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

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1 ANÁLISE E PROJETO DE UM OSCILADOR COLPITTS COM DUPLA REALIMENTAÇÃO POSITIVA OPERANDO EM ALTA FREQUÊNCIA E ULTRABAIXA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO Orientador: Fernando Rangel de Sousa Laboratório de Radiofrequência, UFSC

2 2/30 Sumário 1. Introdução 2. Topologia proposta 3. Análise 4. Projeto de um protótipo integrado 5. Simulações e resultados de medição 6. Conclusões

4 4/30 Introdução Objetivo do trabalho: Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentação positiva.

5 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.

6 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).

8 6/30 O oscilador Colpitts Critérios de oscilação: ℜ{Y out } ℜ {Y L } ℑ{Y out }= ℑ {Y L }

11 6/30 O oscilador Colpitts Critérios de oscilação: ℜ{Y out } ℜ {Y L } ℑ{Y out }= ℑ {Y L } Instabilidade Geq < 0

12 6/30 O oscilador Colpitts Critérios de oscilação: ℜ{Y out } ℜ {Y L } ℑ{Y out }= ℑ {Y L } Ressonância Beq = 0

13 7/30 A segunda realimentação

14 7/30 A segunda realimentação Zg Lg Z s= ωt = ω ωt j ω ω gm Onde: ωt = C gs

15 7/30 A segunda realimentação io = v in gm Lg 1 g m ω ω t ω Zg Lg Z s= ωt = ω ωt j ω ω gm Onde: ωt = C gs

16 7/30 A segunda realimentação io = v in gm A = Lg 1 A β 1 g m ω ω t ω A = gm β = ωlg' Zg Lg Z s= ωt = ω ωt j ω ω gm Onde: ωt = C gs

17 7/30 A segunda realimentação io = v in Zg Lg Z s= ωt = ω ωt j ω ω gm Onde: ωt = C gs gm A = Lg 1 A β 1 g m ω ω t ω A = gm β = ωlg' Utilizando esta segunda técnica de realimentação obtemos a topologia denominada oscilador Colpitts com dupla realimentação positiva:

19 9/30 Representação de pequenos sinais da topologia proposta

20 9/30 Representação de pequenos sinais da topologia proposta Perdas do circuito

21 9/30 Representação de pequenos sinais da topologia proposta Perdas do circuito vg é uma combinação linear de vd e vs: v g =α v d + β v s onde: α (β)= 1 C gs (d ) C gd (s ) ω Lg C gd (s)

22 9/30 Representação de pequenos sinais da topologia proposta Perdas do circuito vg é uma combinação linear de vd e vs: v g =α v d + β v s onde: α (β)= 1 C gs (d ) C gd (s ) ω Lg C gd (s)

25 10/30 Modelagem simplificada Perdas do circuito

26 10/30 Modelagem simplificada Perdas do circuito Perdas do circuito

27 10/30 Modelagem simplificada Perdas do circuito Relembrando: v g =α v d + β v s Perdas do circuito Transcondutância total de fonte: gm 1=g ms β gm Transcondutância total de dreno: gm 2 =gmd + α g m

28 10/30 Modelagem simplificada Perdas do circuito Perdas do circuito

29 10/30 Modelagem simplificada Perdas do circuito Perdas do circuito C1 eq=c1 +α C gs β C 2 eq =C 2 2 ω Lg Leq = 1 1 α + L d Lg

30 11/30 Mínima transcondutância de fonte g ms g md Utilizando a relação: gm = n Transcondutância total de fonte: gm 1=g ms (1 β/n)+ g md β/n Transcondutância total de dreno: gm 2 =gmd (1 α/n)+ g ms α/n

31 11/30 Mínima transcondutância de fonte g ms g md Utilizando a relação: gm = n Transcondutância total de fonte: gm 1=g ms (1 β/n)+ g md β/n Transcondutância total de dreno: gm 2 =gmd (1 α/n)+ g ms α/n Condição de instabilidade: ℜ{Y out } G P

32 11/30 Mínima transcondutância de fonte g ms g md Utilizando a relação: gm = n Transcondutância total de fonte: gm 1=g ms (1 β/n)+ g md β/n Transcondutância total de dreno: gm 2 =gmd (1 α/n)+ g ms α/n Condição de instabilidade: ℜ{Y out } G P ( ( gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq / C 1 eq ) g md C 2 eq 2 ))

33 12/30 Frequência de oscilação C 1 eq C 2 eq ℑ{Y out } ω =ω C eq C1 eq +C 2 eq ℑ{Y L }= 1 ω L eq

34 12/30 Frequência de oscilação C 1 eq C 2 eq ℑ{Y out } ω =ω C eq C1 eq +C 2 eq ℑ{Y L }= 1 ω L eq Condição de ressonância: ℑ{Y out }= ℑ {Y L }

