Modelagem de transformadores em circuitos integrados utilizando tecnologia CMOS na faixa de 1 a 10 GHz

Orientador: Prof. Dr. Bernardo LeiteTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 15/05/2023Inclui referênciasResumo: Este trabalho define um modelo elétrico, com parâmetros concentrados, equivalente a transformadores coplanares em circuitos integrados na tecnologia CMOS com plano de blindagem, para a faixa de 1 a 10 GHz. Este modelo é obtido a partir de otimização e a partir das características físicas deste transformador. O modelo elétrico equivalente é comparado com o transformador simulado com o método de elementos finitos (FEM) considerando as suas indutâncias, resistências e o acoplamento entre enrolamentos. O resultado de associação série somativa e subtrativa, além de seu comportamento em um oscilador controlado por tensão também são comparados com o transformador simulado. Adicionalmente um método para o cálculo do acoplamento magnético, baseado em áreas equivalentes é proposto. O erro máximo (dos parâmetros S) entre o modelo elétrico equivalente e o transformador simulado ficaram menores que 6 % para os circuitos otimizados e 8 % para os circuitos calculados, tornando seu uso possível em projeto de circuitos de radiofrequência nesta faixa de frequência e para esta tecnologia.Abstract: The main goal of this work is to define an electrical model, with lumped parameters, equivalent to coplanar transformers to be used in CMOS integrated circuits, to operate between 1 GHz and 10 GHz, using a shield plane. This model is obtained from optimization and from the physical characteristics of this transformer. The equivalent electrical model is compared with the transformer simulated using the finite element considering its inductances, resistances and coupling between windings. The result of summative and subtractive series association, in addition to its behavior in a voltage-controlled oscillator are also compared with the simulated transformer. Additionally, a method for calculating the magnetic coupling based on equivalent areas is proposed. The maximum error (S parameters) between the equivalent electrical model and the simulated transformer was less than 6% for the optimized circuits and 8% for the calculated circuits, making its use possible in the design of radiofrequency circuits in this frequency range and for this technology

Entwurf eines drahtlosen HF-Empfängers basierend auf Bandpass-Sigma-Delta-ADU

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf eines vollintegrierten Empfängers im UHF-Bereich mit dem Ziel, für die Verwendung im Mobilfunkstandard der vierten Generation geeignet zu sein, aber auch eine Einschätzung bezüglich der Anwendbarkeit eines solchen Empfängers für Geräte der fünften Generation vorzunehmen. Bei dem Empfängerkonzept handelt es sich um einen direkt digitalisierenden Empfänger, d.h. das Empfangssignal wird direkt mittels Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und vorher nicht auf eine niedrigere Trägerfrequenz abwärtsgemischt. Der Analogteil eines direkt digitalisierenden Empfängers besteht also nur aus einem LNA und einem ADU. Diese Empfängertopologie stellt hohe Anforderungen an den ADU und bildet deshalb den Fokus dieser Arbeit. Für die Untersuchungen des Empfängerkonzepts wurde sich auf eine Implementierung für niedrige Mobilfunkfrequenzbänder beschränkt, weshalb für den Entwurf festgelegt wurde, eine Trägerfrequenz von 750MHz mit einer Signalbandbreite von 20MHz empfangen und verarbeiten zu können. Der Entwurf erfolgte in einer 28nm CMOS Technologie, sollte flächen- und stromsparend sein, sich aber auch für zukünftige Technologieknoten mit noch höherer Integrationsdichte eignen, ohne die analogen Schaltblöcke gesondert bei der Technologiewahl berücksichtigen zu müssen. Somit konnten integrierte Spulen in der Empfängerkette nicht verwendet werden. Zugleich muss im Empfänger der Alias-Effekt unterdrückt werden. Um diese strengen Rahmenbedingungen ohne exorbitante Stromaufnahme zu erfüllen, kommt als ADU-Topologie nur ein zeitkontinuierlicher Sigma-Delta-Modulator in Frage. Dazu musste das Schleifenfilter des Sigma-Delta-Modulators komplett neu entworfen werden, was u.a. den Entwurf einer einstellbaren hochgütigen aktiven Spule erforderte. Das Empfängerkonzept konnte erfolgreich an der gefertigten Schaltung verifiziert werden, der gemessene dynamische Bereich blieb jedoch weit hinter dem ursprünglich anvisierten Ziel von 84dB zurück. Es konnte lediglich ein dynamischer Bereich von 59dB bei einer Leistungsaufnahme von 36,4mW und einer maximalen Auflösung von 4,5 Bit erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen des Konzepts zeigen aber Lösungsansätze auf, mit denen die Auflösung auf 8,7 Bit und der Dynamikbereich auf 69dB gesteigert werden kann