quarta-feira, 23 de dezembro de 2009

Spintrônica: chips que usam propriedades quânticas estão a caminho

Pesquisadores holandeses conseguiram transferir informações magnéticas diretamente para um semicondutor e, pela primeira vez, eles fizeram isto a temperatura ambiente. Esta comunicação representa a unificação entre as funções de armazenamento - uma função tipicamente magnética nos computadores atuais - e de cálculo - uma função desempenhada pelos semicondutores.
Vários outros pesquisadores já haviam demonstrado a possibilidade dessa união entre magnético e semicondutor, mas os experimentos vinham sendo feitos em temperaturas muito baixas ou em materiais mais exóticos.


Novo paradigma da computação


A demonstração da troca direta de informações entre materiais magnéticos e semicondutores, especificamente para o silício, é um passo histórico no desenvolvimento de um novo paradigma para a eletrônica e para a computação. O feito representa uma espécie de elo perdido que vem unir as duas áreas fundamentais da computação e poderá abrir caminho para uma nova forma de eletrônica, a chamada spintrônica. Entre algumas das vantagens da spintrônica, além da miniaturização, estão o reduzidíssimo consumo de energia e a capacidade de reter as informações na ausência de alimentação, uma vez que o material semicondutor estará magnetizado.

Chips quânticos

Ao contrário da eletrônica atual, que explora a carga do elétron e seu movimento, a spintrônica utiliza uma propriedade quântica do elétron chamada spin, uma espécie de "rotação" que faz com que um spin assuma duas posições. Os termos "para cima" ou "para baixo" são convenções usadas para representar a "posição" do spin, o que significa que ele pode ser usado para armazenar um bit de informação, assumindo um valor que pode ser 0 ou 1. Fazer um spin passar de 0 para 1 e vice-versa requer pouquíssima energia, muito menos do que o fluxo de elétrons usado nos computadores atuais. O grande desafio é transferir o dado - o 0 ou o 1 do spin - para o semicondutor, o material com que são feitos os processadores, para que esse dado possa ser usado nos cálculos computacionais.


Comunicação entre materiais magnéticos e semicondutores


No experimento agora feito na Universidade de Twente, Ron Jansen e seus colegas fabricaram um sanduíche formado por uma película finíssima - menos de 1 nanômetro de espessura - de óxido de alumínio colocada entre um material magnético e um material semicondutor.
A espessura das películas de cada um dos materiais, que contêm algumas poucas camadas de átomos, é crucial para o funcionamento do dispositivo. O material magnético tem a propriedade do magnetismo porque a maioria dos seus elétrons têm os spins apontando na mesma direção. Ao aplicar uma tensão ao longo da interface de óxido de alumínio, os pesquisadores demonstraram que é possível transferir esses elétrons com spins conhecidos para o semicondutor. O dispositivo permitiu confirmar que os elétrons mantêm sua polarização por um tempo suficiente para fluírem vários nanômetros ao longo do semicondutor, o que é mais do que o suficiente para seu uso em circuitos spintrônicos. O efeito prático é a criação de uma magnetização no semicondutor, com uma orientação e uma magnitude totalmente controláveis por meio da tensão aplicada.
O próximo passo da pesquisa será fabricar os primeiros componentes spintrônicos, capazes de utilizar e manipular as informações disponíveis nos spins transferidos para o semicondutor.


Fonte: Inovação Tecnológica

sexta-feira, 11 de dezembro de 2009

Antenas de metal líquido podem ser dobradas e deformadas

As antenas são construídas com um metal líquido injetado nos microcanais de um elastômero. Elas podem ser dobradas e deformadas porque suas propriedades mecânicas são determinadas pelo elastômero e não pelo metal.


Em um mundo em que cada pessoa está se transformando em um nó de uma rede mundial sem fios, as antenas estão se tornando cada vez mais importantes. Agora, pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte, nos Estados Unidos, criaram antenas que podem ser torcidas, dobradas e enroladas para armazenamento, abrindo a possibilidade de uma versatilidade ainda maior no uso de equipamentos eletrônicos e na extensão das redes sem fios. Ao retornarem ao seu formato original, as antenas flexíveis retomam também seu funcionamento, mantendo o mesmo desempenho para o qual foram originalmente projetadas.

