Projeto de osciladores controlados por tensão para Bluetooth Low Energy 5.0 utilizando técnicas de redução de potência em tecnologia CMOS.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Sola, Fellipe
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Aplicação Bluetooth Low Energy; Bluetooth low energy; Circuito oscilador CMOS; CMOS integrated circuits; Low power; Oscilador controlado por tensão; Técnicas para redução de potência; Voltage controlled oscillator
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-11042024-083942/

A utilização de dispositivos sem fio vem crescendo ao longo dos anos, especialmente devido ao aumento da Internet das Coisas (Internet of Things - IoT). Outra tendência é o desenvolvimento de circuitos que consomem baixa potência, uma vez que esses dispositivos são alimentados por baterias e precisam funcionar por muitas horas, ou até mesmo dias, antes de serem recarregados. Um dos blocos mais desafiadores, quando se trata de redução de potência, é o oscilador controlado por tensão (VCO), pois geralmente opera em altas frequências e sua performance tem forte relação com o consumo de potência. Dessa forma, o objetivo deste trabalho será discutir conceitos básicos para o desenvolvimento de circuitos osciladores, fazer uma comparação entre o oscilador em anel e o oscilador com carga LC, identificar a melhor topologia para aplicação em sistemas de Bluetooth Low Energy (BLE) 5.0 e, porém, apresentar o desenvolvimento de diferentes topologias de VCOs baseados em amplificadores com carga LC, utilizando técnicas de redução da tensão de alimentação e polarização do substrato com o objetivo de reduzir a potência. Os circuitos apresentados neste trabalho foram projetados e fabricados nos processos CMOS 180 nm da Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) ou 130 nm da International Business Corporation (IBM). O primeiro VCO desenvolvido opera em 2,4 GHz e utiliza a redução da tensão de alimentação junto com a polarização do substrato. Esse circuito apresentou alguns resultados satisfatórios nas simulações pós-layout, onde foi possível obter um consumo de potência de 2,8 mW, área de 0,298 mm2 e ruído de fase de -112,98 dBc/Hz. No entanto, a frequência de oscilação ficou muito abaixo do esperado. Além disso, o circuito fabricado não funcionou, impossibilitando realizar sua caracterização experimental. O segundo VCO desenvolvido também opera em 2,4 GHz e utiliza a redução da tensão de alimentação, a técnica de reuso de corrente e uma polarização adaptativa do substrato para redução do consumo de potência. Esse circuito apresentou resultados satisfatórios em simulações pós-layout, exceto para corners ss (slow-slow), e também durante sua caracterização experimental. Com área de 0,192 mm2, os valores medidos experimentalmente são: consumo de potência de 476,25 uW, ganho de 204 MHz/V e ruído de fase de -98,61 dBc/Hz _a 1 MHz da portadora. Por _m, o terceiro VCO desenvolvido neste trabalho opera em 5 GHz e também utiliza a redução da tensão de alimentação, a técnica de reuso de corrente e apresenta uma nova técnica de controle da transcondutância (gm) através do substrato para alcançar um baixo consumo de potência e tornar o circuito mais estável com variação de processo e temperatura. A área do circuito é de 0,207 mm2, e os valores medidos experimentalmente são: consumo de potência de 2,2 mW, ganho de 280 MHz/V e ruído de fase de 92,45 dBc/Hz _a 1 MHz da portadora.