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Microssistemas de RF
Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL
Phone: +351-253-510190, Fax: +351-253-510189
http://lattes.cnpq.br/5589969124054528
João Paulo Carmo, PhD
Investigador Principal
Universidade do Minho
Departamento de Electrónica Industrial
Centro MicroElectroMechanical Systems (CMEMS) de I&D
jcarmo@dei.uminho.pt
Sumário
1 – Osciladores de cristal
3 – Osciladores controlados por tensão
2 – Osciladores em anel (ring oscillators)
(1) Características principais
Osciladores de cristal
- Faz com que seja muito usado como
frequência de referência em PLLs
(a) precisão na frequência de oscilação
(b) baixo ruído
(c) simplicidade de circuitos
(2) Oscilador de Pierce
(a) Inversor
(b) Resistência de realimentação RF
- Funciona como amplificador inversor
- ajuste DC do inversor na
região de elevado ganho
(c) Frequência de oscilação
- Definida a partir das características do cristal
- Condensadores C1 e C2 (na gama 22-33 pF)
(d) Malha selectiva (passa-banda) em :
- Cristal de quartzo operando na sua zona indutiva
Osciladores de cristal
Vo
Vi
Vdd
2
Vdd
VIH
VIL
VOL
VOH
=Vdd
M1 e M
2
saturados
=VOH
VOL
Característica de funcionamento do inversor
Situação real de ≠ 0(1) Transição menos
abrupta na região de
saturação de M1 e M2
(2) Pode funcionar
como amplificador
(3) Declive: (gm1+gm2)/(ro1//r02)
(1) Características electrónicas do cristal
Osciladores de cristal
(a) Depende da frequência natural de ressonância do objecto
- Forma do objecto
(b) A frequência natural depende de diversos factores
- Tamanho do objecto
- Elasticidade do material que compõe o objecto
- Velocidade de propagação do som no seio do material
(c) Foto de um cristal piezoeléctrico e símbolo e respectivo modelo eléctrico
Cp
Cs Ls Rs
ps ZZjfZ //)(
])2(2)2[()2(
)2(2)2(
)(22
22
p
s
sp
s
s
s
fjL
RfjfjfCj
fL
Rfjfj
jfZ
Cristais piezoeléctricos (continuação)
Osciladores de cristal
- Tomando como exemplo o cristal de uso genérico HC-49/U da Philips
(1) Frequências de ressonância num cristal Cp
Cs Ls Rs
ps ZZjfZ //)(
(2) Obtenção do modelo de impedância de um cristal
= f0 (frequência de oscilação)
sp
p
ss
p
ss
ps
ps
s
p CCC
Cf
C
Cf
CC
CCL
f »para),2
1(1
2
1
ss
sCL
f2
1
- Os valores série (Rs, Ls e Cs) e paralelo (Cp) tiram-se do datasheet
(a) Para tal deve-se especificar o valor f0 de ressonância do oscilador
(b) Procurar os 4 valores (TIPICOS) tendo em conta o f0
EXEMPLO: determinar os 4 valores para f0=4 MHz
Capacidade série Cs para 4 MHz
Osciladores de cristal
Cs14 fF
14 fF
12
0 ])2[( ss CfL Ls113 mH para f0=4 MHz
Gráfico da impedância do cristal para 4 MHz
Osciladores de cristal
Cp3.9 pF
Cs14 fF
Ls113 mH
Rs56
f14.0014 MHz
f24.0086 MHz
- Cristal para 20 MHz
Osciladores de cristal
Cp5.3 pF
Cs23 fF
Ls2.7 mH
Rs10 f120.1964 MHz
f220.24019 MHz
- Simulação
C1=C2=22 pF
(1) Forma mais simples de o implementar
Osciladores em anel
- Controlando (interna ou externamente) uma destas variáveis consegue-se
variar a frequência de oscilação
- Montar um anel fechado com um número impar de inversores
- Porque não é possível manter as saídas num estado estável
#1 #2 #n
n é impar
(2) As oscilações ocorrem em torno de um ponto meta-estável
R
C
R
C
R
C
(3) As oscilações não dependem de elementos externos (será?!)
- Dependem da capacidade vista nos terminais de saída das células unitárias
- Dependem da resistência interna vista nos terminais de saída das UCs
CRNNfosc
..
c
.