Antenas maleáveis e flexíveis

À parte desenvolvimentos futurísticos de nanoantenas para comunicação por luz, mesmo as antenas mais modernas são feitas de cobre ou outros metais, com rígidas limitações com relação ao quanto elas podem ser dobradas e, principalmente, quantas vezes elas podem ser flexionadas antes que a fadiga do metal as inutilize completamente. As novas antenas, desenvolvidas pela equipe do professor Michael Dickey, não apenas podem ser inteiramente dobradas um sem-número de vezes - elas retornam automaticamente ao seu formato original, voltando a funcionar sem qualquer perda de rendimento - elas irradiam com uma eficiência próxima aos 90%. Os pesquisadores acreditam que suas antenas maleáveis terão grande utilidade em aplicações onde a rigidez das antenas tradicionais representam um empecilho ao uso de aparelhos móveis, como telefones celulares, TVs e aparelhos de GPS.

Metal líquido

As antenas flexíveis e maleáveis são fabricadas com um metal líquido injetado em um polímero poroso e flexível. Elas podem ser deformadas à vontade porque suas propriedades mecânicas são ditadas pelo elastômero, e não pelo metal líquido. Os pesquisadores construíram as antenas injetando uma liga dos metais índio e gálio - que permanece líquida à temperatura ambiente - em canais tão finos quanto um fio de cabelo humano. Depois que a liga preenche completamente cada canal, sua superfície oxida, criando uma espécie de "pele" que mantém a liga firme na posição e permite que ela retenha suas propriedades líquidas. "Como a liga permanece na forma de um líquido, ela herda as propriedades mecânicas do material no qual ela está incorporada," explica Dickey.

Antena multifrequencial e sensor

A inovação tem dois benefícios adicionais. O primeiro é que, como a frequência de uma antena é determinada pelo seu formato, é possível usar a mesma antena maleável para transmissão em diversos canais, simplesmente esticando-a. O segundo benefício é que as antenas maleáveis podem funcionar como sensores. Montadas, por exemplo, em pontes ou outras obras de construção civil, elas transmitirão em frequências diferentes conforme as construções se expandam ou se contraiam, permitindo um monitoramento remoto sobre suas condições estruturais.

Mais caras

Os pesquisadores acreditam que as antenas maleáveis serão adequadas para determinados nichos de aplicações - por exemplo, onde haja limitações de espaço, quando as antenas poderão ficar acondicionadas em pequenos compartimentos até serem necessárias. Isto porque a liga de metal líquido é mais cara do que o cobre e os outros metais tipicamente utilizados na fabricação das antenas tradicionais.

Fonte: Inovação Tecnológica

sexta-feira, 4 de dezembro de 2009

Transmissão em SSB [Conclusão]

Amplificador Linear

Cabe ao amplificador linear a tarefa de fornecer potência ao sinal de SSB gerado pelo excitador de SSB. O amplificador linear tanto pode ser faixa-estreita quanto faixa-larga. A Figura 11 mostra o diagrama em blocos de um amplificador linear faixa-estreita.


Figura 11 - Amplificador linear de três estágios, faixa-estreita.


Os transistores ficam entre circuitos passa-faixa LC, responsáveis pela seletividade e o acoplamento entre os estágios.
O amplificador faixa estreita é apropriado para transmissores de freqüência fixa ou que operem numa faixa de freqüência estreita. Um amplificador é chamado de faixa-estreita se sua faixa de passagem é apenas uma fração de sua freqüência central, ou seja:

Amplificador faixa-estreita: BW/fo >>1.

Se a razão BW/fo for pouco inferior a 1 ou igualou maior que a unidade, então o amplificador será considerado de faixa-larga (Figura 12).




Devido ao uso do misturador, necessita-se de seletividade adequada para suprimir os sinais indesejáveis presentes em sua saída. Quanto maior a freqüência de transmissão, fr, e menor a freqüência intermediária, fi, maior é a seletividade necessária (Figura 13).




