ANÁLISE E PROJETO DE UM OSCILADOR COLPITTS COMDUPLA REALIMENTAÇÃO POSITIVA OPERANDO EM ALTAFREQUÊNCIA E ULTRABAIXA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO
5 de dezembro de 2014
Rodrigo Eduardo RottavaOrientador: Fernando Rangel de Sousa
Laboratório de Radiofrequência, UFSC
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
2/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
3/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Introdução
Objetivo do trabalho:
Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentaçãopositiva.
4/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Introdução
Objetivo do trabalho:
Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentaçãopositiva.
Motivação:
Hipótese de que a dupla realimentação será capaz de reduzir oconsumo deste oscilador.
4/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Introdução
Objetivo do trabalho:
Estudar e projetar um oscilador Colpitts com dupla realimentaçãopositiva.
Motivação:
Hipótese de que a dupla realimentação será capaz de reduzir oconsumo deste oscilador.
Aplicações:
WBANs (ultrabaixo consumo, energia extraída do ambiente).
4/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
5/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
O oscilador Colpitts
Critérios de oscilação:
6/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
O oscilador Colpitts
Critérios de oscilação:
6/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
O oscilador Colpitts
Critérios de oscilação:
6/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
O oscilador Colpitts
Critérios de oscilação:
Instabilidade
Geq
< 0
6/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
ℜ{Y out}⩽−ℜ{Y L}
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
O oscilador Colpitts
Critérios de oscilação:
Ressonância
Beq
= 0
6/30
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A segunda realimentação
Z s=Z g
− jωtω
=−ωLgωtω
Onde: ωt=gm
Cgs
7/30
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A segunda realimentação
Z s=Z g
− jωtω
=−ωLgωtω
iov in
=gm
1−gmωLgω tω
Onde: ωt=gm
Cgs
7/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
A segunda realimentação
Z s=Z g
− jωtω
=−ωLgωtω
iov in
=gm
1−gmωLgω tω
A = gm
Onde: ωt=gm
Cgs
β = ωLg'
=A
1−Aβ
7/30
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A segunda realimentação
Z s=Z g
− jωtω
=−ωLgωtω
iov in
=gm
1−gmωLgω tω
Utilizando esta segundatécnica de realimentaçãoobtemos a topologiadenominada osciladorColpitts com duplarealimentação positiva:
Onde: ωt=gm
Cgs
A = gm
β = ωLg'
=A
1−Aβ
7/30
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Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
8/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
Perdas docircuito
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
Perdas docircuito
v g=α vd+β vs
vg é uma combinação linear de v
d e v
s:
onde: α(β)=1
1+Cgs (d )
Cgd (s )
−1
ω2LgCgd (s)
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
Perdas docircuito
v g=α vd+β vs
vg é uma combinação linear de v
d e v
s:
onde: α(β)=1
1+Cgs (d )
Cgd (s )
−1
ω2LgCgd (s)
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
Perdas docircuito
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Representação de pequenos sinais da topologia proposta
Perdas docircuito
9/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Modelagem simplificada
Perdas docircuito
Perdas docircuito
10/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Modelagem simplificada
Perdas docircuito
Perdas docircuito
v g=α vd+β vsRelembrando:Transcondutância total de fonte:
Transcondutância total de dreno:
gm1=gms−β gm
gm2=gmd+α gm
10/30
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Modelagem simplificada
Perdas docircuito
Perdas docircuito
10/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Modelagem simplificada
Perdas docircuito
Perdas docircuito
C1 eq=C1+α Cgs
C2eq=C2−β
ω2 Lg
Leq=1
1Ld
+ αLg
10/30
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Mínima transcondutância de fonte
Utilizando a relação: gm=gms−gmd
n
Transcondutância total de fonte:
gm1=gms(1−β/n)+gmdβ/n
Transcondutância total de dreno:
gm2=gmd (1−α/n)+gmsα/n
11/30
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Mínima transcondutância de fonte
Utilizando a relação: gm=gms−gmd
n
Transcondutância total de fonte:
