Projeto e Simulação de um AMP-OP para Validação de um Sistema de Filtro de Tempo Discreto

58 Pages·2016·1.26 MB·Portuguese

by  Victor Siqueira Cunha

Victor Siqueira Cunha
Projeto e Simulação de um AMP-OP para
Validação de um Sistema de Filtro de Tempo
Discreto
Curitiba
2016
Victor Siqueira Cunha
Projeto e Simulação de um AMP-OP para Validação de
um Sistema de Filtro de Tempo Discreto
Projeto de Graduação como requisito de ma-
trícula na disciplina TEX003 – Projeto de
Engenharia Elétrica para Dupla Diplomação,
do Departamento de Engenharia Elétrica, Se-
tor de Tecnologia, Universidade Federal do
Paraná
Universidade Federal do Paraná – UFPR
Departamento de Engenharia Elétrica
Graduação em Engenharia Elétrica
Orientador: Prof. Dr. Luis Henrique A. Lolis
Curitiba
2016

Agradecimentos
Agradeço aos meus pais por todo o suporte e incentivo. Estes me fizeram quem
sou.
Resumo
Os dispositivos sem fio, amplamente utilizados nos dias de hoje, exigem um baixo consumo
de energia e precisam ser flexíveis a múltiplas frequências de portadoras. A técnica de
subamostragem é usada de modo a reduzir os requisito do amostrador, resultando em
circuitos com consumo de potência reduzido. O presente trabalho consiste no estudo de
sinais e sistemas e no projeto de um amplificador operacional de transcondutância (OTA)
com especificações para funcionamento em um filtro de tempo discreto, que faz o uso de
capacitores chaveados e possui frequência de amostragem de 25 Mhz.
Palavras-chave: Amplificador Operacional de Transcondutância, Filtro de Tempo Dis-
creto, Capacitores Chaveados.
Abstract
Wireless devices, widely used today, require low power consumption and need to be
flexible at multiple carrier frequencies. The subsampling technique is used in order to
reduce sampler requirement, resulting in circuits with reduced power consumption. The
present work consists of the study of signals and systems and the design of a operational
transconductance amplifier (OTA) with specifications for operation in a discrete time filter,
which operates with switched capacitors and has a sampling frequency of 25 Mhz.
Keywords: Operational Transconductance Amplifier, Discrete Time Filter, Switched
Capacitors.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Sinal em Tempo Discreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 2 – Representação de um Sistema em Tempo Discreto . . . . . . . . . . . . 15
Figura 3 – Representação de um passa baixa em Tempo Discreto . . . . . . . . . . 17
Figura 4 – Representação de um delay unitário no domínio z . . . . . . . . . . . . 18
Figura 5 – Representação da EDCC no domínio z . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figura 6 – Representação de um FIR e sua resposta em frequência |H(f)|2 . . . . 19
Figura 7 – Resposta em frequência |H(f)|2 de um filtro IIR . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 8 – Representação de um capacitor em um circuito integrado (a) construção
física (b) modelo elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 9 – Representação de um switch com transistores MOSFET (a) NMOS (b)
PMOS (c) CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura 10 – Símbolo e circuito equivalente de um AMP-OP ideal . . . . . . . . . . 22
Figura 11 – Representação de 2 clocks não sobrepostos (a) 2 sinais de clock (B)
realização prática dos clocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 12 – Representação de um resistor com capacitores chaveados (a) circuito
(b) resistor equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 13 – Circuito de um FIR de 4a ordem com capacitores chaveados . . . . . . 25
Figura 14 – Circuito de um IIR a partir de um circuito integrador com capacitores
chaveados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Figura 15 – Circuito para simular o ganho diferencial de um OTA . . . . . . . . . . 28
Figura 16 – RepresentaçãodoruídoemumOTA(a)circuito(b)respostaemfrequência 29
Figura 17 – Curva de transferência DC ideal de um OTA . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 18 – Curva de transferência DC "real"de um OTA . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 19 – Curva de transferência "real"AC de um OTA . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 20 – Representação do tempo de resolução de um OTA . . . . . . . . . . . . 32
Figura 21 – Representação de dois sinais produzindo intermodulação de terceira
ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 22 – Representação gráfica do cálculo de IIPn . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 23 – Topologia de OTA escolhida para o projeto . . . . . . . . . . . . . . . 37
Figura 24 – Circuito equivalente do OTA de dois estágios . . . . . . . . . . . . . . 38
Figura 25 – Circuito equivalente do OTA com capacitor de compensação . . . . . . 38
Figura 26 – Representaçãográficadoefeitodocapacitordecompensaçãonaresposta
em frequência do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura 27 – Circuito de teste usado para testar o OTA . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 28 – Circuito de espelho de corrente usado para gerar V . . . . . . . . . . 46
bias
Figura 29 – Curva de comportamento DC do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 30 – Resposta em frequência do OTA, curvas de ganho e fase . . . . . . . . 49
Figura 31 – Resposta transiente do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 32 – Resposta de ruído do ota a) Visto de V b) Visto de V . . . . . . . . 50
out in
Figura 33 – Figura de ruído do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figura 34 – Calculo do IIP3 do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 35 – Circuito equivalente do modelo OTA do Cadence . . . . . . . . . . . . 52
Figura 36 – Resposta em frequência do modelo do OTA . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 37 – Resposta transiente do modelo do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Lista de tabelas
Tabela 1 – Dimensionamento dos capacitores do filtro IIR . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabela 2 – Especificações do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Tabela 3 – Dimensionamento do OTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Tabela 4 – Dimensionamento do OTA após correções . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Tabela 5 – Parâmetros do OTA utilizado de modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Tabela 6 – Comparação do OTA com outros apresentados na literatura . . . . . . 56
Lista de abreviaturas e siglas
FIR Resposta ao Impulso de Duração Finita
IIR Resposta ao Impulso de Duração Infinita
CAD Conversor Analógico-Digital
EDCC Equação de Diferença a Coeficientes Constantes
AMP-OP Amplificadores Operacionais
OTA Amplificadores Operacionais de Transcondutância
PSRR Taxa de Rejeição da Fonte de Alimentação
CMRR Taxa de Rejeição de Ganho de Modo Comum
AC Corrente Alternada
DC Corrente Direta
CMR Faixa de tensão de modo comum na entrada (Common Mode Range)
GB Frequência de ganho unitário (Gain-Bandwidth)
SR Slew-rate
MOSIS Metal Oxide Semiconductor Implementation Service
GICS Group of Integrated Circuits and Systems
PSS Análise periódica de estado estacionário (Periodic Steady-State Analysis)
PAC Análise AC periódica (Periodic AC Analysis)
PNOISE Análise periódica de ruído (Periodic Noise Analysis)
IIP3 Ponto de intercepção de terceira ordem
IMD Distorções de intermodulação