Microssistemas de RF

Microssistemas de RF

Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL Phone: +351-253-510190, Fax: +351-253-510189

http://lattes.cnpq.br/5589969124054528

João Paulo Carmo, PhD Investigador Principal Universidade do Minho

Departamento de Electrónica Industrial

Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D

Sumário

1 – Osciladores de cristal

3 – Osciladores controlados por tensão

2 – Osciladores em anel (ring oscillators)

(1) Características principais

Osciladores de cristal

- Faz com que seja muito usado como frequência de referência em PLLs

(a) precisão na frequência de oscilação (b) baixo ruído

(c) simplicidade de circuitos

(2) Oscilador de Pierce

(a) Inversor

(b) Resistência de realimentação R_F

- Funciona como amplificador inversor

- ajuste DC do inversor na região de elevado ganho

(c) Frequência de oscilação

- Definida a partir das características do cristal

- Condensadores C₁ e C₂ (na gama 22-33 pF)

(d) Malha selectiva (passa-banda) em



Osciladores de cristal

V

V

V

2

V

V

V

V

V

=V

M

e M

saturados

=V

V

Característica de funcionamento do inversor

Situação real de  ≠ 0 (1) Transição menos abrupta na região de saturação de M₁ e M₂ (2) Pode funcionar como amplificador (3) Declive: (g_m1+g_m2)/(r_o1//r₀₂)

(1) Características electrónicas do cristal

Osciladores de cristal

(a) Depende da frequência natural de ressonância do objecto

- Forma do objecto

(b) A frequência natural depende de diversos factores

- Tamanho do objecto

- Elasticidade do material que compõe o objecto

- Velocidade de propagação do som no seio do material

(c) Foto de um cristal piezoeléctrico e símbolo e respectivo modelo eléctrico

C_p C_s L_{s R} s p s

Z

Z

jf

Z

(

)



//

]

)

2

(

2

)

2

[(

)

2

(

)

2

(

2

)

2

(

)

(

f

j

L

R

f

j

f

j

fC

j

f

L

R

f

j

f

j

jf

Z



























Cristais piezoeléctricos (continuação)

Osciladores de cristal

- Tomando como exemplo o cristal de uso genérico HC-49/U da Philips

(1) Frequências de ressonância num cristal Cp

C_s L_s R_s p s

Z

Z

jf

Z

(

)



//

(2) Obtenção do modelo de impedância de um cristal

= f₀ (frequência de oscilação) s p p s s p s s p s p s s p

C

C

C

C

f

C

C

f

C

C

C

C

L

f

),

para

»

2

1

(

1

2

1

_

_

_

_







C

L

f



2

1



- Os valores série (Rs, Ls e Cs) e paralelo (Cp) tiram-se do datasheet

(a) Para tal deve-se especificar o valor f₀ de ressonância do oscilador (b) Procurar os 4 valores (TIPICOS) tendo em conta o f₀

Resistência série Rs para 4 MHz

Osciladores de cristal

Rs56 

Capacidade série Cs para 4 MHz

Osciladores de cristal

)

]

2

[(



f

C

L



Capacidade paralela Cp para 4 MHz

Osciladores de cristal

Cp3.9 pF  como era de esperar Cp»Cs

Gráfico da impedância do cristal para 4 MHz

Osciladores de cristal

- Cristal para 20 MHz

Osciladores de cristal

Resultado da simulação

Resultado da simulação (FFT)

Resultado da simulação (zoom-in)

Osciladores de cristal

(1) Forma mais simples de o implementar

Osciladores em anel

- Controlando (interna ou externamente) uma destas variáveis consegue-se variar a frequência de oscilação

- Montar um anel fechado com um número impar de inversores

- Porque não é possível manter as saídas num estado estável

#1 #2 #n

n é impar

(2) As oscilações ocorrem em torno de um ponto meta-estável

R C R C R C

(3) As oscilações não dependem de elementos externos (será?!)

