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. / This thesis proposes novel circuit topologies and design techniques of ultra-low voltage (ULV) and ultra-low power (ULP) active-filters and programmable gain amplifiers (PGA) suitable for the Bluetooth low energy (BLE) RF receivers used in the Internet of Things (IoT) applications. The active-RC filters are preferred to the gm-C topologies at the ULV operation due to its improved linearity. However, the closed-loop operation increases the operational amplifier required voltage gain and its capacity to drive the resistive feedback load. In this work, the ULP dissipation is obtained by proposing a very efficient single-stage inverter-based operational transconductance amplifier (OTA) and a proper forward bulk biasing to reduce the sensitivity to process, voltage and temperature (PVT) variations. The low voltage gain and the resistive load effects on the single-stage OTA are completely compensated by using a PVT robust negative transconductor connected at the OTA inputs. The dynamic range is increased by using fully-differential topologies and common-mode feedback to improve the common-mode and power supply rejection rates. The operation at the ULV range is reached by using only two-stacked transistors in all the circuit implementations and bulk forward bias in some transistors to reduce the threshold voltage and to increase the channel inversion level. An operation point simulation-based tool and some design methodologies are also proposed in this work to design the ULV circuits. The proposed circuits were used to design a third-order active-RC complex band-pass filter (CxBPF), a programmable gain amplifier (PGA) and a Tow-Thomas biquad, with integrated programmable gain capability, suitable for BLE RF receivers. The PGA implementation uses a new programmable input negative transconductor to obtain the optimal closed-loop amplifier compensation in all the gain modes. The circuits were designed to operate at the power supply voltage of 0.4 V and are prototyped in 180 nm and 130 nm low-cost CMOS and BiCMOS process, respectively. The experimental and post-layout simulation results have demonstrated the proper ULV operation at 0.4 V, the ultra-low power dissipation down to 10.9 ?W/pole and the best figure-of-merit (FoM) among the state-of-the-art active-filters and amplifiers from the literature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-20032019-101049 |
| Date | 04 February 2019 |
| Creators | Severo, Lucas Compassi |
| Contributors | Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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