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

jcarmo@dei.uminho.pt

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