Microssistemas de RF

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Orlando Vilarinho Botelho
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1 Microssistemas de RF João Paulo Carmo, PhD Investigador Principal Universidade do Minho Departamento de Electrónica Industrial Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D Campus de Azurém, Guimarães, PORTUGA Phone: , Fax:

2 Sumário 1 Emissores de RF Osciladores ressonates

3 Emissores de RF Emissor V dd Antena (6.3.3) RF switch NA (6.4.7) (6.3.1) PA RF transceiver Circuito desmodulador (6.3.) (6.4.6) (6.4.6) Circuito modulador Processamento na banda-base (6.3.4) (6.4.5) Filtro P sinal recebido f ref sinal a enviar massa (GND)

4 Emissores de RF - Um emissor necessita necessariamente de: - Um oscilador - Que gere uma frequência o mais estável possível - O mais insensível à temperatura ambiente - Método mais frequente de implementar um oscilador - Usar um sintetizador de frequência - É uma P com uma frequência de referência (oscilador de cristal p.ex.) - A frequência de referência deve ser o mais estável e precisa possível - Tipos mais usuais de osciladores - Oscilador de frequência constante - Ressonante - Resistivo - Oscilador controlado por tensão (VCO) ou por corrente - Ressonante - Resistivo - P Antena (6.3.3) RF switch NA (6.3.1) (6.4.7) PA RF transceiver Circuito desmodulador (6.3.) (6.4.6) (6.4.6) Circuito modulador V dd Processamento na banda-base (6.3.4) (6.4.5) massa (GND) Filtro P sinal recebido f ref sinal a enviar

5 - Osciladores C Emissores de RF - É um oscilador ressonante - Pode ser visto como uma malha realimentada - Conjunto das condições a verificar para oscilar - Critério de Barkhausen - Ganho em anel fechado unitário - Desvio de fase do sinal gerado = 0º, 360º ou múltipols - Paralelo C: circuito tanque - Sem o amplificador, R perdas amortece as oscilações

6 Emissores de RF - Osciladores C - O que fazer com R perdas? - Inserir em paralelo uma resistência negativa R neg <0 V quench =1 I x antenna - R neg =-1/g m R neg = -1/G m I x V x R p C - Para haver oscilação (para o circuito f arrancar) C - O produto g m.r neg >1 - Necessidade de factores de qualidade Q elevados: - Baixas perdas nas indutâncias - Baixas resistências série R serie =f C /Q Q f R C perdas - Altas resistências de perdas paralela R perdas - Menores transcondutâncias g m - Transístores menores - Menores ganhos - Menores correntes - MENORES CONSUMOS DE ENERGIA

7 Osciladores ressonantes C - Topologias - Complementary cross coupled C oscillator (1) All n-mosfet cross coupled C oscillator

8 Osciladores ressonantes C - Topologias - Complementary cross coupled C oscillator (1) All p-mosfet cross coupled C oscillator

9 Osciladores ressonantes C All n-mosfet cross coupled C oscillator V gs =V ds =V dd MOSFETs saturados R th (1) Cálculo da transcondutância - Corrente nos MOSFETs I R R g R th ds I V nc ox perdas ( )( V m gs V ds g )( ) ( ) - Transcondutância m n ox gs th n ox ds gs C th ( V V C - Resistência equivalente vista aos terminais do oscilador - Para haver oscilação: ) perdas R th I g m

10 Osciladores ressonates C All p-mosfet cross coupled C oscillator V sg =V sd =V dd MOSFETs saturados (1) Cálculo da transcondutância - Corrente nos MOSFETs I sd pc - Transcondutância ox ( g m )( V sg I V sd V sg - Resistência equivalente vista aos terminais do oscilador th ) C p ox ( )( Vsg Vth) nc ox ( ) I g R th gm m perdas TODAVIA: para o mesmo gm, o dos p-mosfets tem de ser - ogo R sd maior que o dos n-mosfets pois p < n

11 Osciladores ressonantes C - Resistência negativa nos All n-mosfet e p-mosfet cross coupled C oscillator ( )( V Rth g m pcox( )( V pcox( )( Vdd Vth) - Resistência negativa depende apenas de: (1) Tensão de alimentação () Tamanho dos MOSFETs (/) R th g m C n ox C n ox ( )( V dd V sg th ) gs V V - Muito pouca flexibilidade no controlo da resistência negativa th ) th )

12 Osciladores ressonantes C (1) Novas topologias all n-mosfet e p-mosfet cross coupled C oscillator () Novas características (a) Permitem limitar a corrente de alimentação do circuito; (b) Dão uma maior flexibilidade para controlar a resistência negativa (3) Corrente I tail : POARIZA OS MOSFETs (a) Principal responsável pela potência média dissipada em pleno funcionamento

13 Osciladores ressonantes C () Combinando estes dois circuitos () Obtém-se o oscilador Complementary cross-coupled C oscillator (a) A resistência negativa depende dos dois g m s (b) A resistência negativa é o paralelo das duas R negativa R ( g th,nmos // Rth, PMOS g m m NMOS NMOS ) //( g g m PMOS m PMOS )

14 Osciladores ressonantes C Complementary cross-coupled C oscillator (a) Frequência de oscilação f 0 (b) Capacidade parasita gate-source - MOSFETs mixed-mode: C gs ( C 1 Cox, 3 parasitas C ox C) ox TOX Frequentemente: ox = SiO MOSFETs optimizados para RF: USAR uma equação específica para a tecnologia

15 Osciladores ressonantes C MOSFET UMC CMOS 0.18m optimizado para RF (1) ayout de um n-mosfet () Modelo equivalente de um n-mosfet (3) Valores

16 Exercício Osciladores ressonantes C (1) Dimensionar um Complementary cross-coupled C oscillator () Especificações e tecnologia CMOS - Frequência de oscilação de 433 MHz - Tecnologia CMOS 0.7 m da on-semiconductor (ex-amis, Alcatel/MIETEC) n C ox 93 A/V p C ox 9 A/V V dd =+5 V min =0.7 m (3) Componentes externos - Indutância: fabricante Murata - Condensador: fabricante Murata

17 Indutâncias Osciladores ressonantes C

18 Condensadores Osciladores ressonantes C

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