Por isso, deve-se escolher a freqüência central do filtro de faixa lateral de forma a reduzir os requisitos de seletividade. Isso é conseguido pela escolha de um filtro cuja freqüência central esteja entre 1,6 MHz e 9 MHz, quando se for transmitir em freqüências superiores a 10 MHz.
Para freqüências inferiores, os filtros de 455 kHz serão adequados.
Uma alternativa diferente, que contorna a necessidade do uso de filtros passa-faixa muito seletivos, é a utilização de duas conversões após a filtragem da faixa lateral (Figura 14).


Figura 14 - O uso de dupla conversão possibilita a obtenção de frequências elevadas a partir da FI de 455 KHz.


Os amplificadores utilizados para amplificar o sinal de SSB devem possuir boa linearidade para que não ocorram distorções que venham a prejudicar a qualidade do sinal e gerar intermodulação, o que poderia causar interferência sobre os canais vizinhos ao da freqüência irradiada. A Figura 15 ilustra a curva característica de transferência e as novas freqüências geradas pela intermodulação entre dois sinais de freqüências próximas.


Figura 15 - Gráficos que relacionam a geração de espúrios com a curva característica de transferência do amplificador.


O amplificador linear é o único que não gera nenhum espúrio. O amplificador que apresenta uma característica quadrática exibe um espectro onde aparecem produtos de intermodulação de 2ª ordem, ou seja, f2 ± f1.
Como esses sinais estão bastante afastados, em freqüência, dos sinais originais, os filtros LC conseguem suprimi-los com relativa facilidade.
Já o amplificador que apresenta uma região cúbica em sua característica de transferência, além de gerar produtos de intermodulação de 2ª ordem como no amplificador quadrático, também gera produtos de intermodulação de 3ª ordem, ou seja, 2f2 - f1 e 2f1 - f2. Esses sinais estão muito próximos em freqüência dos sinais originais, para que possam ser eliminados pelos filtros LC, e causam interferência prejudicial em canais de RF adjacentes ao canal utilizado. Por isso, todo o cuidado deve ser dedicado ao projeto de amplificadores lineares para SSB no sentido de obter-se o máximo de linearidade.
A distorção em amplificadores transistorizados é causada principalmente pela relação não-linear entre a tensão base-emissor e a corrente de coletor. Como a relação entre a corrente de coletor e a corrente de base é bem mais linear que a outra característica, o amplificador excitado em corrente apresenta uma distorção muito menor que o excitado em tensão (Figura 16).




Contudo, se a junção base-emissor receber uma polarização adequada, de tal maneira que o transistor opere sempre na região além do "joelho" da curva, a distorção resultante será bastante reduzida. O circuito que fornece essa tensão de polarização deve possuir baixa resistência interna. Isso é necessário porque o transistor de potência pode necessitar de correntes de base da ordem de centenas de miliampères durante o pico de excitação, contra apenas alguns miliampères no estado de repouso. Além disso, o circuito deve ser sensível à temperatura, para evitar a avalanche térmica do transistor de potência, o que é conseguido pelo emprego de termistores, diodos ou transistores, como sensores de temperatura.
Os cuidados com relação ao aquecimento devem ser os mesmos dedicados aos amplificadores de potência de áudio. Quanto à temperatura, os transistores de potência de RF devem trabalhar mais frios, para que possam melhor suportar um eventual descasamento de impedância com a antena. Daí a necessidade de usar dissipadores de calor de dimensões avantajadas. A Figura 17 mostra um circuito típico de polarização classe AB, muito utilizado em amplificadores lineares.


Figura 17 - Circuito de polarização regulada compensada em temperatura.


