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PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS
= Osciladores =
Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Introdução
Oscilador é um circuito que produz um sinal de
saída, sem a necessidade de um sinal de entrada
O sinal de saída é cíclico em uma frequência
A frequência de oscilação depende das
características de seus componentes
Para manter o comportamento cíclico é necessário o
uso de realimentação para compensar perdas
A realimentação precisa se tornar ‘positiva’ para
que o circuito mantenha a oscilação
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
Introdução
Tipos de Osciladores
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
Introdução
Tipos de Osciladores
Oscilador de relaxação
Oscilador a capacitor chaveado
Oscilador RC
Oscilador em anel
Oscilador a cristal
Oscilador LC
Menor
Maior
Frequência
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
Introdução
Características de Osciladores
Frequência de oscilação
Estabilidade de frequência (phase noise and
jitter)
Faixa de variação da frequência (VCO)
Estabilidade de amplitude
Pureza (ausência de harmônicas – distorção)
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Introdução
Sistema realimentado
Quando, H(s) = -1 em certa frequência, o denominador da função
de transferência vai a zero, fazendo com que o sistema passe a
apresentar ganho infinito. Nesta situação, não é mais necessário a
aplicação de um sinal Vin, para que exista uma saída Vout.
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Introdução
Sistema realimentado
Critério de Barkhausen
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Introdução
Sistema realimentado:
Três possibilidades para se atender o critério de
‘fase’.
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Introdução
Oscilador em anel
Não oscila, pois dois pólos não conseguem
provocar um desvio de fase de 180º
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Introdução
Oscilador em anel
Pode oscilar, pois com 3 pólos se atinge o desvio
de fase de 180º (cada estágio defasa 60º)
Se o módulo do ganho de laço ultrapassar 1 nesta
frequência, ocorre oscilação auto-sustentada
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Introdução
Sistema realimentado
Ganho insuficiente
para manter
oscilação
Ganho exato para
manter oscilação
Ganho mais que
suficiente para
manter oscilação
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Introdução
Sendo o ganho não-linear, a amplitude da oscilação
estabiliza porque:
Se a amplitude cai, o ganho efetivo para esta passa a ser
maior que ‘1’, forçando-a a aumentar
Se a amplitude aumenta, o ganho efetivo para esta passa
a ser menor que ‘1’, forçando-a a diminuir
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Oscilador em Anel
Oscilador em anel com inversores CMOS
•Necessita número ímpar de inversores
•O menor anel que oscila contém 3
inversores
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Oscilador em Anel
Oscilador em anel diferencial: pode usar
número par ou ímpar de estágios
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Oscilador em Anel
Oscilador em anel diferencial: pode usar
número par ou ímpar de estágios
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Oscilador em Anel
Voltage Controlled Oscilator (VCO)
Ajuste de capacitâncias (varicap)
Ajuste de correntes de polarização
Ajuste de tensão de alimentação
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Oscilador em Anel
O atraso de cada estágio depende da carga-descarga
das capacitâncias parasitas dos nós X-Y
Este atraso depende da corrente de polarização ISS
Vb pode ser usada para ajustar a frequência
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Oscilador em Anel
Controle do atraso de cada estágio através de M3,4
em triodo
Vcont pode ser usada para ajustar a frequência
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Oscilador LC
LC ideal: uma vez aplicado certo montante de
energia, este mantém o conjunto oscilando
indefinidamente
LC real: a amplitude da oscilação decai
progressivamente em razão das perdas em Rs LC ideal LC real
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Oscilador LC
Conversão série-paralelo
Equivalente
paralelo do
indutor
Representação
das perdas por
Rs
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Oscilador LC
Circuito tanque LC paralelo
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Oscilador LC
Amplificador sintonizado LC
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Oscilador LC
Oscilador LC ‘cross-coupled’
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Oscilador LC
Ganho e fase nos estágios e total
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Oscilador LC
Tornando o oscilador imune a VDD
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Oscilador LC
Condição de manutenção de oscilação
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Oscilador LC
Circuito equivalente para sinal do oscilador
Oscila! Circuito
022
:
TotP
m
RRg
Se
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VCO
VCO ideal vs real
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VCO LC
Ajuste de frequência através da modulação
da capacitância de junção por potencial
reverso (depleção)
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VCO LC
Versão PMOS que elimina a capacitância parasita
do poço-n dos diodos (contra substrato) que estava
ligada aos nós X-Y
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Oscilador LC
Osciladores LC Hartley e Colpitts
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
Oscilador LC
Oscilador LC cross-coupled com filtro para redução
da 2ª harmônica
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Cristal de Quartzo
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Cristal de Quartzo
Cristal de quartzo: modelo e característica
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Cristal de Quartzo
Cristal de quartzo: modos de
ressonância e parâmetros
F: 10’s kHz a 100’s MHz
L: 1 a 100 H
Cs: 0,1 a 10 fF
Cp: 1 a 10 pF
Q: 105 a 107
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Oscilador a Cristal
Oscilador com ressonância série
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Oscilador a Cristal
Oscilador Pierce a cristal – ressonância paralela
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Oscilador a Cristal
Oscilador Pierce com MOSFET c/ buffer