anÁlise e projeto de um oscilador colpitts com

ANÁLISE E PROJETO DE UM OSCILADOR COLPITTS COMDUPLA REALIMENTAÇÃO POSITIVA OPERANDO EM ALTAFREQUÊNCIA E ULTRABAIXA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO

5 de dezembro de 2014

Rodrigo Eduardo RottavaOrientador: Fernando Rangel de Sousa

Laboratório de Radiofrequência, UFSC

5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava

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


3. Análise



6. Conclusões

3/30


Introdução

Objetivo do trabalho:

Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentaçãopositiva.

4/30


Introdução



Motivação:

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

4/30


Introdução



Motivação:

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

Aplicações:

WBANs (ultrabaixo consumo, energia extraída do ambiente).

4/30


Sumário

1. Introdução


3. Análise



6. Conclusões

5/30


ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}

ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}

O oscilador Colpitts

Critérios de oscilação:

6/30






Instabilidade

Geq

< 0

6/30






Ressonância

Beq

= 0

6/30


A segunda realimentação

7/30



Z s=Z g

− jωtω

=−ωLgωtω

Onde: ωt=gm

Cgs

7/30



Z s=Z g

− jωtω

=−ωLgωtω

iov in

=gm

1−gmωLgω tω

Onde: ωt=gm

Cgs

7/30



Z s=Z g

− jωtω

=−ωLgωtω

iov in

=gm

1−gmωLgω tω

A = gm

Onde: ωt=gm

Cgs

β = ωLg'

=A

1−Aβ

7/30



Z s=Z g

− jωtω

=−ωLgωtω

iov in

=gm

1−gmωLgω tω

Utilizando esta segundatécnica de realimentaçãoobtemos a topologiadenominada osciladorColpitts com duplarealimentação positiva:

Onde: ωt=gm

Cgs

A = gm

β = ωLg'

=A

1−Aβ

7/30


Sumário

1. Introdução


3. Análise



6. Conclusões

8/30


Representação de pequenos sinais da topologia proposta

9/30



Perdas docircuito

9/30



Perdas docircuito

v g=α vd+β vs

vg é uma combinação linear de v

d e v

s:

onde: α(β)=1

1+Cgs (d )

Cgd (s )

−1

ω2LgCgd (s)

9/30



Perdas docircuito

9/30


Modelagem simplificada

Perdas docircuito

10/30



Perdas docircuito

Perdas docircuito

10/30



Perdas docircuito

Perdas docircuito

v g=α vd+β vsRelembrando:Transcondutância total de fonte:

Transcondutância total de dreno:

gm1=gms−β gm

gm2=gmd+α gm

10/30



Perdas docircuito

Perdas docircuito

10/30



Perdas docircuito

Perdas docircuito

C1 eq=C1+α Cgs

C2eq=C2−β

ω2 Lg

Leq=1

1Ld

+ αLg

10/30


Mínima transcondutância de fonte

Utilizando a relação: gm=gms−gmd

n

Transcondutância total de fonte:

gm1=gms(1−β/n)+gmdβ/n


gm2=gmd (1−α/n)+gmsα/n

11/30




n





Condição de instabilidade:

ℜ{Y out}⩽−GP

11/30




n





Condição de instabilidade:

ℜ{Y out}⩽−GP

gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq

n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP

gmd(1+

C1eq

C2eq)2

)

11/30


Frequência de oscilação

ℑ{Y out}≈ωC1eqC2eq

C1eq+C2eq

=ωC eq

ℑ{Y L}=−1

ω Leq

12/30



Condição de ressonância:



C1eq+C2eq

=ωC eq

ℑ{Y L}=−1

ω Leq

12/30



Condição de ressonância:



C1eq+C2eq

=ωC eq

ℑ{Y L}=−1

ω Leq

f o=1

2 π√LeqC eq

12/30


Estratégias para redução do consumo



gmd(1+

C1eq

C2eq)2

)

A transcondutância de fonte gms

está diretamente relacionada ao consumo

do oscilador. Para que o circuito oscile:

13/30








gmd(1+

C1eq

C2eq)2

)Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g

ms mínimo:

13/30








gmd(1+

C1eq

C2eq)2


ms mínimo:

1. Razão capacitiva ótima:

Kotm=C2 eq

C1 eq otm

=√ GP

GP+gmd+α gm

13/30








gmd(1+

C1eq

C2eq)2


ms mínimo:

