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Amplificador de potência cmos em 2.4 ghz com potência de saída programável

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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorLeite, Bernardo Rego Barros de Almeida-
Autor(es): dc.contributorMariano, André Augusto, 1980--
Autor(es): dc.contributorUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica-
Autor(es): dc.creatorSantos, Fávero Guilherme-
Data de aceite: dc.date.accessioned2019-08-22T00:04:15Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2019-08-22T00:04:15Z-
Data de envio: dc.date.issued2017-07-13-
Data de envio: dc.date.issued2017-07-13-
Data de envio: dc.date.issued2016-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://hdl.handle.net/1884/45763-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/1884/45763-
Descrição: dc.descriptionOrientador : Prof. Dr. Bernardo Rego Barros de Almeida Leite-
Descrição: dc.descriptionCoorientador : Prof. Dr. André Augusto Mariano-
Descrição: dc.descriptionDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 12/12/2016-
Descrição: dc.descriptionInclui referências : f. 89-90-
Descrição: dc.descriptionÁrea de concentração-
Descrição: dc.descriptionResumo: A potência DC (PDC) em um sistema móvel sem fio é um critério deter-minante de projeto. O amplificador de potência (PA) é um dos subsistemas que mais consome PDC, uma vez que é responsável por amplificar sinais de baixa potência para sinais de alta potência de saída (POUT). Para que o uso da PDC seja eficiente, o sistema transmissor deve ser capaz de selecionar os níveis de POUT do PA conforme a necessidade da aplicação, relacionando de maneira ótima PDC e POUT. Em arquiteturas de PAs nas quais não é possível selecionar a POUT, o consumo da PDC é aproximadamente constante, independente da POUT utilizada. Dessa maneira, se a aplicação demanda uma POUT baixa, a PDC consumida será aproximadamente a mesma que aquela consumida por uma POUT alta. Ao contrário, em arquiteturas de PAs nas quais a POUT é selecioná-vel, o consumo da PDC é modulado conforme a demanda da POUT. Dessa ma-neira, se é necessária uma POUT alta, a PDC consumida será proporcionalmente maior. Se a POUT é baixa, a PDC consumida será proporcionalmente menor. O fato da PDC ser modulada em função da POUT caracteriza a utilização inteligente da energia disponível em um sistema móvel sem fio. Essa dissertação de mestrado apresenta o projeto, a implementação e a caracterização de um PA em tecnologia CMOS 130 nm em 2,4 GHz com POUT selecionável. O projeto do PA consiste em compreender o que é um PA, qual o seu papel e impacto em um sistema transmissor, onde ele se insere em um sistema transceptor de rádio frequências (RF) e em quais padrões de comunicação sem fio ele se enquadra. Também são demandas de projeto o estudo da tecnologia utilizada (características e ferramentas), CMOS RF8-DM, quais os benefícios e desafios encontrados na microeletrônica de potência em RF, quais arquiteturas atendem aos requisitos de projeto, acompanhar um tape-out, e determinar quais são as métricas utilizadas para a caracterização do circuito. A implementação, por sua vez, consiste em estudar a literatura referen-te às topologias de PAs com POUT selecionável, em compreender os blocos construtivos de um PA, em propor a captura de esquemático da solução defini-da, em realizar o leiaute e simulações do circuito. Por fim, a caracterização neste trabalho consiste em apresentar os re-sultados pós-leiaute e medições preliminares; em apresentar a comparação entre os resultados de pós-leiaute e o estado da arte; a comparação entre os resultados pós-layout e medições; a análise de variações de processo, tensão e temperatura (PVT) e Monte Carlo do circuito, e a apresentação dos resulta-dos do PA em alguns padrões de comunicação digital. Diferentemente da literatura estudada, o PA proposto utiliza um estágio de potência composto por três células de amplificação que são ativadas ou de-sativadas independentemente. Dependendo da combinação em que tais célu-las são ativadas ou desativadas, sete níveis diferentes de POUT e de PDC são obtidos. Por exemplo: quando todas as células são ativadas, o PA é capaz de entregar a maior faixa de POUT possível, entretanto, o consumo de PDC é tam-bém o maior. De forma contrária, se apenas uma célula for ativada e as demais desativadas, a faixa de POUT e o consumo de PDC são reduzidos. Dessa manei-ra, é possível adequar o PA para uma operação com consumo de PDC mínima dependente da POUT desejada. O circuito proposto possui sete modos de ope-ração unívocos em termos de ganho de pequeno sinal, ponto de compressão de 1 dB referenciado à potência de saída (OCP1dB) e potência saturada (PSAT). O PA é incondicionalmente estável em todos os modos de operação. O PA proposto é totalmente integrado, significando que componente externo algum é necessário para o seu funcionamento. Os blocos-núcleo do circuito são: rede de adaptação de impedância de entrada, estágio de ganho, componente de acoplamento interestágios, estágio de potência reconfigurável e rede de adaptação de impedância de saída. Os blocos periféricos do projeto são