

L’ostacolo che appare subito evidente è che il dispositivo attivo non è simmetrico. Questo significa che non sarà possibile mantenere la sua orientazione uguale in entrambi i rami, a meno di aumentare l’ingombro complessivo del circuito.

Figura 7.1

Prendendo come riferimento l’Application Note 1281 dell’Agilent Technologies in cui è presentato il layout di un amplificatore bilanciato, nel quale si fa uso del dispositivo ATF54143, si è scelto di piazzare i due componenti attivi a 90° tra loro anziché dargli la stessa orientazione.

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Figura 7.2

Il problema è ulteriormente complicato dalla particolare disposizione dei piedini dello splitter. Si è ovviato a questo inconveniente creando delle piazzole più grandi in prossimità dei piedini del dispositivo attivo. In questo modo le piste e le piazzole delle due vie continuano a rimanere identiche e il problema si risolve saldando i relativi componenti in modo opportuno.

Analoga situazione si presenta con le induttanze della Coilcraft della serie Midi e Maxi Spring, in quanto asimmetriche. Anche in questo caso il problema viene risolto progettando delle piazzole più grandi e saldando in modo opportuno i componenti.

A questo punto è necessario valutare l’impatto che queste differenze, seppur minime, hanno sulla struttura complessiva del circuito.

Occorre fare delle considerazioni anche sulle reti di polarizzazione. Come si è detto nel Capitolo 3, per alimentare il dispositivo si è scelta una rete di polarizzazione attiva. Anche in questo caso sono sorti dei problemi in quanto il transistor PNP scelto per il progetto è asimmetrico.

Inevitabilmente si sono dovute realizzare due reti di polarizzazione diverse tra loro come disposizione dei componenti (anche se

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completamente identiche come valori degli stessi e come topologia).

Ciò non costituisce però un problema in quanto il requisito della simmetria è richiesto per le linee a RF e non per la continua.

Il problema reale è invece che l’asimmetria del PNP rende impossibile portare l’alimentazione ad entrambi gli stadi partendo da un unico punto comune e utilizzando solo piste presenti sul layout.

Dopo avere valutato diverse soluzioni di layout, quella migliore e più semplice da un punto di vista pratico e funzionale è sembrata quella di portare la continua a uno dei due amplificatori attraverso un bridge, realizzato con un filo fatto passare sotto al bottom layer. Per maggiore chiarezza, in Fig.7.3 viene riportato lo schematico con le piste.

I risultati delle simulazioni relative ad adattamento, noise figure e guadagno della struttura bilanciata, in presenza delle piste, sono del tutto simili a quelli ottenuti nel caso del singolo stadio.

7.2.4 Risultati delle Simulazioni Elettromagnetiche

Per valutare nel modo più preciso e corretto l’impatto che le differenze seppur minime tra le due vie a RF hanno sulle prestazioni del sistema, si è preferito fare ricorso alle simulazioni elettromagnetiche (vedi Capitolo 5).

In tal senso si sono create le strutture elettromagnetiche corrispondenti alle piste delle vie a RF di ingresso e di uscita dei due amplificatori a singolo stadio. Le piste oggetto della simulazione elettromagnetica sono indicate in rosso in Fig.7.4.

Per rendere la simulazione il più realistica possibile, si è prestata particolare attenzione a porre le porte della struttura, con la massima precisione possibile, in corrispondenza dei punti di saldatura dei componenti.

Per maggiore chiarezza, in seguito viene indicato con A1, l’amplificatore a singolo stadio posto in posizione superiore in Fig.7.3. Con A2 viene invece indicato l’amplificatore a singolo stadio posto inferiormente.

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I risultati delle simulazioni EM sono riportati sotto forma di modulo e fase della perdita introdotta dalle reti di ingresso e di uscita.

In Tabella 1 e in Tabella 2 vengono riportati i valori relativi rispettivamente alle vie di ingresso di uscita.

Frequenze Perdita A1 (modulo) [dB] Perdita A2 (modulo) [dB] ∆ MODULO Perdita A1 (fase) [degree] Perdita A2 (fase) [degree] ∆ FASE 400 -1.6663 -1.6974 0.0311 54.268 55.372 1.104 408 -1.5667 -1.5963 0.0296 52.34 53.454 1.114 416 -1.4744 -1.5025 0.0281 50.463 51.588 1.125

Tabella 1. Simulazioni EM relative alle vie di ingresso

Tabella 2. Simulazioni EM relative alle vie di uscita

Come si vede dalle tabelle, la differenza tra i moduli delle vie, sia di ingresso che di uscita, è dell’ordine dei 0.03dB (2%) e può quindi essere considerata trascurabile.

Per quanto riguarda invece lo sfasamento, le due vie di ingresso presentano una differenza di fase reciproca di circa 1.1gradi mentre le due vie di uscita presentano uno sfasamento di circa 0.4gradi. Anche se si è detto che la differenza di un grado della lunghezza elettrica corrisponde ad una lunghezza di 1mm, uno sfasamento di questo tipo può essere considerato trascurabile poiché si era notato che, nella struttura bilanciata, uno sfasamento di qualche grado tra le due vie non produceva effetti rilevanti sulle simulazioni (vedi Paragrafo 6.2.9).

Alla luce dei risultati trovati, si sono ripetute tali simulazioni con uno sfasamento di 4 gradi sia sulla via di ingresso che su quella di uscita.

Ciò che si è trovato è che adattamento e guadagno rimangono praticamente gli stessi, mentre la NF peggiora di circa 0.03dB.

Frequenze Perdita A1 (modulo) [dB] Perdita A2 (modulo) [dB] ∆ MODULO Perdita A1 (fase) [degree] Perdita A2 (fase) [degree] ∆ FASE 400 -1.6018 -1.5817 0.0201 18.023 18.389 0.366 408 -1.5635 -1.5434 0.0201 16.937 17.309 0.372 416 -1.5327 -1.5126 0.0201 15.842 16.221 0.379