PGMicro MIC46. Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS. = Osciladores =

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1 PGMicro MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS = Osciladores = Prof. Dr. Hamilton Klimach hamilton.klimach@ufrgs.br UFRGS Escola de Engenharia Departamento de Eng. Elétrica 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 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2 1

2 Tipos de Osciladores H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3 Tipos de Osciladores Oscilador de relaxação Oscilador a capacitor chaveado Oscilador RC Oscilador em anel Oscilador a cristal Oscilador LC Menor Maior Frequência H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4 2

3 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) H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5 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. H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6 3

4 Sistema realimentado Critério de Barkhausen H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7 Sistema realimentado: Três possibilidades para se atender o critério de fase. H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8 4

5 Oscilador em anel Não oscila, pois dois pólos não conseguem provocar um desvio de fase de 180º H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9 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 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10 5

6 Sistema realimentado Ganho insuficiente para manter oscilação Ganho exato para manter oscilação Ganho mais que suficiente para manter oscilação H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11 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 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12 6

7 Oscilador em Anel Oscilador em anel com inversores CMOS Necessita número ímpar de inversores O menor anel que oscila contém 3 inversores H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13 Oscilador em Anel Oscilador em anel diferencial: pode usar número par ou ímpar de estágios H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14 7

8 Oscilador em Anel Oscilador em anel diferencial: pode usar número par ou ímpar de estágios H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15 Oscilador em Anel Voltage Controlled Oscilator (VCO) Ajuste de capacitâncias (varicap) Ajuste de correntes de polarização Ajuste de tensão de alimentação H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16 8

9 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 I SS Vb pode ser usada para ajustar a frequência H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17 Oscilador em Anel Controle do atraso de cada estágio através de M3,4 em triodo Vcont pode ser usada para ajustar a frequência H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18 9

10 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 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19 Oscilador LC Conversão série-paralelo Representação das perdas por Rs Equivalente paralelo do indutor H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20 10

11 Oscilador LC Circuito tanque LC paralelo H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21 Oscilador LC Amplificador sintonizado LC H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22 11

12 Oscilador LC Oscilador LC cross-coupled H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23 Oscilador LC Ganho e fase nos estágios e total H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24 12

13 Oscilador LC Tornando o oscilador imune a V DD H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25 Oscilador LC Condição de manutenção de oscilação H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26 13

14 Oscilador LC Circuito equivalente para sinal do oscilador Se : 2 g m 2R P R Circuito Oscila! Tot 0 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27 VCO ideal vs real VCO H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28 14

15 VCO LC Ajuste de frequência através da modulação da capacitância de junção por potencial reverso (depleção) H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29 VCO LC Versão PMOS que elimina a capacitância parasita do poço-n dos diodos (contra substrato) que estava ligada aos nós X-Y H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30 15

16 Oscilador LC Osciladores LC Hartley e Colpitts H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31 Oscilador LC Oscilador LC cross-coupled com filtro para redução da 2ª harmônica H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32 16

17 Cristal de Quartzo H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33 Cristal de Quartzo Cristal de quartzo: modelo e característica H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34 17

18 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: 10 5 a 10 7 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35 Oscilador a Cristal Oscilador com ressonância série H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36 18

19 Oscilador a Cristal Oscilador Pierce a cristal ressonância paralela H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37 Oscilador a Cristal Oscilador Pierce com MOSFET c/ buffer H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38 19