1 te
- Dependem do número de UCs
(1) Implementação de um oscilador em anel com sinais em quadratura
Osciladores em anel
- Sinal em fase: xI(t)=cos(2f0t)
- Sinal em quadratura: xQ(t)=sen(2f0t)=cos(2f0t+/2)
- Requer um número par e múltiplo de 4 de células unitárias :-o
- Possível com células unitárias com entradas e saídas diferenciais
Vi3
Vi3
Vi4
Vi4
Vi2
Vi2
Vi1
Vi1
+
-
+
-
+
-
+
-
Vo4
Vo4
+
-V
o1
Vo1
+
-V
o2
Vo2
+
-V
o3
Vo3
+
-
]1,0[,1
2
NkN
kk
xQ
xI
(1) Ruído em osciladores em anel
Osciladores em anel
- =RC: constante de tempo equivalente
- T: tempo médio de comutação
- Estes são claramente
não-saturados
2)2(1
4
RCf
TkRN
m
(2) Tipos de osciladores em anel
- Saturados
- Não-saturados
T T- N menor: T seja o menor e o maior possível
(3) Em termos de tempo de comutação
- Saturados:
Menores tempos de
comutação
Menor ruído ! R
C
R
C
R
C
(1) Oscilador em anel do tipo saturado
Osciladores em anel
1inV
1inV
outV
outV
tuningV
2inV
2inV1M
2M
3M
4M
5M 6M
7M 8M
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
1
6.5
1
6.5
9
9
0.6
0.6
0.18
0.18
0.18
0.40
0.40
0.18
0.18
0.18
MOSFET W [ m] L [ m]
Unitary cell
of VCO Unitary cell of the VCO
- Exemplo de célula unitária (J.P.Carmo et al., 2009)
- Célula unitária diferencial
- UC com duas conexões cruzadas (M5/M7 e M6/M8) entre duas UCs inversoras
- Células unitárias inversoras: (M1/M4 e M2/M3)
- UCs inversoras forçam os inversores à saturação completa oscilação com
menor ruído
- Oscilador com menor ruído oscilador com menor sensibilidade
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.82
Freq
uenc
y at
the
outp
ut o
f the
VC
O [G
Hz]
Voltage control at the input of the VCO [V]
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.64000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
Vtuning
[V]
Fre
quency a
t th
e o
utp
ut
of
the V
CO
[M
Hz]
KVCO
=2.8 GHz/V
(1) Voltage-Controlled Oscillator (VCO)
Osciladores controlados por tensão
- Objectivo: gerar um sinal cuja frequência instantânea de oscilação fosc
depende de uma tensão de comando Vin
fosc = f0 + KVCO.Vin
declive=KVCOf0
fosc
Vin
- KVCO: constante de ganho do VCO,
usualmente medida na zona linear
- f0: frequência instantânea para Vin=0 V
(2) De uma forma geral, os VCOs:
- São blocos imprescindíveis em PLLs
- Podem ser usados directamente para gerar sinais modulados em frequência
KVCO=876.6 MHz/VKVCO=-2.8 GHz/V
(1) Tipos de osciladores tonais (relembrando)
Osciladores controlados por tensão
- Comutados (resistivos ou RC, também conhecidos por relaxados)
- sintonia numa gama larga de frequências, integrando um número mínimo de
componentes externos
- menor ocupação de área por serem necessários simples blocos digitais
- maior ruído de fase pois são muito sensíveis a factores ambientais
- adequados para aplicações de “relativa” baixa frequência
- Ressonantes (LC e do tipo cristal)
- Q crescente ruído de fase menor mais “puro” o sinal gerado
- Ruído de fase degrada-se em indutâncias integradas pois Q é baixo (10)
- Principais mecanismos de perdas em
indutâncias integradas
- VCOs do tipo LC
Osciladores controlados por tensão
(1) A frequência instantânea fosc depende
de dois parâmetros eléctricos
(1) Não é prático variar L continuamente (só discretamente com comutação)
LCfosc
2
1
(2) A variação de fosc faz-se variando ou L ou C ou ambos
(2) O uso de Varactors permite variar C de forma continua e eléctricamente
comandavel por uma tensão de controlo Vcontrolo
(3) Varactors: junção PN contra-polarizada, cuja capacidade de junção Cj
depende da tensão nos terminais
C0
L
Vbias
M1
M2
M3
M4
Vcontrolo
D2
D1
V1
V2
Vcontrolo
>V1
Vcontrolo
>V2
Vcontrolo
C0
M2
M3
Vbias
M1
M4
LUso de Varactors
comerciaisUso de Varactors
CMOS integrados
- VCOs do tipo LC
Osciladores controlados por tensão
(1) Genericamente, Cj depende da tensão VPN nos terminais do Varactor
m
b
PNj V
CC
)1(
0
(a) Díodo comercial m=0.6
(b) CMOS m=[0.3, 0.5]
0
0
0
1
1
2
1
)(2
1
2
1
C
CLC
CCL
LCfosc
(2) Supondo que C varia da seguinte forma: C=C0+C
(3) A frequência gerada pelo VCO é então:
Função duplamente horrível!