2. Segunda realimentação positiva:

Para α e β < 0e K

otm real

Lg<1

ω2(Cgd+Cgs(1+gm

gmd+GP))

13/30


0

-10

-20

-30

-40

GO

UT [

mS

]

0 1 2 3 4 5 6 7 8L

g [nH]

0 1 2 3 4 5 6 7 8L

g [nH]

30

20

10

0

-10

BO

UT [

mS

]

Relação de Yout

com Lg

Parâmetro C1

C2

Cgs

Cgd

n gms

gmd

Valor 2 pF 2 pF 2 pF 0 1,15 14 mS 0

14/30


Sumário

1. Introdução


3. Análise



6. Conclusões

15/30


Fluxo de projeto

Caracterização DC

gms

, gmd

, Cgs

, Cgd

16/30


Fluxo de projeto

Caracterização DC Indutor de porta

Lg<1

ω2(Cgd+Cgs(1+gm

gmd+GP))

16/30


Fluxo de projeto

Indutor de porta Razão capacitiva ótimaCaracterização DC

Kotm=C2eq

C1eq otm

=√ GP

GP+gmd+α gm

16/30


Fluxo de projeto

Razão capacitiva ótima

gms

> necessário?

Indutor de portaCaracterização DC



gmd(1+

C1eq

C2eq)2

)

16/30


Fluxo de projeto

gms

> necessário? Aumentar VDD

Não

Razão capacitiva ótimaIndutor de portaCaracterização DC



gmd(1+

C1eq

C2eq)2

)

16/30


Fluxo de projeto

Aumentar VDD

Oscilador de baixa tensão otimizado

Não

Sim

Razão capacitiva ótimaIndutor de portaCaracterização DC

gms

> 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-VT;

Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

18/30





18/30






Osc

ilad

or

18/30






Buf

fer

18/30






Analis ador +

Bias T

18/30



Layout

Tecnologia: CMOS 0,13 μm

Área total: 0,9 mm2 *

19/30


Layout

Tecnologia: CMOS 0,13 μm

Área total: 0,9 mm2 *

Área: 0,46 mm2

19/30


Sumário

1. Introdução


3. Análise



6. Conclusões

20/30


Simulação pós-layout

70

60

50

40

30

20

100.0

Tempo [ns]

VO

SC [

mV

]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30

-50

-70

-90

-110P

N [

dBc/

Hz]

103 104 105 106 107

Δf [Hz]

VDD

= 40 mV PDC

= 4 μW fO = 2,12 GHz

21/30



70

60

50

40

30

20

100.0

Tempo [ns]

VO

SC [

mV

]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30

-50

-70

-90

-110P

N [

dBc/

Hz]

103 104 105 106 107

Δf [Hz]

VDD

= 40 mV PDC

= 4 μW fO = 2,12 GHz

30 mV

21/30



70

60

50

40

30

20

100.0

Tempo [ns]

VO

SC [

mV

]

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-30

-50

-70

-90

-110P

N [

dBc/

Hz]

103 104 105 106 107

Δf [Hz]

VDD

= 40 mV PDC

= 4 μW fO = 2,12 GHz

30 mV

*-91,5 dBc/Hz

21/30


Resultados preliminares de medição

VDD

= 53 mV PDC

= 0,9 μW fO = 1,86 GHz

-85-86 -87-88 -89-90 -91-92

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

PO

UT [

dBm

]

22/30


Resultados preliminares de medição

Medições on-waffer

Esperamos obter resultados melhores ao fixar o circuito integrado em umaPCB, 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) -136,21 -118,02 -114,02 -128,62 -

[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 MHz² @ 1 MHz

24/30


Sumário

1. Introdução


3. Análise



6. Conclusões

25/30


Conclusões do trabalho

Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

26/30




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

26/30





Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.

26/30





Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.

Protótipo integrado em tecnologia CMOS 0,13 μmoscila em 1,86 GHz, com 53 mV e consumindo 0,9 μW.

26/30



Há um compromisso entre área e consumo.

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Colpitts clássico: área menor, consumo maior;Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.

27/30





Aplicações:

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

27/30





Aplicações:

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

Perspectivas futuras:

Eficiência, múltiplas realimentações.

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Publicações

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

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Obrigado pela atenção!

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anÁlise e projeto de um oscilador colpitts com

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