É aproveitada a baixa resistência dinâmica de um diodo diretamente polarizado para se obter uma tensão de polarização entre base-emissor praticamente independente da corrente de base.
R3 deve ser capaz de permitir a circulação de uma corrente igual ao valor próximo de IB no pico da modulação. C1 permite uma melhor regulação dinâmica, fornecendo corrente durante surtos momentâneos de demanda. R2 é ajustado para que a corrente de repouso de coletor seja apenas suficiente para evitar distorção excessiva em baixos níveis de potência. XRF1 serve para isolar (para RF) a base, de C1. R1 juntamente com R2 e a resistência ôhmica do choque, atua como um divisor de tensão. A tensão VBE fica em tomo de 0,55 V e a corrente de repouso de coletor por volta de 5% da corrente máxima, o que ocorre somente durante os picos de modulação.
Para se reduzir a distorção em amplificadores lineares também pode ser empregada a realimentação negativa. Como o uso da realimentação negativa alarga a curva de resposta em freqüência, seu uso é indicado em amplificadores faixa-larga.
A Figura 18 mostra o diagrama dos primeiros dois estágios de um amplificador linear cuja potência final é de 20 WPEP.


Figura 18 - Pré-amplificador de RF de dois estágios.


É utilizada realimentação negativa para reduzir a distorção e uniformizar o desempenho do circuito, permitindo um bom controle do ganho obtido em cada estágio. Os resistores Re fornecem realimentação negativa de tensão, enquanto os resistores RE fornecem realimentação negativa de corrente. Os transformadores T1 e T2 casam a impedância entre coletor e base. Os capacitores de 100 pF em paralelo com T1 e T2 sintonizam os mesmos na freqüência central de operação. A largura de faixa excede 1 MHz.
Apesar de ambos os tipos de realimentação reduzirem tanto o ganho quanto a distorção do estágio, seus efeitos sobre as impedâncias de terminação são diversos. RF diminui as impedâncias de entrada e de saída. RE eleva-as (Tabela 1).


Tabela 1


Os capacitores C6 e C10 sintonizam L3 e L5 para a freqüência desejada. Os demais capacitores devem apresentar uma baixa reatância capacitiva para a freqüência do sinal amplificado.


Figura 19 - Desenho simplificado do amplificador com dupla realimentação


Se for desejada a operação em faixa-larga, os capacitores C6 e C10 deverão ser omitidos e os indutores L3, L4 e L5, L6 trocados por transformadores bifilares toroidais de relação de impedâncias 4 : 1 (N = 2 : 1). A Figura 20 mostra a curva de resposta que pode ser obtida, e a Figura 21, o circuito simplificado.


Figura 20 - Curva de resposta de um estágio faixa-larga utilizando degeneração série-paralela.


Figura 21 - Circuito simplificado de um estágio amplificador faixa-larga.


A curva de resposta exibe um corte em baixa freqüência devido à queda de reatância do transformador. Em alta freqüência o corte deve-se principalmente às características do transistor.
Para a curva mostrada o transistor deve ter uma fT de 500 MHz.
A Figura 22 mostra o excitador e o amplificador de potência linear de um transmissor de SSB de 20 W. É utilizada realimentação negativa paralela no estágio excitador e a polarização de base é suprida da forma mostrada na Figura 17. O casamento de impedâncias entre Q1 e Q2 é proporcionado pelo capacitor C6. O indutor L1 sintoniza o coletor de Q1 na freqüência central de transmissão.


Figura 22 - Excitador e amplificador de potência linear classe AB de 20W PEP de saída.


O amplificador de potência Q2 é polarizado em classe AB, da mesma maneira que o estágio excitador. A associação de R8 e C8 ajuda a prevenir oscilações indesejáveis. O capacitor C9 tem a mesma finalidade. L2 sintoniza o coletor de Q2 e a rede formada por C10, L3 e C13 casam a impedância. A rede formada por C14 e L4 atua abaixo da freqüência de ressonância série, que é de 12,1 MHz. Sua finalidade é permitir a sintonia exata do amplificador de potência através do ajuste de L4. Todos os componentes entre L5 e o conector de antena atuam como filtro de harmônicos, sendo que L7 e C17 devem estar sintonizados na freqüência do segundo harmônico, ou seja, 14,4 MHz. O resistor R9 serve para descarregar a eletricidade estática acumulada na linha de transmissão que conecta o transmissor à antena, durante tempestades elétricas.
Os valores em ohms indicado dentro das elipses, no circuito da Figura 22, correspondem às impedâncias nos pontos assinalados. O mesmo é verdadeiro para os valores de potência.
Os choques de 47 µH são microchoques de ferrite, da SONTAG, assim como as formas, ferrites e canecas de blindagens dos indutores de ferrite utilizados nos circuitos das Figuras 10, 18 e 22.
Um transmissor completo de SSB para a faixa de 7,2 MHz pode ser obtido pela conexão dos circuitos das Figuras 10, 18 e 22.

