Simulação de um oscilador controlado por tensão auto

Ibersensor 2010, 9-11 November 2010, Lisbon, Portugal
IB-124
Simulação de um oscilador controlado por tensão auto-alimentado
Vítor Fialho, Fernando Fortes , Fernando Azevedo
Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Rua Conselheiro Emídio Navarro 1
1959-0071 Lisboa, Portugal
[email protected] ; [email protected]; [email protected]
Resumo
Neste trabalho apresenta-se o estudo do comportamento de um oscilador controlado por tensão em
função da variação das características da fonte de alimentação autónoma. O processo de fabrico do
oscilador é UMC CMOS 0.18µm com duas pollys e seis camadas de metal. Analisa-se este
dispositivo em função da alteração das condições de fornecimento de energia, tais como tensão e
corrente. Este fornecimento de energia pode ter como origem dispositivos piezoeléctricos, paineis
solares e gradientes de temperatura. Os resultados são obtidos através da simulação destes
dispositivos como geradores de tensão. Apresenta-se os resultados do oscilador, nomeadamente,
potências do sinal de saída, comportamento tensão-frequência e ruído de fase.
Palavras -Chave: Fonte de energia, rede de sensores, CMOS,VCO, ruído de fase
I - Introdução
Com o desenvolvimento dos processos de
fabrico de circuitos integrados, nomeadamente
Complementary Metal-Oxide Semiconductor
(CMOS), os valores das tensões de limiar de
funcionamento (VT) têm vindo a diminuir, o que
permite que se realizem circuitos eléctricos de
pequenas dimenções e de baixo consumo.
Os dispositivos eléctricos desenvolvidos em
tecnologia CMOS têm vindo a proliferar no
mercado
mundial,
nomeadamente
em
dispositivos rádio (média e alta frequência),
conversores analógico-digitais e em redes de
sensores. Um dos principais desafios,
consequentes
da
miniaturização
destes
dispositivos, prende-se com a forma em como é
gerada a energia e o seu correcto
aproveitamento e armazenamento, de modo a
alimentar os circuitos desejados. Tipicamente
estes dispositivos encontram-se isolados e de
difícil acesso, como exemplo, sensores de
monitorização de temperatura, gases, onde a
facilidade de alimentação dos mesmos é de
difícil concretização. Estas dificuldades levam a
que se implementem sistemas que gerem
energia autonomamente. Actualmente existem
diversos estudos sobre métodos de aquisição e
armazenamento de energia de diversas fontes,
com o objectivo de transfomá-la em energia
eléctrica, quer em tensão ou corrente.
Num sistema de eléctrico é necessário
gerar sinais de referência que tipicamente são
sinais sinusoidais ou ondas quadradas. Estes
sinais, dependendo do tipo de aplicação, têm
valores de frequência de oscilação diferentes,
tipicamente para sensores na ordem dos kHz e
nos circuitos rádio na ordem dos MHz e GHz.
Para tal é necessário ter um circuito oscilador
que os gere com as características desejadas.
Este oscilador, para maior versatilidade nas
aplicações, pode ser controlado por uma
tensão, variando assim a frequência de
trabalho. Este dispositivo é desginado por
Oscilador Controlado por Tensão (VCO).
Neste trabalho apresenta-se o estudo de
um VCO, desenvolvido na tecnologia CMOS da
UMC com 0.18µm de largura de canal. Este
VCO será projectado para funcionar na banda
Industrial Scientific and Medical (ISM) dos
2.4GHz (2400MHz 2483.5MHz).
Este estudo terá como base as variações
do fornecimento de energia para alimentar este
dispositivo. Obtêm-se os parâmetros típicos da
caracterização de um VCO, tais como, potência
do sinal de saída, comportamento frequênciatensão de controlo e ruído de fase na banda de
oscilação, em função da alimentação do
dispositivo.
Este trabalho está dividido em cinco
secções, onde na secção I faz-se a introdução
ao trabalho.
Na secção II apresentam-se as diversas
fontes de energia em estudo actualmente,
principalmente em tecnologias CMOS.
Na secção III apresenta-se o cenário de
simulação onde se dá ênfase ao circuito em
teste, bem como as condições de simulação.
Na secção IV apresentam-se os resultados
obtidos das diversas simulações efectuadas.
Na secção V apresentam-se as conclusões.
