Microssistemas de RF
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João Paulo Carmo, PhD Investigador Principal Universidade do Minho
Departamento de Electrónica Industrial Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D
Sumário
1 – Emissores de RF
2 – Osciladores ressonates
Emissores de RF Emissor
RF transceiver
(6.4.7)(6.4.6)
(6.4.5)
(6.3.1)
(6.3.2)(6.4.6)
(6.3.4)
sinal a
enviarCircuito
modulador
massa
(GND)
PA
LNA
Filtro
sinal
recebido
Processamento
na banda-base
Circuito
desmodulador
fref
PLL
An
ten
a
RF
switch
(6.3.3)
Vdd
- Um emissor necessita necessariamente de:
Emissores de RF
- Que gere uma frequência o mais estável possível - Um oscilador
- O mais insensível à temperatura ambiente
- Método mais frequente de implementar um oscilador
- É uma PLL com uma frequência de referência (oscilador de cristal p.ex.) - Usar um sintetizador de frequência
- 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
- PLL
- Ressonante - Resistivo
RF transceiver
(6.4.7)(6.4.6)
(6.4.5)
(6.3.1)
(6.3.2)(6.4.6)
(6.3.4)
sinal a
enviarCircuito
modulador
massa
(GND)
PA
LNA
Filtro
sinal
recebido
Processamento
na banda-base
Circuito
desmodulador
fref
PLL
An
ten
a
RF
switch
(6.3.3)
Vdd
- Osciladores LC
Emissores de RF
- Pode ser visto como uma malha realimentada - É um oscilador ressonante
- 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 LC: circuito tanque
- Sem o amplificador, Rperdas amortece as oscilações
- Osciladores LC
Emissores de RF
- Inserir em paralelo uma “resistência negativa”
Rneg<0
- O que fazer com Rperdas? antenna
C LRp
Vquench
=1Ix
Ix
Vx
Rneg=
-1/Gm
- Rneg=-1/gm
- O produto gm.Rneg>1
- Para haver oscilação (para o circuito arrancar)
- Baixas perdas nas indutâncias
- Necessidade de factores de qualidade Q elevados:
- Baixas resistências série Rserie=2fCL/Q
- Menores transcondutâncias gm
perdas
C
R
LfQ
2
Cf
- Transístores menores - Menores ganhos - Menores correntes - MENORES CONSUMOS DE ENERGIA
- Altas resistências de perdas paralela Rperdas
- Topologias
Osciladores ressonantes LC
(1) All n-MOSFET cross coupled LC oscillator
- Complementary cross coupled LC oscillator
- Topologias
Osciladores ressonantes LC
(1) All p-MOSFET cross coupled LC oscillator
- Complementary cross coupled LC oscillator
2|| perdasmperdasth RgRR
All n-MOSFET cross coupled LC oscillator
Osciladores ressonantes LC
2))((2
thgsoxn
ds VVL
WCI
(1) Cálculo da transcondutância
- Corrente nos MOSFETs
- Transcondutância dsoxnthgsoxn
gs
dsm I
L
WCVV
L
WC
V
Ig )())((
Vgs=Vds=Vdd MOSFETs saturados
- Resistência equivalente vista aos terminais do oscilador
m
thg
R2
Rth
- Para haver oscilação:
All p-MOSFET cross coupled LC oscillator
Osciladores ressonates LC
Vsg=Vsd=Vdd MOSFETs saturados
2))((2
thsg
oxp
sd VVL
WCI
(1) Cálculo da transcondutância
- Corrente nos MOSFETs
- Transcondutância
- Resistência equivalente vista aos terminais do oscilador
sdoxnthsgoxp
sg
sdm I
L
WCVV
L
WC
V
Ig )(2))((
m
thg
R2
- Logo 2perdasmRg
TODAVIA: para o mesmo gm, o W dos p-MOSFETs tem de ser
maior que o W dos n-MOSFETs pois p<n
- Resistência negativa nos All n-MOSFET e p-MOSFET cross coupled LC oscillator
Osciladores ressonantes LC
- Resistência negativa depende apenas de:
))((
2
))((
22
thddoxn
thgsoxnm
th
VVL
WC
VVL
WC
gR
))((
2
))((
22
thddoxp
thsgoxpm
th
VVL
WC
VVL
WC
gR
(1) Tensão de alimentação (2) Tamanho dos MOSFETs (W/L)
- Muito pouca flexibilidade no controlo da resistência negativa
(1) Novas topologias all n-MOSFET e p-MOSFET cross coupled LC oscillator
Osciladores ressonantes LC
(2) Novas características (a) Permitem limitar a corrente de alimentação do circuito; (b) Dão uma maior flexibilidade para controlar a resistência “negativa
(3) Corrente Itail: POLARIZA OS MOSFETs
(a) Principal responsável pela potência média dissipada em pleno funcionamento
(2) Combinando estes dois circuitos
Osciladores ressonantes LC
(2) Obtém-se o oscilador Complementary cross-coupled LC oscillator
(a) A resistência negativa depende dos dois gm’s
(b) A resistência negativa é o paralelo das duas
PMOSNMOS
PMOSNMOS
2
)2
//()2
(
// PMOS,NMOS,
mm
mm
ththnegativa
gg
gg
RRR
Osciladores ressonantes LC
Complementary cross-coupled LC oscillator
(a) Frequência de oscilação
(b) Capacidade parasita gate-source
TOXCWLCC ox
oxoxgs
,
3
2
)(2
10
CCLf
parasitas
Frequentemente: ox=SiO24.10
- MOSFETs mixed-mode:
- MOSFETs optimizados para RF:
USAR uma equação específica para a tecnologia
Osciladores ressonantes LC MOSFET UMC CMOS 0.18m optimizado para RF
(1) Layout de um n-MOSFET (2) Modelo equivalente de um n-MOSFET
(3) Valores
Osciladores ressonantes LC Exercício
(1) Dimensionar um Complementary cross-coupled LC oscillator
(2) Especificações e tecnologia CMOS - Frequência de oscilação de 433 MHz
- Tecnologia CMOS 0.7 m da on-semiconductor (ex-AMIS, Alcatel/MIETEC) nCox93 A/V2 pCox29 A/V2 Vdd=+5 V Lmin=0.7 m
- Indutância: fabricante Murata
- Condensador: fabricante Murata
(3) Componentes externos
Osciladores ressonantes LC
Indutâncias
Osciladores ressonantes LC
Condensadores