35 12/30 Frequência de oscilação C 1 eq C 2 eq ℑ{Y out } ω =ω C eq C1 eq +C 2 eq ℑ{Y L }= 1 ω L eq Condição de ressonância: ℑ{Y out }= ℑ {Y L } 1 f o= 2 π Leq C eq

36 13/30 Estratégias para redução do consumo A transcondutância de fonte gms está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile: 2 gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq ( ( ))

37 13/30 Estratégias para redução do consumo A transcondutância de fonte gms está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile: 2 gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq ( ( )) Duas estratégias foram utilizadas para reduzir gms mínimo:

38 13/30 Estratégias para redução do consumo A transcondutância de fonte gms está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile: 2 gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq ( ( )) Duas estratégias foram utilizadas para reduzir gms mínimo: 1. Razão capacitiva ótima: C 2 eq GP K otm = = C 1 eq otm G P + g md +α g m

39 13/30 Estratégias para redução do consumo A transcondutância de fonte gms está diretamente relacionada ao consumo do oscilador. Para que o circuito oscile: 2 gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq ( ( )) Duas estratégias foram utilizadas para reduzir gms mínimo: 2. Segunda realimentação positiva: Para α e β < 0 e Kotm real 1 Lg < 2 ( ω C gd + C gs ( gm 1+ g md +G P ))

40 14/30 Relação de Yout com Lg Parâmetro C1 C2 Cgs Cgd n gms Valor 2 pf 2 pf 2 pf 0 1,15 14 ms BOUT [ms] GOUT [ms] gmd Lg [nh] Lg [nh] 6 7 8

42 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC gms, gmd, Cgs, Cgd

43 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC Indutor de porta 1 Lg < 2 ( ω C gd + C gs ( gm 1+ g md +G P ))

44 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC Indutor de porta Razão capacitiva ótima C 2 eq GP K otm = = C 1 eq otm G P + g md +α g m

45 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC Indutor de porta Razão capacitiva ótima gms > necessário? ( ( gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq 2 ))

46 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC Indutor de porta Razão capacitiva ótima Não Aumentar VDD ( ( gmd nc 2 eq /C 1 eq GP C 1 eq gms g md n β α(1+c 2 eq /C 1 eq ) g md C 2 eq gms > necessário? 2 ))

47 16/30 Fluxo de projeto Caracterização DC Aumentar VDD Indutor de porta Razão capacitiva ótima Não gms > necessário? Sim Oscilador de baixa tensão otimizado

48 17/30 Fluxo de projeto de circuito integrado Projetista Foundry Especificações Projeto do CI Simulação Design Kit Layout Extração parasitas Tape out Fabricação Testes e medições

49 18/30 Especificações do projeto Frequência: 2,4 GHz; Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-vt; Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

52 18/30 Especificações do projeto Frequência: 2,4 GHz; Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-vt; Oscilador Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

53 18/30 Especificações do projeto Frequência: 2,4 GHz; Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-vt; Buffer Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.

54 18/30 Especificações do projeto Frequência: 2,4 GHz; Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-vt; Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro. Analisador + Bias T

55 19/30 Layout Tecnologia: CMOS 0,13 μm Área total: 0,9 mm2 *

56 19/30 Layout Tecnologia: CMOS 0,13 μm Área total: 0,9 mm2 * Área: 0,46 mm2

58 21/30 Simulação pós-layout PDC = 4 μw fo = 2,12 GHz -30 PN [dbc/hz] VOSC [mv] VDD = 40 mv Tempo [ns] Δf [Hz] 107

59 21/30 Simulação pós-layout PDC = 4 μw fo = 2,12 GHz mv PN [dbc/hz] VOSC [mv] VDD = 40 mv Tempo [ns] Δf [Hz] 107

60 21/30 Simulação pós-layout PDC = 4 μw fo = 2,12 GHz mv PN [dbc/hz] VOSC [mv] VDD = 40 mv Tempo [ns] * -91,5 dbc/hz Δf [Hz] 107

61 22/30 Resultados preliminares de medição PDC = 0,9 μw POUT [dbm] VDD = 53 mv fo = 1,86 GHz ,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 freq [GHz]

62 23/30 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.

63 24/30 Comparação Parâmetro [2] [3]a [3]b [4] Tecnologia (nm) Este trabalho 130 Tensão (mv) 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. 3 MHz 1 MHz

65 26/30 Conclusões do trabalho Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.

66 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.

67 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.

68 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.

69 27/30 Conclusões do trabalho Há um compromisso entre área e consumo.

70 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.

71 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.

72 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.

73 28/30 Publicações SFORUM (Nacional), ISCAS (Internacional) e NEWCAS (Internacional)

74 29/30 Obrigado pela atenção!