PDF Análise E Projeto De Um Oscilador Colpitts Com Dupla ... - Ufsc

ANÁLISE E PROJETO DE UM OSCILADOR COLPITTS COM DUPLA REALIMENTAÇÃO POSITIVA OPERANDO EM ALTA FREQUÊNCIA E ULTRABAIXA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO

Rodrigo Eduardo Rottava

Orientador: Fernando Rangel de Sousa

Laboratório de Radiofrequência, UFSC

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

2/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

3/30

Introdução

Objetivo do trabalho:

Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentação positiva.

4/30

Introdução

Objetivo do trabalho:

Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentação positiva.

Motivação:

Hipótese de que a dupla realimentação será capaz de reduzir o consumo deste oscilador.

4/30

Introdução

Objetivo do trabalho:

Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentação positiva.

Motivação:

Hipótese de que a dupla realimentação será capaz de reduzir o consumo deste oscilador.

Aplicações:

WBANs (ultrabaixo consumo, energia extraída do ambiente).

4/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

5/30

ℜ{Y

}⩽−ℜ { Y

} ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

6/30

ℜ{Y

}⩽−ℜ { Y

} ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

6/30

ℜ{Y

}⩽−ℜ { Y

} ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

6/30

ℜ{Y

}⩽−ℜ { Y

} ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

Instabilidade G

< 0

6/30

ℜ{Y

}⩽−ℜ { Y

} ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

Ressonância B

= 0

6/30

A segunda realimentação

7/30

A segunda realimentação

Z

= Z

− j ω

ω

=−ω L

ω

ω Onde: ω

= g

C

7/30

A segunda realimentação

Z

= Z

− j ω

ω

=−ω L

ω

ω

i

v

= g

1 −g

ω L

ω

ω

Onde: ω

= g

C

7/30

A segunda realimentação

Z

= Z

− j ω

ω

=−ω L

ω

ω

i

v

= g

1 −g

ω L

ω

ω

A = g

Onde: ω

= g

C

β = ωL

'

= A 1− A β

7/30

A segunda realimentação

Z

= Z

− j ω

ω

=−ω L

ω

ω

i

v

= g

1 −g

ω L

ω

ω

Utilizando esta segunda técnica de realimentação obtemos a topologia

denominada oscilador Colpitts com dupla

realimentação positiva:

Onde: ω

= g

C

A = g

β = ωL

'

= A 1− A β

7/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

8/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

9/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

Perdas do circuito

9/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

Perdas do circuito

v

=α v

+ β v

v

é uma combinação linear de v

e v

:

onde: α (β)= 1

1 + C

C

− 1

ω

L

C

9/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

Perdas do circuito

v

=α v

+ β v

v

é uma combinação linear de v

e v

:

onde: α (β)= 1

1 + C

C

− 1

ω

L

C

9/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

Perdas do circuito

9/30

Representação de pequenos sinais da topologia proposta

Perdas do circuito

9/30

Modelagem simplificada

Perdas do circuito

10/30

Modelagem simplificada

Perdas do circuito

Perdas do circuito

10/30

Modelagem simplificada

Perdas do circuito

Perdas do circuito

v

=α v

+ β v

Relembrando: Transcondutância total de fonte:

Transcondutância total de dreno:

g

= g

−β g

g

= g

+ α g

10/30

Modelagem simplificada

Perdas do circuito

Perdas do circuito

10/30

Modelagem simplificada

Perdas do circuito

Perdas do circuito

C

= C

+α C

C

=C

− β

ω

L

L

= 1 1

L

+ α L

10/30

Mínima transcondutância de fonte

Utilizando a relação: g

= g

− g

n Transcondutância total de fonte:

g

= g

( 1−β/ n )+ g

β/ n Transcondutância total de dreno:

g

= g

( 1−α/ n )+ g

α/ n

11/30

Mínima transcondutância de fonte

Utilizando a relação: g

= g

− g

n Transcondutância total de fonte:

g

= g

( 1−β/ n )+ g

β/ n Transcondutância total de dreno:

g

= g

( 1−α/ n )+ g

α/ n Condição de instabilidade:

