Simulação de um oscilador controlado por tensão auto-alimentado

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1 Simulação de um oscilador controlado por tensão auto-alimentado Vítor Fialho, Fernando Fortes, Fernando Azevedo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Rua Conselheiro Emídio Navarro Lisboa, Portugal vfialho@deetc.isel.ipl.pt ; ffortes@deetc.isel.ipl.pt; fazevedo@deetc.isel.ipl.pt Resumo Neste trabalho apresenta-se o estudo do comportamento de um oscilador controlado por tensão em função da variação das características da fonte de alimentação autónoma. O processo de fabrico do oscilador é UMC CMOS 0.18µm com duas pollys e seis camadas de metal. Analisa-se este dispositivo em função da alteração das condições de fornecimento de energia, tais como tensão e corrente. Este fornecimento de energia pode ter como origem dispositivos piezoeléctricos, paineis solares e gradientes de temperatura. Os resultados são obtidos através da simulação destes dispositivos como geradores de tensão. Apresenta-se os resultados do oscilador, nomeadamente, potências do sinal de saída, comportamento tensão-frequência e ruído de fase. Palavras -Chave: Fonte de energia, rede de sensores, CMOS,VCO, ruído de fase I - Introdução Com o desenvolvimento dos processos de fabrico de circuitos integrados, nomeadamente Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS), os valores das tensões de limiar de funcionamento (V T ) têm vindo a diminuir, o que permite que se realizem circuitos eléctricos de pequenas dimenções e de baixo consumo. Os dispositivos eléctricos desenvolvidos em tecnologia CMOS têm vindo a proliferar no mercado mundial, nomeadamente em dispositivos rádio (média e alta frequência), conversores analógico-digitais e em redes de sensores. Um dos principais desafios, consequentes da miniaturização destes dispositivos, prende-se com a forma em como é gerada a energia e o seu correcto aproveitamento e armazenamento, de modo a alimentar os circuitos desejados. Tipicamente estes dispositivos encontram-se isolados e de difícil acesso, como exemplo, sensores de monitorização de temperatura, gases, onde a facilidade de alimentação dos mesmos é de difícil concretização. Estas dificuldades levam a que se implementem sistemas que gerem energia autonomamente. Actualmente existem diversos estudos sobre métodos de aquisição e armazenamento de energia de diversas fontes, com o objectivo de transfomá-la em energia eléctrica, quer em tensão ou corrente. Num sistema de eléctrico é necessário gerar sinais de referência que tipicamente são sinais sinusoidais ou ondas quadradas. Estes sinais, dependendo do tipo de aplicação, têm valores de frequência de oscilação diferentes, tipicamente para sensores na ordem dos khz e nos circuitos rádio na ordem dos MHz e GHz. Para tal é necessário ter um circuito oscilador que os gere com as características desejadas. Este oscilador, para maior versatilidade nas aplicações, pode ser controlado por uma tensão, variando assim a frequência de trabalho. Este dispositivo é desginado por Oscilador Controlado por Tensão (VCO). Neste trabalho apresenta-se o estudo de um VCO, desenvolvido na tecnologia CMOS da UMC com 0.18µm de largura de canal. Este VCO será projectado para funcionar na banda Industrial Scientific and Medical (ISM) dos GHz (2400MHz MHz). Este estudo terá como base as variações do fornecimento de energia para alimentar este dispositivo. Obtêm-se os parâmetros típicos da caracterização de um VCO, tais como, potência do sinal de saída, comportamento frequênciatensão de controlo e ruído de fase na banda de oscilação, em função da alimentação do dispositivo. Este trabalho está dividido em cinco secções, onde na secção I faz-se a introdução ao trabalho. Na secção II apresentam-se as diversas fontes de energia em estudo actualmente, principalmente em tecnologias CMOS. Na secção III apresenta-se o cenário de simulação onde se dá ênfase ao circuito em teste, bem como as condições de simulação. Na secção IV apresentam-se os resultados obtidos das diversas simulações efectuadas. Na secção V apresentam-se as conclusões.