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II – Fontes de Energia
Conforme apresentado nos trabalhos [1], [2]
e [3], existem diversos métodos de transformar
energia de vários tipos em energia eléctrica.
Nestes trabalhos são apresentados estudos de
diversos métodos de geração, captação e
armazenamento de energia electrica.
O trabalho [1] apresenta um estudo sobre
fontes de energia para redes de sensores sem
fios. Os autores apresentam diversos métodos
de armazenamento de energia, nomeadamente
baterias, células de energia e fontes de calor.
Grande parte do trabalho converge na
apresentação de resultados de diversas fontes
de captação de energia, nomeadamente
energia solar e vibrações.
Nos trabalhos [2] e [3] são apresentados
resultados referentes à geração de energia a
partir materiais piezoeléctricos, tirando partido
de vibrações existentes em redor do dispositivo.
Os autores apresentam três aproximações
possíveis em função do tipo de energia a gerar
e da frequência do sinal desejado. Para
cenários onde a tensão de alimentação é de
baixo valor, pode-se aproximar o circuito a um
circuito rectificador. Para cenários onde a
tensão de alimentação é elevada, o autor
distingue dois cenários possíveis: sinais de
banda estreita ou banda larga. No primeiro caso
enquadram-se
os
circuitos
ressonantes
passivos e no segundo, circuitos activos
comutados[2].
Tipicamente, quando se fala em geração de
energia electrica a partir do meio ambiente, a
energia solar é a que apresenta maiores
resultados, quer a nivel de quantidade de
energia que em fiabilidade[1]. No entanto
existem outras fontes de energia no meio
ambiente capazes gerar energia electrica, tais
como, ondas electromagnéticas, gradiente de
temperatura, vento e vibrações [1]. Cada um
destes métodos requer acondicionadores de
energia diferentes, o que leva a que seja
praticamente impossível tirar partido de cada
um deles simultânemente, principalmente em
tecnologias CMOS, uma vez que a área
ocupada seria demasiadamente elevada, bem
como certos precessos de captação de energia
não serem compatíveis com a tecnologia
CMOS.
No trabalho [1] apresentam-se vários
valores de potência para diferentes materiais e
diversas fontes de energia. A que apresenta
melhores desempenhos é a energia solar com
15000µW/cm3.
Na figura 1 apresenta-se um resumo do
método de aquisição de energia a partir de uma
fonte de energia genérica.
Dependendo deste tipo de fonte de energia
(solar, piezoeléctrica, gradiente de temperatura)
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torna-se necessário transformar a energia
captada
em
energia
eléctrica,
e
consequentemente, estabilizá-la para se seja
possível armazená-la num dispositivo que
permita fornecer ao circuito de carga uma
tensão e corrente estáveis.
Tipicamente esta estabilização de energia é
efectuada a partir de conversores AC-DC e DCDC[2]. O armazenamento pode ser efectuado
quer em baterias externas ao circuito monolítico
ou em condensadores integrados na mesma
pastilha de silício do circuito de carga.
Fonte de energia
Estabilização da
energia
Armazenamento
VDD
IBIAS
Figura 1 – Método de captação de energia
Uma vez que o processo de fabrico dos
VCO mais utilizados no mercado são CMOS, é
importante apresentar estudos de desempenho
deste mesmo processo no que diz respeito à
captação, armazenamento e fornecimento de
energia a um dispositivo integrado.
No trabalho [4] é apresentada uma solução
de um sistema de geração de energia baseado
em energia solar. Este sistema é implementado
em tecnologia CMOS 0.35µm. A solução
apresentada é baseada em diversos tipos de
paineis solares utilizados em diversos pontos do
sistema.
Os
dispositivos
electrónicos
monolíticos
utilizados
na
conversão
e
estabilização de energia são baseados em
osciladores e charge pumps que permitem
amplificar e armazenar a energia absorvida.
Esta solução consegue apresentar aos
terminais de uma carga de capacitiva de
algumas dezenas de fF uma tensão estável de
3.3V [4].
Uma vez que se pretende alimentar um
VCO, é necessário ter disponível uma fonte de
tensão capaz de gerar uma tensão e corrente
contínuas, suficientes, de modo a garantir as
condições de arranque e permanencia de
oscilação. Deste modo torna-se necessário
estudar o comportamento do circuito de carga,
neste caso concreto o VCO, a variações da
tensão de alimentação (VDD) e da corrente de
polarização (IBIAS)
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III – Cenário de Simulação
As simulações efectuadas neste trabalho
foram feitas no ambiente de desenvolvimento
CADENCE com o kit da UMC 0.18µm CMOS,
constituída por duas pollys e seis níveis de
metal.
