Filtros RC-Ativo ULV e ULP combinando OTA de único estágio e transcondutância negativa de entrada para receptores RF de baixa energia. - Severo, Lucas Compassi (2019)
Este trabalho propõe novas topologias de circuitos e técnicas de projeto para filtros ativos e amplificadores de ganho programável (PGA) com operação em ultra baixa tensão (ULV) e ultra-baixa potência (ULP). Os receptores de RF do tipo Bluetooth de baixa energia (BLE), utilizados nos circuitos de internet das coisas (IoT), são as aplicações alvo dos circuitos propostos neste trabalho. Na faixa de ULV são utilizados filtros do tipo RC-ativo, uma vez que possuem uma maior linearidade em relação aos filtros do tipo gmC. A operação em ULP é alcançada neste trabalho utilizando uma nova topologia de amplificador operacional de transcondutância (OTA), com único estágio, que apresenta uma alta eficiência e reduzida sensibilidade às variações de processo, tensão e temperatura (PVT). O baixo ganho de tensão do amplificador de estágio único e os efeitos das cargas resistivas de realimentação são compensados usando um transcondutor negativo, robusto a variações em PVT, conectado às entradas do OTA. A faixa dinâmica dos circuitos é elevada usando topologias totalmente diferenciais e as taxas de rejeição de modo comum e de fonte de alimentação são melhoradas utilizando circuitos de realimentação de modo-comum. Para possibilitar a operação na faixa de ULV todos os circuitos usam apenas dois transistores empilhados e o nível de inversão do canal é elevado através da polarização direta do substrato. Neste trabalho são propostas também uma ferramenta de análise do ponto de operação do transistor, baseando-se na simulação elétrica, e algumas metodologias de projetos para circuitos operando em ULV. Os circuitos e metodologias desenvolvidos foram utilizados para o projeto de um filtro passa-faixa complexo RC-ativo de terceira ordem, um amplificador de ganho programável e um filtro biquadrático do tipo Tow-Thomas com ganho programável, compatíveis com receptores de RF do padrão BLE. Para a implementação do PGA, uma nova topologia de transconductor negativo programável foi desenvolvida para permitir a compensação ótima do amplificador operacional em todos os modos de ganho. Todos os circuitos foram projetados para operar com uma tensão de alimentação de 0,4 V e foram prototipados em processos de fabricação CMOS e BiCMOS de 180 nm e 130 nm, respectivamente. Os resultados experimentais e de simulação pós-layout demonstram uma operação adequada em 0,4 V, uma ultra-baixa dissipação de potência, atingindo o mínimo de 10.9 ?W/polo, e a melhor figura-de-mérito (FoM) em relação aos outros filtros ativos e amplificadores disponíveis na literatura.