- Dependem da capacidade vista nos terminais de saída das células unitárias - Dependem da resistência interna vista nos terminais de saída das UCs

C

R

N

N

f

_osc

.

.

c

.

1

te







(1) Implementação de um oscilador em anel com sinais em quadratura

Osciladores em anel

- Sinal em fase: x_I(t)=cos(2f₀t)

- Sinal em quadratura: x_Q(t)=sen(2f₀t)=cos(2f₀t+/2)

- Requer um número par e múltiplo de 4 de células unitárias :-o

- Possível com células unitárias com entradas e saídas diferenciais

V_i3 V_i3 V_i4 V_i4 V_i2 V_i2 V_i1 V_i1 + -+ -+ -+ -V_o4 V_o4 + -V_o1 V_o1 + -V_o2 V_o2 + -V_o3 V_o3 + -] 1 , 0 [ , 1 2      k N N k k  

x

x

(1) Ruído em osciladores em anel

Osciladores em anel

-



- T: tempo médio de comutação

- Estes são claramente não-saturados 2

)

2

(

1

4

RC

f

T

kR

N









(2) Tipos de osciladores em anel

- Saturados

- Não-saturados

T

T

- N menor: T seja o menor e



(3) Em termos de tempo de comutação

- Saturados: Menores tempos de comutação  Menor ruído ! R C R C R C

(1) Oscilador em anel do tipo saturado

Osciladores em anel

of VCO Unitary cell of the VCO

- Exemplo de célula unitária (J.P.Carmo et al., 2009)

- Célula unitária diferencial

- UC com duas conexões cruzadas (M5/M7 e M6/M8) entre duas UCs inversoras

- Células unitárias inversoras: (M1/M4 e M2/M3)

- UCs inversoras forçam os inversores à saturação completa  oscilação com

menor ruído

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Fr eque nc y at the out put o f t he V C O [G H z]

Voltage control at the input of the VCO [V] 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 V_tuning [V] Fr e q u e n c y a t th e o u tp u t o f th e V C O [ M H z ] K_VCO=2.8 GHz/V

(1) Voltage-Controlled Oscillator (VCO)

Osciladores controlados por tensão

- Objectivo: gerar um sinal cuja frequência instantânea de oscilação fosc depende de uma tensão de comando Vin

f_osc = f₀ + K_VCO.V_in

declive=K_VCO

f₀

f_osc

V_in

- K_VCO: constante de ganho do VCO,

usualmente medida na zona linear - f₀: frequência instantânea para V_in=0 V

(2) De uma forma geral, os VCOs:

- São blocos imprescindíveis em PLLs

- Podem ser usados directamente para gerar sinais modulados em frequência

K_VCO=876.6 MHz/V

(1) Tipos de osciladores tonais (relembrando)

Osciladores controlados por tensão

- Comutados (resistivos ou RC, também conhecidos por relaxados)

- sintonia numa gama larga de frequências, integrando um número mínimo de componentes externos

- menor ocupação de área por serem necessários simples blocos digitais - maior ruído de fase pois são muito sensíveis a factores ambientais

- adequados para aplicações de “relativa” baixa frequência

- Ressonantes (LC e do tipo cristal)

- Q crescente  ruído de fase menor  mais “puro” o sinal gerado

- Ruído de fase degrada-se em indutâncias integradas pois Q é baixo (10)

- Principais mecanismos de perdas em indutâncias integradas

- VCOs do tipo LC

Osciladores controlados por tensão

(1) A frequência instantânea fosc depende de dois parâmetros eléctricos

(1) Não é prático variar L continuamente (só discretamente com comutação)

LC

f



2

1



(2) A variação de fosc faz-se variando ou L ou C ou ambos

(2) O uso de Varactors permite variar C de forma continua e eléctricamente comandavel por uma tensão de controlo Vcontrolo

(3) Varactors: junção PN contra-polarizada, cuja capacidade de junção Cj depende da tensão nos terminais