A figura 2 representa o diagrama de blocos
do dispositivo em teste (DUT), cuja fonte de
alimentação é simulada por um esquema
equivalente baseado nos valores fornecidos por
[3] e [4].
VDD
IBIAS
Fonte de
alimentação
O VCO apresentado na figura 4 é
constituído por três blocos: a malha ressoante
LC, par diferencial cruzado e o espelho de
corrente e tem como base o circuito estudado
em [6].
VDD
VCONT
L
M2
OL +
fOSC
POSC
PPN
VCO
L
M1
OL -
M3
M4
Figura 2 – Diagrama de blocos do DUT
Adoptando como base o trabalho [4], as
simulações efectuadas no DUT têm como valor
inicial os 3.3V de tensão máxima de
alimentação.
As topologias mais utilizadas em CMOS
para relalizar VCO variam em função da malha
ressoante. Esta pode ser do tipo RC ou LC.
Actualmente tem-se implmentado VCO do tipo
LC, uma vez que apresentam um ruído de fase
menor que os RC, no entanto a área ocupada é
maior[5]. Para este trabalho, baseado em
paineis solares implantados directamente na
pastilha CMOS, a ordem de grandeza destes
comparativamente às bobinas é bem maior[5].
Deste modo opta-se por utilizar malha
ressonante LC, já que apresenta melhores
caracteristicas que a malha ressoante RC[5].
Para garantir o arranque e continuação da
oscilação por parte do VCO, torna-se
necessário eliminar o efeito resistivo parasita
(RP) existente malha LC. Assim, torna-se
necessário gerar uma resistência que minimize
o efeito dissipativo. Para garantir tais condições
é necessário recorrer a circuitos activos CMOS
que garantam uma resistência negativa aos
seus terminais (RPD), de modo a anular o efeito
dissipativo, conforme representado na figura 3.
Malha ressonante
L
C
Circuito
Activo
RP
RPD
Figura 3 – Circuito eléctrico do VCO
IBIAS
M5
M6
Figura 4 – Circuito eléctrico do VCO
A malha ressoante LC é composta pela
bobine L e pelos transístores M1 e M2. Estes
transístores apresentam uma configuração
típica, cujo circuito eléctrico equivalente é um
condensador variável com a tensão aplicada
(VCONT). Este efeito é obtido uma vez que se
ligam directamente os metais do dreno e da
fonte entre si, o que, juntamente com a tensão
presente na porta dos mesmos, faz com que se
gere
uma
capacidade
variável.
Estes
dispositivos funcionam na zona de inversão de
tensão, o que permite que, ao variar VCONT a
capacidade equivalente varie, obtendo-se um
condensador variável (VARICAP). Deste modo
é possível variar o valor da capacidade da
malha ressonante em função da tensão de
controlo aplicada.
O par diferencial cruzado (circuito activo),
constituído pelos transístores M3 e M4, permite
anular as perdas resistivas da malha ressonante
LC, uma vez que apresenta aos seus terminais,
em modo incremental, uma resistência negativa.
Ao analisar o circuito composto por estes
dois transistores, obtém-se o valor da
resistência equivalente, em modo incremental,
aos terminais do par diferencial cruzado dado
por (2)
A frequência de oscilação de uma malha
ressonante LC é dada por (1)
RPD = −
f osc =
1
2π LC
(1)
2
gm
(2)
Como se verifica o valores da resistência
depende inversamente do valor de gm.
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3.4
3.2
OL+ [V]
3
2.8
2.6
2.4
2.2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t [ns]
Figura 5 – Arranque do VCO para VCONT=1V
9
10
Para estas condições de funcionamento
traçou-se
a
função
de
transferência
apresentada na figura 6. Este gráfico é
importante no dimensionamento de um VCO
uma vez que indica qual gama dinâmica de
frequência, em função da tensão de controlo.
2.6
2.55
2.5
2.45
f OSC [GHz]
O espelho de corrente constituído pelos
transístores M5 e M6, têm o dobro das
dimensões de M3 e M4, garantindo o equilibrio
da corrente pelos dois ramos.
