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TCC: Estudo de uma Metodologia de Projeto de Indutores Integrados para RF

Discente: Vilmondes Ribeiro Silva

Orientador: Prof. Dr. Davi Sabbag Roveri

Título: Estudo de uma metodologia de projeto de indutores integrados para RF

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O TCC do discente Vilmondes Ribeiro Silva, do curso de engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, pela UFU no campus Patos de Minas, aborda a crescente demanda por sistemas de comunicação sem fio práticos e eficientes devido à popularização das comunicações móveis. E para atender a essas necessidades, os circuitos de radiofrequência (RF) estão sendo incorporados aos circuitos integrados (CI), incluindo componentes passivos como resistores, capacitores e indutores. Os indutores são particularmente cruciais em circuitos de RF. O estudo se concentra em desenvolver uma metodologia para a criação de indutores integrados, proporcionando versatilidade aos desenvolvedores e fabricantes para personalizar componentes para aplicações específicas.


Introdução

Considerando a necessidade de mais praticidade, eficiência e portabilidade, a elaboração e construção de circuitos de radiofrequência (RF) migrou dos dispositivos construídos com componentes discretos para os circuitos integrados (CI). Atualmente grande parte ou até mesmo sistemas inteiros de RF são integrados em um único chip.


O trabalho utiliza ferramentas de Computer Aided Design (CAD) para facilitar o desenvolvimento de componentes e circuitos integrados, proporcionando assistência na criação e simulação em ambientes de radiofrequência. Especificamente, são empregadas as ferramentas presentes nos laboratórios do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações para desenvolver e simular os parâmetros de um indutor integrado de RF.


Indutância


Um indutor é um componente passivo capaz de armazenar energia em seu campo magnético, sendo extensivamente usado nas engenharias elétrica e eletrônica. A indutância também depende de dimensões como o número de espiras e a geometria de construção das espiras. No Sistema Internacional de Unidades (SI) a unidade de indutância é o Henry.(H).


Indutores integrados e suas características


Indutores integrados são peças chave para a construção de circuitos integrados de radiofrequência (RFIC). O tipo mais comum de indutor integrado é o planar em espiral, devido justamente a típica estrutura de camadas da tecnologia de fabricação Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS).




Perdas nos indutores integrados


O entendimento dos mecanismos de perdas ajuda a compreender a dinâmica de modelagem e o próprio desenvolvimento de um indutor integrado, onde os principais mecanismos de perda são as perdas nas camadas metálicas e as perdas no substrato semicondutor. Perdas como:

  • Perdas no metal

  • Efeito pelicular

  • Efeito de proximidade

  • Perdas no substrato


Ambiente de Projeto


Os softwares usados são do tipo de desenho eletrônico automatizado ou do inglês Electronic Design Automation (EDA). Neles é possível construir sistemas usando componentes preexistentes ou importar componentes de terceiros como as empresas desenvolvedoras ou fabricantes de circuitos integrados, ou até mesmo é possível desenvolver os próprios modelos de componentes a serem posteriormente usados tal é a versatilidade destas ferramentas.


O método dos Momentos


O método dos momentos (MoM) é uma técnica numérica de discretização que é usada para resolver as equações de Maxwell para estruturas planares embarcadas em uma arquitetura de substrato dielétrico de multicamadas. No método dos momentos antes da discretização, as equações de Maxwell são transformadas em equações integrais lineares.


O método dos Elementos Finitos

O método dos elementos finitos (FEM) é também uma técnica numérica, e serve para obter soluções aproximadas de problemas de contorno em equações diferenciais. É um método muito utilizado em simuladores que calculam campos eletromagnéticos tridimensionais em estruturas genéricas. O ponto chave da técnica é dividir a estrutura analisada em milhares de pequenas regiões e representar o campo eletromagnético em cada uma dessas sub-regiões (também conhecidas como elementos) usando funções aplicadas localmente.


Resultado e Discussões


Para iniciar o processo de desenvolvimento foi definido uma tecnologia de substrato padrão que será usado em todos os projetos e simulações deste trabalho. Esta tecnologia de substrato se encontra no Process Desing kit (PDK) que é fornecido de forma gratuita para avaliação na página de consultoria em sistemas de RF e microeletrônica Dr. Mühlhaus Consulting & Software GmbH. Trata-se de uma tecnologia CMOS com substrato de silício de 6 camadas metálicas, denominado GPDK180.


O formato quadrado é um dos mais comuns para os indutores planares dado a simplicidade de desenho e aproveitamento do espaço disponível para determinados projetos.

Na Tabela são apresentados os valores obtidos na simulação. Como os valores de indutância variam com a frequência foi escolhido o valor de indutância na frequência em que é obtido o maior fator de qualidade Q.


Conclusão


Uma variação percentual entre estes valores e a simulação computacional é apresentada, onde é constatado que a maior variação percentual ficou com a equação baseada em Métodos Empíricos. Ou seja, em média as variações percentuais para os Métodos Empíricos, Correntes Superficiais e Ajuste de dados Monomial, ficaram respectivamente em 15%, 10% e 11%.

Também foram comparados os resultados obtidos pelos métodos dos momentos e elementos finitos. Computacionalmente o método dos momentos tem um desempenho melhor, resolvendo a simulação em menor tempo, o que já era esperado pois, o layout do componente é subdividido superficialmente por suas respectivas funções de base. Já o método dos elementos finitos, o tempo de execução é significativamente maior devido a subdivisão tridimensional do componente e posterior análise e refinamento dos resultados do campo eletromagnético entre os pontos da malha gerada.

Dos testes realizados é possível notar que formato octogonal é capaz de atingir valores maiores de indutância usando os mesmos valores de largura de espiras “W” e espaçamento entre as espiras “S” comparado ao formato quadrado. Também é notado que em relação ao fator de qualidade o formato octogonal apresenta uma leve vantagem em relação ao formato quadrado, porém o formato quadrado apresenta um aumento maior de indutância para o incremento de espiras.


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