ℜ{Y

}⩽− G

11/30

Mínima transcondutância de fonte

Utilizando a relação: g

= g

− g

n Transcondutância total de fonte:

g

= g

( 1−β/ n )+ g

β/ n Transcondutância total de dreno:

g

= g

( 1−α/ n )+ g

α/ n Condição de instabilidade:

ℜ{Y

}⩽− G

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1+C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

11/30

Frequência de oscilação

ℑ{Y

}≈ω C

C

C

+ C

=ω C

ℑ{Y

}= −1 ω L

12/30

Frequência de oscilação

Condição de ressonância:

ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

ℑ{Y

}≈ω C

C

C

+ C

=ω C

ℑ{Y

}= −1 ω L

12/30

Frequência de oscilação

Condição de ressonância:

ℑ{Y

}=−ℑ {Y

}

ℑ{Y

}≈ω C

C

C

+ C

=ω C

ℑ{Y

}= −1 ω L

f

= 1

2 π √ ^L

^C

12/30

Estratégias para redução do consumo

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

A transcondutância de fonte g

está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile:

13/30

Estratégias para redução do consumo

A transcondutância de fonte g

está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile:

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g

mínimo:

13/30

Estratégias para redução do consumo

A transcondutância de fonte g

está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile:

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g

mínimo:

1. Razão capacitiva ótima:

K

= C

C

= √ ^G

^{+ g G}

^{+α g}

13/30

Estratégias para redução do consumo

A transcondutância de fonte g

está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile:

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g

mínimo:

2. Segunda realimentação positiva:

Para α e β < 0 e K

real

L

< 1

ω

( ^C

^{+ C}

^{( 1 + g}

^{g +G}

⁾ )

13/30

0 -10 -20 -30 -40 G

[ m S ]

0 1 2 3 4 5 6 7 8

L

[nH]

0 1 2 3 4 5 6 7 8

L

[nH]

30 20 10 0 -10 B

[ m S ]

Relação de Y

com L

Parâmetro C₁ C₂ C_gs C_gd n g_ms g_md Valor 2 pF 2 pF 2 pF 0 1,15 14 mS 0

14/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

15/30

Fluxo de projeto

Caracterização DC

g_ms, g_md, C_gs, C_gd

16/30

Fluxo de projeto

Caracterização DC Indutor de porta

L

< 1

ω

( ^C

^{+ C}

^{( 1 + g}

^{g +G}

⁾ )

16/30

Fluxo de projeto

Indutor de porta Razão capacitiva ótima Caracterização DC

K

= C

C

= √ ^G

^{+ g G}

^{+α g}

16/30

Fluxo de projeto

Razão capacitiva ótima

g_ms > necessário?

Indutor de porta Caracterização DC

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

16/30

Fluxo de projeto

g_ms > necessário?

Aumentar V_DD Não

Razão capacitiva ótima Indutor de porta

Caracterização DC

g

≥g

+ g

nC

/ C

n −β−α( 1 +C

/ C

) ( ^{1 + g G}

^{( 1 + C C}

⁾

)

16/30

Fluxo de projeto

Aumentar V_DD

Oscilador de baixa tensão otimizado Não

Sim Razão capacitiva ótima Indutor de porta

Caracterização DC

g_ms > necessário?