- VCOs do tipo LC
Osciladores controlados por tensão
(1) Analisando ao detalhe a função
“horrível” e observando o seu gráfico
)2
11(
2
1
00C
C
LCfosc
C
vBv
(2) Constata-se que para C«C0
C0
C>0C<0
-C0
0
1
1
C
C
0
0
2
11
1
1
C
C
C
C
(3) Para pequenas variações de C
- Como
0
02
1
LCf
- Então CC
fffosc
0
00
2
1
- A constante de ganho é:min,max,
max,min,
0
0)()(
2
1
PNPN
PNPN
VCOVV
VCVC
C
fK
- VCOs em anel
Osciladores controlados por tensão
(1) A frequência instantânea depende do atraso e do número de inversores
(2) Controlando a corrente nos inversores, controla-se o atraso
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
1)])(([ thsgoxp
sd
sd VVL
WC
I
VR
))()(( sdthsgoxpsd VVVL
WCI
- VCOs em anel
Osciladores controlados por tensão
- Controlo do atraso nos inversores
(a) Utilizar uma topologia que permita usar resistências variáveis
(b) O problema fica resolvendo com MOSFETs operando em tríodo
Vbias
Vin
Vin
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
R R
Vbias
Vin
Vin
Vcontrolo
C C
Vout
Vout
-
+
-
+
M1
M2
M3
M4
(c) A resistência é
controlo
oxp
thdd
oxp
osc VCN
L
WCK
VVCN
L
WCK
CRN
Kf
)(
)(
)(
(d) Como Vsg=Vdd-Vcontrolo, a frequência de oscilação é fosc = f0 + KVCO.Vcontrolo
KVCO<0f0
- Exemplos de VCOs em anel
Osciladores controlados por tensão
- VCO para uma PLL a 2.4 Ghz
- Current-starved
ring oscillator
- Topologia diferencial BiasControl
In+ In-
Out+
Out-
Full range [0 - 1.8 V]
Enable/disable
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.82
Freq
uenc
y at
the
outp
ut o
f the
VC
O [G
Hz]
Voltage control at the input of the VCO [V]
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
KVCO=876.6 MHz/V
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.64000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
Vtuning
[V]
Fre
quency a
t th
e o
utp
ut
of
the V
CO
[M
Hz]
KVCO
=2.8 GHz/V
- Exemplos de VCOs em anel
Osciladores controlados por tensão
- VCO para uma PLL a 5.7 Ghz
- Topologia diferencial
- UCs saturadas
1inV
1inV
outV
outV
tuningV
2inV
2inV1M
2M
3M
4M
5M 6M
7M 8M
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
1
6.5
1
6.5
9
9
0.6
0.6
0.18
0.18
0.18
0.40
0.40
0.18
0.18
0.18
MOSFET W [ m] L [ m]
Unitary cellUnitary cell
KVCO=2.8 GHz/V
Osciladores controlados por tensão
Resultados de simulação (FFT)
ANTES
f5.25 GHz
MÉDIA=(5.333+5.167)/2=5.2500 GHz
Osciladores controlados por tensão
Resultados de simulação (FFT)
ANTES
f5.25 GHz
MÉDIA=(5.333+5.167)/2=5.2500 GHz
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