gm1=gms(1−β/n)+gmdβ/n
Transcondutância total de dreno:
gm2=gmd (1−α/n)+gmsα/n
Condição de instabilidade:
ℜ{Y out}⩽−GP
11/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Mínima transcondutância de fonte
Utilizando a relação: gm=gms−gmd
n
Transcondutância total de fonte:
gm1=gms(1−β/n)+gmdβ/n
Transcondutância total de dreno:
gm2=gmd (1−α/n)+gmsα/n
Condição de instabilidade:
ℜ{Y out}⩽−GP
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)
11/30
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Frequência de oscilação
ℑ{Y out}≈ωC1eqC2eq
C1eq+C2eq
=ωC eq
ℑ{Y L}=−1
ω Leq
12/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Frequência de oscilação
Condição de ressonância:
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
ℑ{Y out}≈ωC1eqC2eq
C1eq+C2eq
=ωC eq
ℑ{Y L}=−1
ω Leq
12/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Frequência de oscilação
Condição de ressonância:
ℑ{Y out}=−ℑ{Y L}
ℑ{Y out}≈ωC1eqC2eq
C1eq+C2eq
=ωC eq
ℑ{Y L}=−1
ω Leq
f o=1
2 π√LeqC eq
12/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Estratégias para redução do consumo
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)
A transcondutância de fonte gms
está diretamente relacionada ao consumo
do oscilador. Para que o circuito oscile:
13/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Estratégias para redução do consumo
A transcondutância de fonte gms
está diretamente relacionada ao consumo
do oscilador. Para que o circuito oscile:
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g
ms mínimo:
13/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Estratégias para redução do consumo
A transcondutância de fonte gms
está diretamente relacionada ao consumo
do oscilador. Para que o circuito oscile:
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g
ms mínimo:
1. Razão capacitiva ótima:
Kotm=C2 eq
C1 eq otm
=√ GP
GP+gmd+α gm
13/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Estratégias para redução do consumo
A transcondutância de fonte gms
está diretamente relacionada ao consumo
do oscilador. Para que o circuito oscile:
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)Duas estratégias foram utilizadas para reduzir g
ms mínimo:
2. Segunda realimentação positiva:
Para α e β < 0e K
otm real
Lg<1
ω2(Cgd+Cgs(1+gm
gmd+GP))
13/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
0
-10
-20
-30
-40
GO
UT [
mS
]
0 1 2 3 4 5 6 7 8L
g [nH]
0 1 2 3 4 5 6 7 8L
g [nH]
30
20
10
0
-10
BO
UT [
mS
]
Relação de Yout
com Lg
Parâmetro C1
C2
Cgs
Cgd
n gms
gmd
Valor 2 pF 2 pF 2 pF 0 1,15 14 mS 0
14/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
15/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
Caracterização DC
gms
, gmd
, Cgs
, Cgd
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
Caracterização DC Indutor de porta
Lg<1
ω2(Cgd+Cgs(1+gm
gmd+GP))
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
Indutor de porta Razão capacitiva ótimaCaracterização DC
Kotm=C2eq
C1eq otm
=√ GP
GP+gmd+α gm
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
Razão capacitiva ótima
gms
> necessário?
Indutor de portaCaracterização DC
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
gms
> necessário? Aumentar VDD
Não
Razão capacitiva ótimaIndutor de portaCaracterização DC
gms≥gmd+gmd nC2eq /C1eq
n−β−α(1+C2eq/C1eq) (1+GP
gmd(1+
C1eq
C2eq)2
)
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto
Aumentar VDD
Oscilador de baixa tensão otimizado
Não
Sim
Razão capacitiva ótimaIndutor de portaCaracterização DC
gms
> necessário?
16/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Fluxo de projeto de circuito integrado
Projetista Foundry
Especificações
Projeto do CI
Simulação Design Kit
Layout
Extração parasitas
Tape out Fabricação
Testes e medições
17/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
18/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
18/30
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
18/30
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
Osc
ilad
or
18/30
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
Buf
fer
18/30
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Especificações do projeto
Frequência: 2,4 GHz;
Tecnologia: IBM CMOS 0,13 μm, utilizando transistor zero-VT;
Analis ador +
Bias T
18/30
Buffer para adaptar oscilador ao analisador espectro.
