Osciladores em Quadratura Integrados em Tecnologia CMOS

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1 Osciladores em Quadratura Integrados em Tecnologia CMOS (Fully Integrated CMOS Quadrature Oscillators) Luís B. Oliveira e Jorge. Fernandes Instituto Superior Técnico IST / Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores - INESC-ID Lisboa Analog and Mixed-Mode Circuits Group ua Alves edol, 9; Lisboa Telefone: , ; fax: A procura de equipamento portátil e com elevada mobilidade originou um enorme desenvolvimento das aplicações das comunicações sem fios. Devido à exigência das especificações: integração, diminuição da área e do custo do sistema o estudo de osciladores com saídas em quadratura, que são blocos fundamentais nos modernos emissores/receptores é fundamental. Neste artigo apresentamos três tipo de osciladores em quadratura: oscilador de relaxação, oscilador LC com acoplamento cruzado e oscilador com dois integradores. Estes osciladores apesar de conceptualmente diferentes, possuem algumas semelhanças: enquanto que as arquitecturas convencionais são em malha aberta, as apresentadas neste estudo, são em malha fechada com realimentação negativa permitindo obtermos sinais em quadratura mais precisos. Quando utilizamos osciladores C de relaxação com acoplamento cruzado ao reforçarmos o acoplamento vai garante-se saídas em quadratura com mais precisão, reduzindo os erros e as perturbações a efeitos de segunda ordem; para além disso vai permitir uma melhoria do ruído de fase do oscilador. No caso de osciladores LC com acoplamento cruzado, melhora-se a relação de quadratura, mas deteriora-se o valor do ruído de fase do oscilador devido à redução do factor de qualidade do oscilador. O oscilador baseado em dois integradores é um oscilador C (sem bobines) com um ruído de fase comparável ao de um oscilador C de relaxação, com a principal vantagem deste oscilador é a sua grande gama de sintonia. Introdução Os osciladores são elementos chave no desenho de arquitecturas de F (rádio frequência). Eles são usados um conjunto com os misturadores para fazerem a modulação do sinal (nos emissores) e a desmodulação (nos receptores). Os osciladores devem ser totalmente integrados, sintonizáveis, e capazes de providenciar duas saídas em quadratura precisas: I (em-fase) e Q (quadratura) com 90º de diferença de fase. As saídas do oscilador em quadratura devem ser precisas, pois qualquer desvio vai originar acoplamento entre os sinais, o que vai reduzir a relação sinal ruído. Assim, para além de estabilidade na frequência e na fase, a precisão das saídas em quadratura é um aspecto muito importante em osciladores IQ. As topologias convencionais que são utilizadas para obter sinais em quadratura são em malha aberta, onde os erros são propagados directamente para a saída. Exemplos deste tipo de estruturas são [1]:

2 1) osciladores a funcionarem ao dobro da frequência, seguidos por um divisor por dois; 2) estruturas em que um comparador é usado para obter sinais em quadratura a partir dos cruzamentos por zero de um integrador. 3) circuitos passivos onde as relação de fase e o ganho são dependentes da frequência. Neste artigo comparamos diferentes osciladores em quadratura que funcionam em malha fechada. Começamos por estudar o oscilador C de relaxação e o oscilador LC, que necessitam de ter acoplamento cruzado para providenciarem saídas em quadratura. Estudamos também um terceiro tipo de oscilador com saídas em quadratura: o oscilador com dois integradores, que possui internamente saídas em quadratura. O estudo dos osciladores vai ser apresentado numa forma de tutorial resumindo os principais resultados obtidos pelos autores [2,3,4]. Oscilador C de relaxação com acoplamento cruzado Um oscilador C de relaxação é constituído por um integrador e por um elemento de memória estática: o Schmitt-trigger. Se adicionarmos um amplificador com saturação à saída de um dos integradores, esta saída tem um diferença de 90º em relação à saída do Schmitt-trigger e pode ser usada como disparo do outro oscilador. Esta técnica é utilizada no oscilador de relaxação com acoplamento cruzado (figura 1 a)), com os sinais de saída representados na figura 1b), onde o instante da transição de cada um dos osciladores é definida por um sinal com um maior declive indicando uma menor sensibilidade ao ruído. a) b) Figura 1. Oscilador C de relaxação com acoplamento cruzado a) blocos ideais b) sinais típicos. Com um ganho de acoplamento grande, um sinal de entrada de ruído é atenuado pela realimentação reduzindo o ruído de fase do oscilador. Para além disso todas as erros existentes nos blocos e outras perturbações são atenuadas e minimizadas por este ganho de acoplamento reduzindo o seu efeito a factores de segunda ordem na relação de quadratura. A única desvantagem é que na presença de atrasos, com o aumento acoplamento vai diminuir a frequência do oscilação do oscilador em quadratura. Assim, o acoplamento garante que os dois osciladores de relaxação têm a mesma frequência, melhora o ruído de fase e garante uma relação de quadratura bastante precisa. Um exemplo de implementação de um oscilador de relaxação com acoplamento cruzado é

3 apresentado na figura 2. No nosso trabalho foram simulados e medidos dois osciladores a 2.4GHz (CMOS) e 5GHz (SiGe) que confirmam os resultados teóricos. O oscilador em quadratura só possui saídas exactas em quadratura na ausência de perturbações ou erros. Durante a operação síncrona a variação de parâmetros num oscilador de relaxação é compensada pela variação de amplitude no outro e vice-versa. A diferença entre o carregar e descarregar das correntes num oscilador é compensada por um DC offset no condensador do outro oscilador de relaxação acoplado. Vcc Vcc M M M M C 1 C 2 I1 I SL I 1 I 2 I SL I 2 Figura 2. Implementação do oscilador C relaxação com acoplamento cruzado. Oscilador LC com acoplamento cruzado Na figura 3 é apresentado um esquema simplificado de um oscilador LC com acoplamento cruzado. Na prática este oscilador é constituído por dois osciladores que são acoplados por dois blocos de ganho. Na ausência de erros a frequência de ressonância de cada oscilador é igual e ambos os osciladores estão a oscilar à sua frequência natural de oscilação. Tal como nos osciladores de relaxação existe uma melhoria de 3dB em comparação com um oscilador sozinho devido ao dobro do consumo. Uma implementação de um oscilador LC em quadratura é apresentado na figura 4. L 1 C 1 p 1 1 g m 1 J PF J PF L 2 C 2 p 2 1 g m 2 Figura 3. Modelo ideal do oscilador LC com acoplamento cruzado.