16/30

Fluxo de projeto de circuito integrado

Projetista Foundry

Especificações Projeto do CI

Simulação Design Kit

Layout

Extração parasitas

Tape out Fabricação

Testes e medições

17/30

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

; Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

18/30

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

;

18/30

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

;

18/30

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

;

O sc il ad or

18/30

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

;

B uf fe r

18/30

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

Especificações do projeto

Frequência: 2,4 GHz;

Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-V

;

A na lis ad or + B ia s T

18/30

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

Layout

Tecnologia: CMOS 0,13 μm Área total: 0,9 mm

19/30

Layout

Tecnologia: CMOS 0,13 μm Área total: 0,9 mm

Área: 0,46 mm

19/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

20/30

Simulação pós-layout

70 60 50 40 30 20 10 0.0

Tempo [ns]

V

[ m V ]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30 -50 -70 -90 -110

P N [ dB c/ H z]

10

10

10

10

10

Δf [Hz]

V

= 40 mV P

= 4 μW f

= 2,12 GHz

21/30

Simulação pós-layout

70 60 50 40 30 20 10 0.0

Tempo [ns]

V

[ m V ]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30 -50 -70 -90 -110

P N [ dB c/ H z]

10

10

10

10

10

Δf [Hz]

V

= 40 mV P

= 4 μW f

= 2,12 GHz

30 mV

21/30

Simulação pós-layout

70 60 50 40 30 20 10 0.0

Tempo [ns]

V

[ m V ]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30 -50 -70 -90 -110

P N [ dB c/ H z]

10

10

10

10

10

Δf [Hz]

V

= 40 mV P

= 4 μW f

= 2,12 GHz

30 mV

*

-91,5 dBc/Hz

21/30

Resultados preliminares de medição

V

= 53 mV P

= 0,9 μW f

= 1,86 GHz

-85 -86 -87 -88 -89 -90 -91

-92 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 freq [GHz]

P

[ dB m ]

22/30

Resultados preliminares de medição

Medições on-waffer

Esperamos obter resultados melhores ao fixar o circuito integrado em uma PCB, e utilizar fontes de alimentação de baixo ruído.

23/30

Comparação

Parâmetro [2] [3]a [3]b [4] Este

trabalho

Tecnologia (nm) 130 180 180 180 130

Tensão (mV) 475 600 400 350 53

Frequência (GHz) 4,90 5,60 5,60 1,40 1,86

Potência (mW) 2,70 3,00 1,10 1,46 0,0009

PN (dBc/Hz) -136,2

-118,0

-114,0

-128,6

-

[2] T. Brown, F. Farhabakhshian, A. Guha Roy, T. Fiez, and K. Mayaram.

[3] H.-H. Hsieh and L.-H. Lu.

[4] K. Kwok and H. Luong.

¹ @ 3 MHz

² @ 1 MHz

24/30

Sumário

1. Introdução

2. Topologia proposta 3. Análise

4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

25/30

Conclusões do trabalho

Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

26/30

Conclusões do trabalho

Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menor e consome menos potência.

26/30

Conclusões do trabalho

Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menor e consome menos potência.

Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.

26/30

Conclusões do trabalho

Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menor e consome menos potência.

Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.

Protótipo integrado em tecnologia CMOS 0,13 μm

oscila em 1,86 GHz, com 53 mV e consumindo 0,9 μW.

26/30

Conclusões do trabalho

Há um compromisso entre área e consumo.

27/30

Conclusões do trabalho

Há um compromisso entre área e consumo.

Colpitts clássico: área menor, consumo maior;

Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.

27/30

Conclusões do trabalho

Há um compromisso entre área e consumo.

Colpitts clássico: área menor, consumo maior;

Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.

Aplicações:

Sistemas de comunicação com baixa taxa de transmissão, Energy harvesting.

27/30

Conclusões do trabalho

Há um compromisso entre área e consumo.

Colpitts clássico: área menor, consumo maior;

Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.

Aplicações:

Sistemas de comunicação com baixa taxa de transmissão, Energy harvesting.

Perspectivas futuras:

Eficiência, múltiplas realimentações.

27/30

Publicações

SFORUM (Nacional), ISCAS (Internacional) e NEWCAS (Internacional)

28/30

Obrigado pela atenção!

29/30