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Layout
Tecnologia: CMOS 0,13 μm
Área total: 0,9 mm2 *
19/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Layout
Tecnologia: CMOS 0,13 μm
Área total: 0,9 mm2 *
Área: 0,46 mm2
19/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
20/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Simulação pós-layout
70
60
50
40
30
20
100.0
Tempo [ns]
VO
SC [
mV
]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-30
-50
-70
-90
-110P
N [
dBc/
Hz]
103 104 105 106 107
Δf [Hz]
VDD
= 40 mV PDC
= 4 μW fO = 2,12 GHz
21/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Simulação pós-layout
70
60
50
40
30
20
100.0
Tempo [ns]
VO
SC [
mV
]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-30
-50
-70
-90
-110P
N [
dBc/
Hz]
103 104 105 106 107
Δf [Hz]
VDD
= 40 mV PDC
= 4 μW fO = 2,12 GHz
30 mV
21/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Simulação pós-layout
70
60
50
40
30
20
100.0
Tempo [ns]
VO
SC [
mV
]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-30
-50
-70
-90
-110P
N [
dBc/
Hz]
103 104 105 106 107
Δf [Hz]
VDD
= 40 mV PDC
= 4 μW fO = 2,12 GHz
30 mV
*-91,5 dBc/Hz
21/30
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Resultados preliminares de medição
VDD
= 53 mV PDC
= 0,9 μW fO = 1,86 GHz
-85-86 -87-88 -89-90 -91-92
1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2freq [GHz]
PO
UT [
dBm
]
22/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Resultados preliminares de medição
Medições on-waffer
Esperamos obter resultados melhores ao fixar o circuito integrado em umaPCB, e utilizar fontes de alimentação de baixo ruído.
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Comparação
Parâmetro [2] [3]a [3]b [4] Este trabalho
Tecnologia (nm) 130 180 180 180 130
Tensão (mV) 475 600 400 350 53
Frequência (GHz) 4,90 5,60 5,60 1,40 1,86
Potência (mW) 2,70 3,00 1,10 1,46 0,0009
PN (dBc/Hz) -136,21 -118,02 -114,02 -128,62 -
[2] T. Brown, F. Farhabakhshian, A. Guha Roy, T. Fiez, and K. Mayaram.[3] H.-H. Hsieh and L.-H. Lu.[4] K. Kwok and H. Luong.
¹ @ 3 MHz² @ 1 MHz
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5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Sumário
1. Introdução
2. Topologia proposta
3. Análise
4. Projeto de um protótipo integrado
5. Simulações e resultados de medição
6. Conclusões
25/30
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Conclusões do trabalho
Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.
26/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.
O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menore consome menos potência.
26/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.
O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menore consome menos potência.
Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.
26/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Introduzimos uma segunda realimentação positiva em um oscilador Colpitts.
O circuito oscila utilizando uma tensão de alimentação menore consome menos potência.
Verificamos a teoria desenvolvida através de simulação e testes.
Protótipo integrado em tecnologia CMOS 0,13 μmoscila em 1,86 GHz, com 53 mV e consumindo 0,9 μW.
26/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Há um compromisso entre área e consumo.
27/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Há um compromisso entre área e consumo.
Colpitts clássico: área menor, consumo maior;Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.
27/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Há um compromisso entre área e consumo.
Colpitts clássico: área menor, consumo maior;Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.
Aplicações:
Sistemas de comunicação com baixa taxa de transmissão,Energy harvesting.
27/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Conclusões do trabalho
Há um compromisso entre área e consumo.
Colpitts clássico: área menor, consumo maior;Com dupla realimentação: área maior, consumo menor.
Aplicações:
Sistemas de comunicação com baixa taxa de transmissão,Energy harvesting.
Perspectivas futuras:
Eficiência, múltiplas realimentações.
27/30
5 de dezembro de 2014Rodrigo Eduardo Rottava
Publicações
SFORUM (Nacional), ISCAS (Internacional) e NEWCAS (Internacional)
28/30