apresentação do powerpoint - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/mic46/mic46_osciladores.pdf · oscilador...
TRANSCRIPT
1
PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS
= Osciladores =
Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Introdução
Oscilador é um circuito que produz um sinal de
saída, sem a necessidade de um sinal de entrada
O sinal de saída é cíclico em uma frequência
A frequência de oscilação depende das
características de seus componentes
Para manter o comportamento cíclico é necessário o
uso de realimentação para compensar perdas
A realimentação precisa se tornar ‘positiva’ para
que o circuito mantenha a oscilação
2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
Introdução
Tipos de Osciladores
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
Introdução
Tipos de Osciladores
Oscilador de relaxação
Oscilador a capacitor chaveado
Oscilador RC
Oscilador em anel
Oscilador a cristal
Oscilador LC
Menor
Maior
Frequência
3
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
Introdução
Características de Osciladores
Frequência de oscilação
Estabilidade de frequência (phase noise and
jitter)
Faixa de variação da frequência (VCO)
Estabilidade de amplitude
Pureza (ausência de harmônicas – distorção)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
Introdução
Sistema realimentado
Quando, H(s) = -1 em certa frequência, o denominador da função
de transferência vai a zero, fazendo com que o sistema passe a
apresentar ganho infinito. Nesta situação, não é mais necessário a
aplicação de um sinal Vin, para que exista uma saída Vout.
4
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Introdução
Sistema realimentado
Critério de Barkhausen
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8
Introdução
Sistema realimentado:
Três possibilidades para se atender o critério de
‘fase’.
5
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9
Introdução
Oscilador em anel
Não oscila, pois dois pólos não conseguem
provocar um desvio de fase de 180º
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
Introdução
Oscilador em anel
Pode oscilar, pois com 3 pólos se atinge o desvio
de fase de 180º (cada estágio defasa 60º)
Se o módulo do ganho de laço ultrapassar 1 nesta
frequência, ocorre oscilação auto-sustentada
6
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11
Introdução
Sistema realimentado
Ganho insuficiente
para manter
oscilação
Ganho exato para
manter oscilação
Ganho mais que
suficiente para
manter oscilação
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Introdução
Sendo o ganho não-linear, a amplitude da oscilação
estabiliza porque:
Se a amplitude cai, o ganho efetivo para esta passa a ser
maior que ‘1’, forçando-a a aumentar
Se a amplitude aumenta, o ganho efetivo para esta passa
a ser menor que ‘1’, forçando-a a diminuir
7
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13
Oscilador em Anel
Oscilador em anel com inversores CMOS
•Necessita número ímpar de inversores
•O menor anel que oscila contém 3
inversores
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14
Oscilador em Anel
Oscilador em anel diferencial: pode usar
número par ou ímpar de estágios
8
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
Oscilador em Anel
Oscilador em anel diferencial: pode usar
número par ou ímpar de estágios
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16
Oscilador em Anel
Voltage Controlled Oscilator (VCO)
Ajuste de capacitâncias (varicap)
Ajuste de correntes de polarização
Ajuste de tensão de alimentação
9
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
Oscilador em Anel
O atraso de cada estágio depende da carga-descarga
das capacitâncias parasitas dos nós X-Y
Este atraso depende da corrente de polarização ISS
Vb pode ser usada para ajustar a frequência
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
Oscilador em Anel
Controle do atraso de cada estágio através de M3,4
em triodo
Vcont pode ser usada para ajustar a frequência
10
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19
Oscilador LC
LC ideal: uma vez aplicado certo montante de
energia, este mantém o conjunto oscilando
indefinidamente
LC real: a amplitude da oscilação decai
progressivamente em razão das perdas em Rs LC ideal LC real
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
Oscilador LC
Conversão série-paralelo
Equivalente
paralelo do
indutor
Representação
das perdas por
Rs
11
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21
Oscilador LC
Circuito tanque LC paralelo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22
Oscilador LC
Amplificador sintonizado LC
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23
Oscilador LC
Oscilador LC ‘cross-coupled’
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24
Oscilador LC
Ganho e fase nos estágios e total
13
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25
Oscilador LC
Tornando o oscilador imune a VDD
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26
Oscilador LC
Condição de manutenção de oscilação
14
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27
Oscilador LC
Circuito equivalente para sinal do oscilador
Oscila! Circuito
022
:
TotP
m
RRg
Se
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28
VCO
VCO ideal vs real
15
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29
VCO LC
Ajuste de frequência através da modulação
da capacitância de junção por potencial
reverso (depleção)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30
VCO LC
Versão PMOS que elimina a capacitância parasita
do poço-n dos diodos (contra substrato) que estava
ligada aos nós X-Y
16
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31
Oscilador LC
Osciladores LC Hartley e Colpitts
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
Oscilador LC
Oscilador LC cross-coupled com filtro para redução
da 2ª harmônica
17
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33
Cristal de Quartzo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34
Cristal de Quartzo
Cristal de quartzo: modelo e característica
18
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35
Cristal de Quartzo
Cristal de quartzo: modos de
ressonância e parâmetros
F: 10’s kHz a 100’s MHz
L: 1 a 100 H
Cs: 0,1 a 10 fF
Cp: 1 a 10 pF
Q: 105 a 107
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Oscilador a Cristal
Oscilador com ressonância série