O VCO representado na figura 4 foi alterado
de modo a garantir o seu correcto
funcionamento na tecnologia UMC, já que o
trabalho [5] foi realizado na tecnologia AMS
0.35µm CMOS. Esta mudança de tecnologia
implica que as dimensões dos transístores
sejam alteradas.
Foram utilizados transístores MOS de canal
n uma vez que possuem um valor de VT mais
baixo, o que permite utilizar tensões de
alimentação mais baixas.
Para garantir as condições de oscilação do
trabalho[5], obteve-se um valor de bobine de
7.1nH, o que implica que, para uma frequência
de oscilação de 2.4GHz o valor do VARICAP
seja de 619fF. Para garantir uma capacidade
deste valor, os transístores M1 e M2 têm as
dimenções de 200µm cada.
A tensão de saída do VCO é obtida na
portas dos transístores M1 e M2, o que implica
que este circuito apresente uma saída
diferencial composta por OL+ e OL-. Todos os
gráficos apresentados são obtidos no terminal
OL+.
A figura 5 representa a variação da tensão
na saída OL+ desde o arranque da oscilação
até aos 10ns. Este gráfico é obtido para uma
corrente de polarização de 300µΑ e uma tensão
de controlo, VCONT, de 1V. Como se verifica, há
um intervalo de tempo em que se dá o inicio da
oscilação.
Entre 0ns e aproximademente 6ns inicia-se
o processo de arranque de oscilação. A partir
de 6ns a amplitude de oscilação permanece
com amplitude constante, de onde se observa
que, para as condições acima referidas, o VCO
entra em oscilação com uma amplitude de 1V
pico a pico.
2.4
2.35
2.3
2.25
2.2
2.15
2.1
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
VCONT [V]
Figura 6 – Arranque do VCO para VCONT=1V
Para as condições de polarização indicadas
anteriormente, verifica-se que em torno dos
2.4GHz a sensibilidade do VCO (KVCO) é de
350MHz/V. A potência de saída, sem buffer, é
de -3.6dBm. Para esta simulação, o ruído de
fase é de -94.3dBc @ 1MHz e 119dBc @
10MHz. Uma vez dimensionado o circuito
passa-se a descrever o estudo efectuado ao
mesmo em função das variações na tensão de
alimentação e corrente de polarização.
IV – Resultados Obtidos
Nesta secção apresentam-se os resultados
obtidos com base no cenário de simulação
apresentado na secção III.
Nestas simulações, pretendem-se estudar
as variações dos parâmetros típicos que
caracterizam um VCO, em função da tensão da
tensão de alimentação e da corrente de
polarização. Tendo como base a figura 2,
pretende-se obter os parâmetros fundamentais
deste dispositivo em função das condições de
alimentação do mesmo.
Para determinar a influência do valor
máximo da tensão de alimentação, variou-se
VDD, mantendo a corrente de polarização (IBIAS)
constante.
Como ponto de partida para as simulações
efectuadas, tomou-se como referência os
valores de polarização óptimos mencionados na
secção III, isto é, uma tensão de alimentação de
3.3V e uma corrente de polarização de 300µA.
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frequência de oscilação, uma vez que a
capacidade do par diferencial aumenta.
Consequentemente o valor da capacidade da
malha ressonante aumenta, o que implica que a
frequência de oscilação diminua. No entanto,
garante-se que a gama de valores se
mantenham na banda de interesse dos 2.4GHz.
Para além da gama de frequência do VCO,
outro
parâmetro
importante
na
sua
caracterização é a potência do sinal de saída,
uma vez que, dependendo do tipo de aplicação,
há intervalos mínimos e máximos de potência
de oscilação.
Para verificar a variação da potência do
sinal de saída variou-se a tensão de
alimentação entre três valores distintos (2.9V,
3V e 3.3V) para três valores de corrente de
polarização de 300µA, 400µA e 500µA.
O resultado desta simulação encontra-se
representado na figura 7, onde se apresentam
as três curvas características tensão de
controlo-frequência de oscilação.