2 II Fontes de Energia Conforme apresentado nos trabalhos [1], [2] e [3], existem diversos métodos de transformar energia de vários tipos em energia eléctrica. Nestes trabalhos são apresentados estudos de diversos métodos de geração, captação e armazenamento de energia electrica. O trabalho [1] apresenta um estudo sobre fontes de energia para redes de sensores sem fios. Os autores apresentam diversos métodos de armazenamento de energia, nomeadamente baterias, células de energia e fontes de calor. Grande parte do trabalho converge na apresentação de resultados de diversas fontes de captação de energia, nomeadamente energia solar e vibrações. Nos trabalhos [2] e [3] são apresentados resultados referentes à geração de energia a partir materiais piezoeléctricos, tirando partido de vibrações existentes em redor do dispositivo. Os autores apresentam três aproximações possíveis em função do tipo de energia a gerar e da frequência do sinal desejado. Para cenários onde a tensão de alimentação é de baixo valor, pode-se aproximar o circuito a um circuito rectificador. Para cenários onde a tensão de alimentação é elevada, o autor distingue dois cenários possíveis: sinais de banda estreita ou banda larga. No primeiro caso enquadram-se os circuitos ressonantes passivos e no segundo, circuitos activos comutados[2]. Tipicamente, quando se fala em geração de energia electrica a partir do meio ambiente, a energia solar é a que apresenta maiores resultados, quer a nivel de quantidade de energia que em fiabilidade[1]. No entanto existem outras fontes de energia no meio ambiente capazes gerar energia electrica, tais como, ondas electromagnéticas, gradiente de temperatura, vento e vibrações [1]. Cada um destes métodos requer acondicionadores de energia diferentes, o que leva a que seja praticamente impossível tirar partido de cada um deles simultânemente, principalmente em tecnologias CMOS, uma vez que a área ocupada seria demasiadamente elevada, bem como certos precessos de captação de energia não serem compatíveis com a tecnologia CMOS. No trabalho [1] apresentam-se vários valores de potência para diferentes materiais e diversas fontes de energia. A que apresenta melhores desempenhos é a energia solar com 15000µW/cm 3. Na figura 1 apresenta-se um resumo do método de aquisição de energia a partir de uma fonte de energia genérica. Dependendo deste tipo de fonte de energia (solar, piezoeléctrica, gradiente de temperatura) torna-se necessário transformar a energia captada em energia eléctrica, e consequentemente, estabilizá-la para se seja possível armazená-la num dispositivo que permita fornecer ao circuito de carga uma tensão e corrente estáveis. Tipicamente esta estabilização de energia é efectuada a partir de conversores AC-DC e DC- DC[2]. O armazenamento pode ser efectuado quer em baterias externas ao circuito monolítico ou em condensadores integrados na mesma pastilha de silício do circuito de carga. Fonte de energia Estabilização da energia Armazenamento VDD Figura 1 Método de captação de energia Uma vez que o processo de fabrico dos VCO mais utilizados no mercado são CMOS, é importante apresentar estudos de desempenho deste mesmo processo no que diz respeito à captação, armazenamento e fornecimento de energia a um dispositivo integrado. No trabalho [4] é apresentada uma solução de um sistema de geração de energia baseado em energia solar. Este sistema é implementado em tecnologia CMOS 0.35µm. A solução apresentada é baseada em diversos tipos de paineis solares utilizados em diversos pontos do sistema. Os dispositivos electrónicos monolíticos utilizados na conversão e estabilização de energia são baseados em osciladores e charge pumps que permitem amplificar e armazenar a energia absorvida. Esta solução consegue apresentar aos terminais de uma carga de capacitiva de algumas dezenas de ff uma tensão estável de 3.3V [4]. Uma vez que se pretende alimentar um VCO, é necessário ter disponível uma fonte de tensão capaz de gerar uma tensão e corrente contínuas, suficientes, de modo a garantir as condições de arranque e permanencia de oscilação. Deste modo torna-se necessário estudar o comportamento do circuito de carga, neste caso concreto o VCO, a variações da tensão de alimentação ( ) e da corrente de polarização ( )

3 III Cenário de Simulação As simulações efectuadas neste trabalho foram feitas no ambiente de desenvolvimento CADENCE com o kit da UMC 0.18µm CMOS, constituída por duas pollys e seis níveis de metal. A figura 2 representa o diagrama de blocos do dispositivo em teste (DUT), cuja fonte de alimentação é simulada por um esquema equivalente baseado nos valores fornecidos por [3] e [4]. O VCO apresentado na figura 4 é constituído por três blocos: a malha ressoante LC, par diferencial cruzado e o espelho de corrente e tem como base o circuito estudado em [6]. OL + L M 1 M 2 L OL - Fonte de alimentação VCO Figura 2 Diagrama de blocos do DUT P OSC P PN Adoptando como base o trabalho [4], as simulações efectuadas no DUT têm como valor inicial os 3.3V de tensão máxima de alimentação. As topologias mais utilizadas em CMOS para relalizar VCO variam em função da malha ressoante. Esta pode ser do tipo RC ou LC. Actualmente tem-se implmentado VCO do tipo LC, uma vez que apresentam um ruído de fase menor que os RC, no entanto a área ocupada é maior[5]. Para