C₀ L V_bias M₁ M₂ M₃ M₄ V_controlo D₂ D₁ V₁ V₂ V_controlo>V₁ V_controlo>V₂ V_controlo C₀ M₂ M₃ V_bias M₁ M₄ L Uso de Varactors comerciais Uso de Varactors CMOS integrados

- VCOs do tipo LC

Osciladores controlados por tensão

(1) Genericamente, C_j depende da tensão V_PN nos terminais do Varactor

m b PN j

V

C

C

)

1

(







(b) CMOS m=[0.3, 0.5] 0 0 0

1

1

2

1

)

(

2

1

2

1

C

C

LC

C

C

L

LC

f



























(2) Supondo que C varia da seguinte forma: C=C₀+C

(3) A frequência gerada pelo VCO é então:

- VCOs do tipo LC

Osciladores controlados por tensão

(1) Analisando ao detalhe a função

“horrível” e observando o seu gráfico

)

2

1

1

(

2

1

C

C

LC

f











C

(2) Constata-se que para C«C₀

C 0 C>0 C<0 -C₀ 0 1 1 C C   0 0

2

1

1

1

1

C

C

C

C











(3) Para pequenas variações de C

- Como 0 0

2

1

LC

f





_C

C

f

f

f









2

1

(

)

(

)

2

1

V

V

V

C

V

C

C

f

K















- VCOs em anel

Osciladores controlados por tensão

(1) A frequência instantânea depende do atraso e do número de inversores

(2) Controlando a corrente nos inversores, controla-se o atraso

V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄ V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄ V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄ V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄ V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄

1 )] )( ( [     _{p ox sg th} sd sd V V L W C I V R



Osciladores controlados por tensão

- Controlo do atraso nos inversores

(a) Utilizar uma topologia que permita usar resistências variáveis (b) O problema fica resolvendo com MOSFETs operando em tríodo

V_bias V_in V_in C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ R R V_bias V_in V_in V_controlo C C V_out V_out -+ -+ M₁ M₂ M₃ M₄ (c) A resistência é controlo ox p th dd ox p osc

V

C

N

L

W

C

K

V

V

C

N

L

W

C

K

C

R

N

K

f





















(

)

(

)

)

(





(d) Como V_sg=V_dd-V_controlo, a frequência de oscilação é

f

= f

+ K

.V

K_VCO<0

- Exemplos de VCOs em anel

Osciladores controlados por tensão

- VCO para uma PLL a 2.4 Ghz

- Current-starved

ring oscillator

- Topologia diferencial Control Bias

In+ In -Out+ Out -Full range [0 - 1.8 V] Enable/disable 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Fr eque nc y at the out put o f t he V C O [G H z]

Voltage control at the input of the VCO [V] 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 K_VCO=876.6 MHz/V

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 V_tuning [V] Fr e q u e n c y a t th e o u tp u t o f th e V C O [ M H z ] K VCO=2.8 GHz/V

- Exemplos de VCOs em anel

Osciladores controlados por tensão

- VCO para uma PLL a 5.7 Ghz

- Topologia diferencial - UCs saturadas  1 in V V_in₁  o u t V Vou t tu n in g V  2 in V V_in₂ 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M M₆ 7 M M₈ M₁ M₂ M₃ M₄ M₅ M₆ M₇ M₈ 1 6.5 1 6.5 9 9 0.6 0.6 0.18 0.18 0.18 0.40 0.40 0.18 0.18 0.18 MOSFET W [ m] L [ m]  Unitary cell Unitary cell K_VCO=2.8 GHz/V

Osciladores controlados por tensão

Osciladores controlados por tensão

Osciladores controlados por tensão

Resultados de simulação (zoom-in)

Osciladores controlados por tensão

Resultados de simulação (FFT)

ANTES

f5.25 GHz

Osciladores controlados por tensão

Resultados de simulação (FFT)

ANTES

f5.25 GHz

Osciladores controlados por tensão

Osciladores controlados por tensão