STOCK ET EN-COURS :

3.1.4 Tecnologia de Fabrico Utilizada

Existem numerosas tecnologias de fabrico para circuitos integrados. Neste projecto usou-se uma tecnologia BiCMOS (que conjuga transístores bipolares e circuitos CMOS), da companhia Austria Micro Systems (AMS). Outras características da tecnologia utilizada são:

 Dimensão característica de 0.8 m;

 Transístores bipolares de hetero-junção silício-germânio (Si-Ge);

 Biblioteca de componentes caracterizados para alta-frequência, incluindo:  Indutores integrados;

 Capacitores variáveis controlados por tensão;  Portas lógicas ECL (Emitter-Coupled Logic);

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A biblioteca de componentes foi uma das principais motivações para escolher esta tecnologia para o circuito.

3.2 Oscilador Controlado por Tensão

3.2.1 Introdução

Um oscilador para o sistema em consideração deve possuir as seguintes caracterís- ticas:

 Capaz de operar em alta frequência.  Ter boa pureza espectral.

 Ser facilmente integrável.

 Ter frequência de operação ajustável.

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Haveria diversos tipos de oscilador a considerar, e.g. [29]:

Cristal Excelente pureza espectral, mas baixa frequência e muito pouco ajustável.

Tanque LC Boa pureza espectral, frequência limitada por dispositivos activos, suficiente- mente ajustável.

3.2 Oscilador Controlado por Tensão 84

Multi-vibrador Baixa pureza espectral, frequência limitada por dispositivos activos, facil- mente ajustável.

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Foi escolhido um circuito ressonante de tanque LC, com um indutor integrado. Em [29], por exemplo, a opção foi por um circuito multi-vibrador (oscilador de anel).

3.2.2 Osciladores Ressonantes

Um oscilador ressonante pode ser analisado como um circuito realimentado instá- vel, cujas oscilações crescem em amplitude até que um outro mecanismo, não-linear, estabilize a amplitude das oscilações.

Essa perspectiva dá-nos uma forma de analisar o sistema, por meio de um forma- lismo típico da análise de sistemas dinâmicos, ilustrado na fig. 3.2.

A função de transferência do sistema representado é

Para que a resposta do sistema seja uma oscilação permanente, de amplitude cons- tante, é necessário que a função de transferência tenha pólos puramente imaginários, i.e. H( j₀) = 1, o que é equivalente ao bem conhecido critério de Barkhausen, segundo o qual o ganho de malha deverá unitário, e a fase de 180°.

Outra perspectiva que pode ser útil para análise é a de considerar um oscilador como dois circuitos de um porto ligados entre si. O circuito ressonante pode, para uma faixa de frequência suficientemente estreita, ser representado por um circuito equivalente RLC série ou paralelo. As oscilações perdem amplitude devido à energia dissipada no elemento resistivo. O bloco de ganho será equivalente a uma resistência negativa, ou seja, irá fornecer a energia dis- sipada na resistência do circuito ressonante.

Figura 3.2 Sistema genérico com realimentação.

H(s)

+

+

+

+

Y(s)

X(s)

3.2 Oscilador Controlado por Tensão 85

A análise mais básica de circuitos osciladores frequentemente ignora as não-linea- ridades que determinam a amplitude que será obtida. Um tratamento mais completo, levando em conta também esses efeitos, pode ser encontrada em [1].

Para que o sistema tenha uma frequência de oscilação bem definida, deverá ter uma resposta em frequência do tipo passa-banda, e com uma banda tão estreita quanto possí- vel. Isso normalmente é realizado decompondo o sistema H(s) em dois sub-blocos, um que for- nece a selectividade na frequência, e outro que fornece o ganho. Nas implementações que iremos considerar, o primeiro bloco é implementado com um circuito ressonante do tipo tan- que LC, e o segundo com um transístor, bipolar (BJT) ou de efeito de campo (FET). A maioria das topologia utilizadas em RF utiliza apenas um transístor como elemento de ganho.

Tradicionalmente isso era feito para reduzir o custo (quando eram utilizados com- ponentes discretos) e para minimizar o ruído introduzido [2]. Para uma implementação mono- lítica, o custo dos transístores deixa de ser significativo, mas continua a ser importante minimizar o ruído.

Os osciladores ressonantes apresentam a forma básica da fig. 3.3 (onde é usado um BJT, mas poderia usar-se um FET com polarização apropriada). No entanto, normalmente não

é feita a ligação directa entre o tanque LC e o emissor (fonte) do transístor, pois a impedância vista ao terminal do emissor é baixa (1 / g_m), e iria constituir uma forte carga para o tanque, dificultando o surgimento de oscilações. Por essa razão torna-se necessário efectuar uma trans- formação de impedância entre o tanque e o emissor do transístor. Existem várias formas de Figura 3.3 Forma básica de oscilador ressonante (sem os detalhes de polarização do circuito).

3.2 Oscilador Controlado por Tensão 86

solucionar este problema:  Usando um transformador.

 Usando um divisor indutivo (oscilador de Hartley).

 Usando um divisor capacitivo (oscilador de Colpitts) (cf. fig. 3.4).  Usando um segundo transístor como seguidor de emissor (cf. fig. 3.6).

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Para uma implementação integrada, usa-se normalmente uma das duas últimas soluções. Como o transístor seguidor de emissor introduz ruído adicional, o oscilador de Colpi- tts é uma topologia frequentemente escolhida.

Outra escolha frequente é a de utilizar topologias diferenciais. Este tipo de topolo- gia tem diversas vantagens, entre as quais a de gerar menos ruído e ser menos sensível a ruído. Por este razão, permite também trabalhar com amplitudes de sinal menores e assim consumir menos energia. Todos estes factores são importantes de um modo geral, mas mais ainda em circuitos de alta-frequência.

A topologia finalmente escolhida para o VCO foi uma topologia diferencial, do tipo representado na fig. 3.5, que tem a vantagem de utilizar apenas um indutor.

Note-se que uma topologia deste tipo admite diversas variantes obtidas ligando de diferentes formas os capacitores e indutores, e mantendo um funcionamento similar. Um caso trivial é o da ligação dos capacitores não ao potencial de terra, mas a V_DD ou a um outro poten-

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cial constante ou de variação muito lenta (como seria por exemplo o terminal de controle de um capacitor variável). Pode até mesmo deixar-se esse potencial flutuante (ficando a série dos dois capacitores em paralelo com o indutor) e, se o circuito for perfeitamente simétrico, esse mesmo potencial há-de manter-se constante. Mas ligar os capacitores ao potencial nulo pode ser vantajoso, porque permite eliminar alguns componentes parasitas.

De um modo geral, ao considerar as variantes possíveis, há que ter em conta:  a facilidade em polarizar

 as tensões absolutas a que são submetidos os componentes  a possibilidade de eliminar componentes parasitas de forma útil

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O funcionamento de uma topologia diferencial pode ser entendido de diferentes Figura 3.5 Oscilador ressonante diferencial.