este trabalho, baseado em paineis solares implantados directamente na pastilha CMOS, a ordem de grandeza destes comparativamente às bobinas é bem maior[5]. Deste modo opta-se por utilizar malha ressonante LC, já que apresenta melhores caracteristicas que a malha ressoante RC[5]. Para garantir o arranque e continuação da oscilação por parte do VCO, torna-se necessário eliminar o efeito resistivo parasita (R P ) existente malha LC. Assim, torna-se necessário gerar uma resistência que minimize o efeito dissipativo. Para garantir tais condições é necessário recorrer a circuitos activos CMOS que garantam uma resistência negativa aos seus terminais (R PD ), de modo a anular o efeito dissipativo, conforme representado na figura 3. L Malha ressonante C R P Circuito Activo Figura 3 Circuito eléctrico do VCO R PD A frequência de oscilação de uma malha ressonante LC é dada por (1) f osc = 2π 1 LC (1) M 5 M 6 M 3 M 4 Figura 4 Circuito eléctrico do VCO A malha ressoante LC é composta pela bobine L e pelos transístores M 1 e M 2. Estes transístores apresentam uma configuração típica, cujo circuito eléctrico equivalente é um condensador variável com a tensão aplicada ( ). Este efeito é obtido uma vez que se ligam directamente os metais do dreno e da fonte entre si, o que, juntamente com a tensão presente na porta dos mesmos, faz com que se gere uma capacidade variável. Estes dispositivos funcionam na zona de inversão de tensão, o que permite que, ao variar a capacidade equivalente varie, obtendo-se um condensador variável (VARICAP). Deste modo é possível variar o valor da capacidade da malha ressonante em função da tensão de controlo aplicada. O par diferencial cruzado (circuito activo), constituído pelos transístores M 3 e M 4, permite anular as perdas resistivas da malha ressonante LC, uma vez que apresenta aos seus terminais, em modo incremental, uma resistência negativa. Ao analisar o circuito composto por estes dois transistores, obtém-se o valor da resistência equivalente, em modo incremental, aos terminais do par diferencial cruzado dado por (2) 2 (2) R PD = gm Como se verifica o valores da resistência depende inversamente do valor de gm.

4 OL+ O espelho de corrente constituído pelos transístores M 5 e M 6, têm o dobro das dimensões de M 3 e M 4, garantindo o equilibrio da corrente pelos dois ramos. O VCO representado na figura 4 foi alterado de modo a garantir o seu correcto funcionamento na tecnologia UMC, já que o trabalho [5] foi realizado na tecnologia AMS 0.35µm CMOS. Esta mudança de tecnologia implica que as dimensões dos transístores sejam alteradas. Foram utilizados transístores MOS de canal n uma vez que possuem um valor de V T mais baixo, o que permite utilizar tensões de alimentação mais baixas. Para garantir as condições de oscilação do trabalho[5], obteve-se um valor de bobine de 7.1nH, o que implica que, para uma frequência de oscilação de GHz o valor do VARICAP seja de 619fF. Para garantir uma capacidade deste valor, os transístores M 1 e M 2 têm as dimenções de 200µm cada. A tensão de saída do VCO é obtida na portas dos transístores M 1 e M 2, o que implica que este circuito apresente uma saída diferencial composta por OL+ e OL-. Todos os gráficos apresentados são obtidos no terminal OL+. A figura 5 representa a variação da tensão na saída OL+ desde o arranque da oscilação até aos 10ns. Este gráfico é obtido para uma corrente de polarização de 300µΑ e uma tensão de controlo,, de 1V. Como se verifica, há um intervalo de tempo em que se dá o inicio da oscilação. Entre 0ns e aproximademente 6ns inicia-se o processo de arranque de oscilação. A partir de 6ns a amplitude de oscilação permanece com amplitude constante, de onde se observa que, para as condições acima referidas, o VCO entra em oscilação com uma amplitude de 1V pico a pico t [ns] Figura 5 Arranque do VCO para =1V Para estas condições de funcionamento traçou-se a função de transferência apresentada na figura 6. Este gráfico é importante no dimensionamento de um VCO uma vez que indica qual gama dinâmica de frequência, em função da tensão de controlo. [GHz] Figura 6 Arranque do VCO para =1V Para as condições de polarização indicadas anteriormente, verifica-se que em torno dos GHz a sensibilidade do VCO (K VCO ) é de 350MHz/V. A potência de saída, sem buffer, é de -3.6dBm. Para esta simulação, o ruído de fase é de 1MHz e 10MHz. Uma vez dimensionado o circuito passa-se a descrever o estudo efectuado ao mesmo em função das variações na tensão de alimentação e corrente de polarização. IV Resultados Obtidos Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos com base no cenário de simulação apresentado na secção III. Nestas simulações, pretendem-se estudar as variações dos parâmetros típicos que caracterizam um VCO, em função da tensão da tensão de alimentação e da corrente de polarização. Tendo como base a figura 2, pretende-se obter os parâmetros fundamentais deste dispositivo em função das condições de alimentação do mesmo. Para determinar a influência do valor máximo da tensão de alimentação, variou-se, mantendo a corrente de polarização ( ) constante. Como ponto de partida para as simulações efectuadas, tomou-se como referência os valores de polarização óptimos mencionados na secção III, isto é, uma tensão de alimentação de 3.3V e uma corrente de polarização de 300µA.