4 VCC VCC L1 L1 L2 L2 C1 C1 C2 C2 M1 M2 M5 M6 IT IT M3 M4 M7 M8 ISL1 ISL2 Figura 4. Implementação do oscilador LC com acoplamento cruzado. Os osciladores LC são conhecidos pelas suas boas características de ruído de fase em comparação com os osciladores C (devido a terem um factor de qualidade maior do que 1). No nosso trabalho confirmamos essas boas características, todavia quantificamos que há degradação de ruído de fase quando dois osciladores LC estão acoplados se a frequência de dois osciladores que não é a mesma. Assim, para obtermos uma muito boa relação de fase e de quadratura temos que minimizar os erros nos parâmetros do circuito, de outra forma, o ganho obtido pela melhoria do factor de qualidade pode perder-se devido à degradação do factor de qualidade. Na figura 5 são mostrados os resultados de um implementação de um circuito a 2.4GHz em que se pode observar o efeito das variações na frequência de oscilação no factor de qualidade e a correspondente degradação do ruído de fase. a) b) Figura 5. esultados obtidos: a) Degradação do factor qualidade b) Degradação do ruído de fase.

5 Oscilador com dois integradores Idealmente este oscilador é constituído por dois integradores e dois limitadores (figura 6), onde os blocos estão ligados por realimentação negativa permitindo saídas em quadratura. A frequência de oscilação é proporcional à constante de integração e da amplitude. Assim, no modelo ideal a frequência de oscilação é dependente do valor inicial de cada integrador, todavia numa implementação prática é adicionado um circuito que estabiliza a amplitude de oscilação. Este circuito pode operar em dois modos diferentes: a baixas frequências está mais próximo de um oscilador de relaxação com saídas triangulares (figura 6a)); a frequências mais elevadas é mais próximo a um oscilador de segunda ordem com saídas sinusoidais (figura 6b)). Uma implementação possível está representada na figura a) b) Figura 6. Modelo ideal do oscilador com dois integradores. 8 %Â% 8 %Â% V out V out Vout Vout I level I level V in % V in V in % M M M M V in I tune I tune Figura 7. Implementação do oscilador LC com acoplamento cruzado. A principal vantagens deste circuito é possuir uma grande gama de sintonia, capaz de cobrir as bandas desde 900MHz a 5.8GHz (figura 8) o que o torna na escolha adequada para um circuito com grande gama de sintonia que inclua diversas bandas de aplicações modernas de F. A frequência de oscilação é proporcional à corrente de sintonia entre 900MHz e 2.4GHz (saídas triangulares) e para frequência mais elevadas (saídas sinusoidais) a frequência é proporcional à raiz quadrada da corrente de sintonia. No caso da presença de erros e perturbações este oscilador reage pela variação de amplitude de forma a manter a relação de quadratura. No que respeita ao ruído de fase este oscilador visto ser um circuito C (com factor de qualidade igual a 1), possuí um ruído de fase

6 semelhante ao oscilador de relaxação (a diferença dos valores vai depender da potência dissipada por cada um dos circuitos). /LQHDU ] + Ã>* \ F Q H X T U H ), WXQH Ã>P$@ Figura 8. Implementação do oscilador LC com acoplamento cruzado. Conclusões Neste trabalho foram apresentados de uma forma resumida os três principais tipo de osciladores que podem providenciar saídas em quadratura, necessárias nas arquitecturas modernas dos emissores/receptores das comunicações sem fios. O oscilador C de relaxação com acoplamento cruzado tem as vantagens de melhorar o ruído de fase comparativamente a um oscilador C de relação sozinho e de reduzir os efeitos dos erros existentes no processo de fabrico e outra perturbações nas saídas em quadratura para efeitos de segunda ordem. O oscilador LC com acoplamento cruzado é o que possui melhor ruído de fase, todavia este tipo de osciladores pioram essa característica quando não oscilam à sua frequência de ressonância. O oscilador baseado em dois integradores tem a vantagem de ter uma gama de sintonia grande quando comparado com os dois primeiros osciladores estudados. Estes três osciladores são estruturas em malha fechada com realimentação negativa, ao contrário dos outros circuitos utilizados convencionalmente para produzir saídas em quadratura que são em malha aberta. Bibliografia [1] B. azavi, F Microelectronics, Prentice-Hall, [2] L. B. Oliveira, J. Fernandes and C. J. M. Verhoeven, A Quadrature elaxation Oscillator-mixer in CMOS, ISCAS 03, vol. I, pp , May [3] L. B. Oliveira, J. Fernandes, I. M. Filanovsky and C. J. M. Verhoeven, A 2.4 GHz CMOS Quadrature LC Oscillator-mixer, ISCAS 04, vol. I, pp , May [4] L. B. Oliveira, A. Allam, I. M. Filanovsky and J. Fernandes, On Phase Noise Quadrature Cross- Coupled Oscillators, ISCAS 05, pp , May 2005.