Fonte:
Telecomunicações
Juarez do Nascimento
Makron Books

quinta-feira, 3 de dezembro de 2009

Transistores de pé farão chips menores e mais rápidos


Transistores são estruturas planas construídas sobre as pastilhas de silício. Se eles forem colocados de pé, caberão muitos mais deles na mesma área. A saída está nos transistores nanofios, agora construídos pela primeira vez.


Transistores de nanofios

A maneira tradicional de colocar mais transistores dentro do mesmo chip tem sido diminuir o tamanho dos transistores. Mas há outra abordagem possível: os transistores são estruturas planas construídas sobre pastilhas de silício. Se eles forem colocados de pé, caberão muitos mais deles na mesma área. Com isso em mente, há algum tempo os cientistas têm olhado com muito interesse para os nanofios - fios tão finos que seu diâmetro pode ser medido em átomos - já que eles podem ser fabricados em estruturas tridimensionais, que se projetam para cima a partir de um substrato.

Camadas bem definidas

Os componentes eletrônicos, como os transistores, são frequentemente feitos de estruturas heterogêneas, o que significa que eles são formados por sanduíches de diversos materiais. O grande desafio é construir os nanofios verticalmente em camadas bem definidas de materiais semicondutores, como silício e germânio, para que eles possam funcionar como transistores. Esse foi o progresso agora alcançado pela primeira vez por cientistas da Universidade Purdue, nos Estados Unidos. Os pesquisadores descobriram como criar nanofios com camadas de diferentes materiais e com fronteiras muito bem definidas - com precisão atômica - entre as diversas camadas de material, uma exigência crítica para a fabricação de transistores de nanofios. "Tendo camadas bem definidas de materiais permite otimizar e controlar o fluxo de elétrons e ligar e desligar esse fluxo," explica o professor Eric Stach, um dos autores da pesquisa, feita em colaboração com cientistas da IBM.

Manutenção da Lei de Moore

Essas estruturas de nanofios representam um possível caminho para a fabricação de uma nova geração de transistores ultra pequenos, mantendo o ritmo de miniaturização atual, que tem conseguido justificar a chamada Lei de Moore, segundo a qual o número de transistores por área no interior de um processador dobra a cada 18 meses. "Mas primeiro nós temos que descobrir como fabricar nanofios com padrões exatos, antes que a indústria possa começar a usá-los para fabricar transistores." A cautela demonstrada pelo pesquisador justifica-se porque os transistores de nanofios foram construídos inteiramente em escala de laboratório, utilizando um microscópio de transmissão eletrônica para monitorar a formação do nanofio.

Técnica de fabricação dos nanofios

Para fabricar os transistores de nanofios, os pesquisadores usaram inicialmente nanopartículas de uma liga de ouro e alumínio, que foram fundidas no interior de uma câmara de vácuo. A seguir, a câmara foi inundada com vapor de silício. Aos poucos, a "gota" de ouro-alumínio absorveu silício até se tornar supersaturada, fazendo com que o silício na forma de gás se precipitasse e formasse fios a partir de cada "gota". Cada nanofio recebeu então, na extremidade superior, uma gota da mesma liga de ouro-alumínio, fazendo com que a estrutura lembrasse um cogumelo. Com a redução da temperatura no interior da câmara, a cobertura de ouro-alumínio solidificou-se, permitindo a deposição de uma camada de germânio, criando uma estrutura heterogênea de germânio-silício. O ciclo pode ser repetido e invertido, injetando gás de germânio e depositando o silício a seguir, permitindo a fabricação de heteroestruturas com propriedades específicas.

Fonte: Inovação Tecnológica