5 [GHz] [GHz] O resultado desta simulação encontra-se representado na figura 7, onde se apresentam as três curvas características tensão de controlo-frequência de oscilação =2.9V =3.1V =3.3V Figura 7 Característica do VCO em função de VDD para =300µΑ Como se verifica, para uma corrente de polarização de 300µA, mesmo que exista uma variação na tensão de alimentação, garante-se que a frequência de oscilação permaneça centrada no GHz, garantindo assim que a banda ISM dos GHz esteja contida na gama dinâmica do VCO. Como consequência da variação de VDD, apenas se nota uma variação nos valores da tensão de controlo para garantir a mesma gama dinâmica. Uma vez que este VCO está projectado para o circuito ser alimentado por um circuito capacitivo [4], é necessário estudar o comportamento do VCO face a variações na corrente de polarização =300uA =400uA =500uA Figura 8 Característica do VCO em função de para =3.3V Como se verifica na figura 8, para =3.3V, à medida que a corrente de polarização aumenta, há um decrescimo da frequência de oscilação, uma vez que a capacidade do par diferencial aumenta. Consequentemente o valor da capacidade da malha ressonante aumenta, o que implica que a frequência de oscilação diminua. No entanto, garante-se que a gama de valores se mantenham na banda de interesse dos GHz. Para além da gama de frequência do VCO, outro parâmetro importante na sua caracterização é a potência do sinal de saída, uma vez que, dependendo do tipo de aplicação, há intervalos mínimos e máximos de potência de oscilação. Para verificar a variação da potência do sinal de saída variou-se a tensão de alimentação entre três valores distintos (2.9V, 3V e 3.3V) para três valores de corrente de polarização de 300µA, 400µA e 500µA. P OSC [dbm] =300uA =400uA =500uA Figura 9 Característica do VCO em função de para =3.3V Observa-se, na figura 9, a variação da potência do sinal de saída do VCO para diferentes valores de. A maior discrepância verifica-se para o gráfico correspondente à corrente de polarização de 200µΑ. Para os restantes valores de corrente de polarização, e para uma tensão de alimentação igual ou superior a 3.1V, a potência do sinal varia de forma semelhante e nunca superior a 1.5dB. V - Conclusões Neste trabalho apresenta-se o estudo do comportamento de um VCO em função das características da fonte de alimentação utilizada. Esta fonte tem como principal característca estar implantada no próprio circuito integrado. Verificou-se que, para variações da tensão de alimentação, mas para corrente de polarização constante, a gama dinâmica em torno da frequência central de GHz mantêmse.

6 Para as situações de uma tensão constante e uma corrente variável, nota-se que a gama dinâmica diminui. No entanto, com estas dimensões dos transístores, garante-se a gama de interesse na banda ISM dos GHz. A potência do sinal de saída do oscilador apresenta um comportamento idêntico para as correntes de polarização de 400µA e 500µA. Nota-se uma diferença substancial, para os mesmos valores da tensão de alimentação, para o caso da corrente de polarização de 300µA. Para valores inferiores a 3.1V, a potência de saída difere em mais de 2dB das simulação para as outras situações. Acima de 3.1V, a evolução da corrente é idêntica às anteriores. Referências [1] Roundy, S., Steingart, D., Frechette, L., Wright, L. Rabaey, J. Power Sources for Wireless Sensor Networks, European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, [2] Green, C., Mossi, K. SCAVENGING ENERGY FROM PIEZOELECTRIC MATERIALS FOR WIRELESS SENSOR APPLICATIONS, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, [3] Vullers R.J.M., Schaijk R.van, Hoof C. Van, Mertens R. Micropower Energy Harvesting, Solid-State Electronics [4] Ferri M., Pinna D., Dallago E., Malcovati P. A 0.35-µm CMOS Solar Energy Scavenger with Power Storage Management System, IEEE Microwave and wireless components letters vol. 14, no. 9, Setembro 2004 [5] Moon H., Kang S., Kym Y., Lee K. A Fully Differential LC-VCO Using a New Varactor Control Structure, Research in Microelectronics and Electronics Page(s): 88 91, [6] Fialho V., Vaz J., A GHz CMOS Integer N Phase Lock Loop, ConfTele 2009.