um buffer e um circuito gerador de polarização. O circuito é composto por pads para que seja possível aplicar e ler as tensões e sinais de RF. As redes de adaptação de impedância de entrada e de saída são responsáveis por adaptar a impedância de 50 ? à impedância de entrada do estágio de ganho e a impedância de saída do estágio de potência a 50 ?, respectivamente. Os estágios de ganho e de potência são responsáveis respectivamente por dar ganho de potência ao sinal RF de entrada e fornecer um sinal de saída com alta potência e baixas distorções. Ambos estágios são baseados em transisto-res em topologia cascode: a fonte de um transistor em configuração fonte co-mum (CS) conectada ao dreno de um transistor em configuração porta comum (CG). Em especial no estágio de potência, para se selecionar os diferentes modos de operação, as células cascode de potência devem ser ligadas ou des-ligadas. Para que as células sejam ligadas, deve-se aplicar a tensão VDD nas portas dos CGs. De forma contrária, para que as células cascode de potência sejam desligadas, deve-se aplicar a tensão gnd nas portas dos CGs. O leiaute do circuito foi realizado considerando a presença de parasitas dos metais, o fluxo e intensidade da corrente RF, o desacoplamento da interfe-rência RF na alimentação e a dispersão de potenciais de terra e de alimenta-ção por todo o circuito. Nenhum erro impactante de fabricação foi encontrado durante o design rule check e o layout Vs. schematic e a verificação de modo ortogonal não apresentaram erros. Após o leiaute, as componentes parasitas R e C foram extraídas, o arquivo de fabricação encaminhado para a MOSIS e simulações pós-leiaute foram conduzidas. A simulação pós-leiaute apresentou os seguintes resultados para o modo de menor potência: PSAT de 8,1 dBm, ganho de 13,5 dB e consumo de PDC de 171 mW para entregar 6 dBm de OCP1dB. O modo de maior potência, por sua vez, apresentou PSAT de 18,9 dBm, ganho de 21,1 dB e PDC de 415 mW para OCP1dB de 18,2 dBm. Em relação à literatura estudada, este trabalho pos-sui a maior faixa de OCP1dB e de PSAT. Em termos de medição, apenas o modo de operação de maior potência foi medido. Ele apresenta um PSAT de 12,6 dBm, OCP1dB de 9,4 dBm, ganho de 12,8 dB e PDC de 252 mW para o OCP1dB. Em termos comparativos, o modo de maior potência medido situou-se entre os modos de menor potência de simulação pós-leiaute. Na tentativa de determinar a fonte da diferença entre o circuito medido e simulado, algumas hipóteses foram testadas, tais como alteração da tensão de polarização do cir-cuito, métodos alternativos para extração de parasitas e influência dos pads no descasamento de impedâncias. Os resultados obtidos não foram suficientes para explicar a discrepância encontrada e espera-se que com as medições fal-tantes seja possível determinar a fonte de diferenças. Palavras-chave: Amplificador de potências. PA CMOS em 2,4 GHz. Po-tência de saída selecionável.-
Descrição: dc.descriptionAbstract: The DC power consumption (PDC) of a mobile wireless system is a de-terminant project criterion. The power amplifier (PA) is one of the most PDC con-suming subsystem, as it is responsible for amplifying low power signals into high output power (POUT) signals. In order to use PDC efficiently, the transmitter system must be capable of selecting levels of POUT according to the amplifica-tion demand, optimizing the PDC and POUT relation. This masters dissertation presents the design, implementation and characterization of a selectable POUT 2.4 GHz 130 nm CMOS PA. Employing a power stage composed of amplifica-tion cells that are independently enabled or disabled, different levels of POUT and PDC are achieved. The designed amplifier is composed of seven univocal power modes and is fully integrated, meaning that no external components are needed for operation. The characterization of the circuit is composed of small and large-signal continuous-wave metrics, as well as digital channel metrics. The post-layout simulations showed a lowest power mode with a PSAT of 8.1 dBm, gain of 13.5 dB and PDC consumption of 171 mW to deliver an OCP1dB of 6 dBm. The highest power mode performs a PSAT of 18.9 dBm, gain of 21.1 dB and PDC of 415 mW for an 18.2 dBm OCP1dB. The circuit was fabricated and preliminary measurements were conducted. The comparison between measurement and simulation results showed that the fabricated circuit performs bellow expected. Some hypotheses and tests were conducted to determine the difference, but no conclusive results were obtained as further measurements are necessary. Key-words: Power amplifier. 2.4 GHz CMOS PA. Selectable output power.-
Formato: dc.format90 f. : il. algumas color., tabs., grafs.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Relação: dc.relationDisponível em formato digital-
Palavras-chave: dc.subjectEngenharia elétrica-
Palavras-chave: dc.subjectAmplificadores de potencia-
Palavras-chave: dc.subjectSistemas de energia eletrica-
Palavras-chave: dc.subjectTeses-
Título: dc.titleAmplificador de potência cmos em 2.4 ghz com potência de saída programável-
Tipo de arquivo: dc.typelivro digital-
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