2.6
2.55
2.5
fOSC [GHz]
2.45
2.4
V DD=2.9V
2.35
V DD=3.1V
2.3
V DD=3.3V
2.25
2.2
2.15
2.1
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
-3.5
VCONT [V]
Figura 7 – Característica do VCO em função de VDD para
IBIAS=300µΑ
-4
Como se verifica, para uma corrente de
polarização de 300µA, mesmo que exista uma
variação na tensão de alimentação, garante-se
que a frequência de oscilação permaneça
centrada no 2.4GHz, garantindo assim que a
banda ISM dos 2.4GHz esteja contida na gama
dinâmica do VCO.
Como consequência da variação de VDD,
apenas se nota uma variação nos valores da
tensão de controlo para garantir a mesma gama
dinâmica.
Uma vez que este VCO está projectado
para o circuito ser alimentado por um circuito
capacitivo [4], é necessário estudar o
comportamento do VCO face a variações na
corrente de polarização.
POSC [dBm]
-4.5
-5.5
IBIAS=300uA
IBIAS=500uA
-6.5
2.8
fOSC [GHz]
IBIAS=300uA
IBIAS=500uA
2.95
3
3.05
3.1
3.15
3.2
3.25
Observa-se, na figura 9, a variação da
potência do sinal de saída do VCO para
diferentes valores de IBIAS. A maior discrepância
verifica-se para o gráfico correspondente à
corrente de polarização de 200µΑ. Para os
restantes valores de corrente de polarização, e
para uma tensão de alimentação igual ou
superior a 3.1V, a potência do sinal varia de
forma semelhante e nunca superior a 1.5dB.
2.45
2.3
2.9
Figura 9 – Característica do VCO em função de IBIAS para
VDD=3.3V
2.5
IBIAS=400uA
2.85
VDD [V]
2.55
2.4
IBIAS=400uA
-6
2.6
2.35
-5
V - Conclusões
2.25
2.2
2.15
2.1
1
1.5
2
2.5
3
3.5
VCONT [V]
Figura 8 – Característica do VCO em função de IBIAS para
VDD=3.3V
Como se verifica na figura 8, para
VDD=3.3V, à medida que a corrente de
polarização aumenta , há um decrescimo da
4
Neste trabalho apresenta-se o estudo do
comportamento de um VCO em função das
características da fonte de alimentação
utilizada. Esta fonte tem como principal
característca estar implantada no próprio
circuito integrado.
Verificou-se que, para variações da tensão
de alimentação, mas para corrente de
polarização constante, a gama dinâmica em
torno da frequência central de 2.4GHz mantêmse.
3.3
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Para as situações de uma tensão constante
e uma corrente variável, nota-se que a gama
dinâmica diminui. No entanto, com estas
dimensões dos transístores, garante-se a gama
de interesse na banda ISM dos 2.4GHz.
A potência do sinal de saída do oscilador
apresenta um comportamento idêntico para as
correntes de polarização de 400µA e 500µA.
Nota-se uma diferença substancial, para os
mesmos valores da tensão de alimentação,
para o caso da corrente de polarização de
300µA. Para valores inferiores a 3.1V, a
potência de saída difere em mais de 2dB das
simulação para as outras situações. Acima de
3.1V, a evolução da corrente é idêntica às
anteriores.
Referências
[1] Roundy, S., Steingart, D., Frechette, L., Wright, L.
Rabaey, J. “Power Sources for Wireless Sensor Networks”,
European Conference on Wireless Sensor Networks
(EWSN), Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004.
[2] Green, C., Mossi, K. “SCAVENGING ENERGY FROM
PIEZOELECTRIC MATERIALS FOR WIRELESS SENSOR
APPLICATIONS”,
ASME
International
Mechanical
Engineering Congress and Exposition, 2005.
[3] Vullers R.J.M., Schaijk R.van, Hoof C. Van, Mertens R.
“Micropower Energy Harvesting”, Solid-State Electronics
2009.
[4] Ferri M., Pinna D., Dallago E., Malcovati P. “A 0.35-µm
CMOS Solar Energy Scavenger with Power Storage
Management System”, IEEE Microwave and wireless
components letters vol. 14, no. 9, Setembro 2004
[5] Moon H., Kang S., Kym Y., Lee K. “A Fully Differential
LC-VCO Using a New Varactor Control Structure”, Research
in Microelectronics and Electronics Page(s): 88 – 91, 2009.
[6] Fialho V., Vaz J.,“A 2.4GHz CMOS Integer – N Phase
Lock Loop”, ConfTele 2009.
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