Microssistemas de RF - USP · 2017-04-05 · - UC com duas conexões cruzadas (M5/M7 e M6/M8) entre duas UCs inversoras - Células unitárias inversoras: (M1/M4 e M2/M3) - UCs inversoras

Microssistemas de RF

Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, PORTUGAL

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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

[email protected]

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


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


(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)


- 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

Resistência série Rs para 4 MHz


Rs56

56 oHm

Capacidade série Cs para 4 MHz


Cs14 fF

14 fF

12

0 ])2[( ss CfL Ls113 mH para f0=4 MHz

Capacidade paralela Cp para 4 MHz


Cp3.9 pF como era de esperar Cp»Cs

3.9 pF

Gráfico da impedância do cristal para 4 MHz


Cp3.9 pF

Cs14 fF

Ls113 mH

Rs56

f14.0014 MHz

f24.0086 MHz

- Cristal para 20 MHz


Cp5.3 pF

Cs23 fF

Ls2.7 mH

Rs10 f120.1964 MHz

f220.24019 MHz

- Simulação

C1=C2=22 pF

Resultado da simulação


Resultado da simulação (FFT)


Resultado da simulação (zoom-in)


f19.67 MHz

(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)


- 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


(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


(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


(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


(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


- 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


- 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


- 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


Simulação de um VCO em anel


Resultados de simulação


Resultados de simulação (zoom-in)

f5.25 GHz


Resultados de simulação (FFT)

ANTES

f5.25 GHz

MÉDIA=(5.333+5.167)/2=5.2500 GHz


Resultados de simulação (FFT)

ANTES

f5.25 GHz

MÉDIA=(5.333+5.167)/2=5.2500 GHz


Simulação do mesmo VCO variando a tensão de controlo


Resultados de simulação

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