Projeto de um amplificador de potência para um transceptor ZigBee

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Author	Costa, Filipe Batista Ribeiro
Copyright Year	2018
Abstract	The Internet of Things (IoT) allows objects to receive and send information generated by them through the Internet. These objects can communicate between them through wireless sensor networks. One of the standards that allows this communication is the ZigBee standard, which is based on the IEEE 802.15.4 protocol. This standard has as its main characteristics the low baud rate and the considerable autonomy of energy. This work presents the theoretical basis and the design procedures of a fully differential CMOS class-E power amplifier to be used This work presents in its first part the the theoretical basis and the design procedures of a fully differential CMOS class-E power amplifier. In its second part the design of this amplifier is presented (using the 0.13μm TSMC technology) and simulations are performed with Cadence’s Virtuoso software.This amplifier is designed to be part of an integrated transceiver that works with the specifications of the ZigBee standard that operates in the 2.4 GHz to 2.48 GHz frequency band. This project is part of a set of other modules that make up the transceiver, carried out in works presented in previous undergraduate thesis of the Universidade de Brasília. Key-words: Radio Frequency. Transceiver. ZigBee. Class-E Power Amplifier. Lista de ilustrações Figura 1 – Sistema de Comunicação (LATHI; DING, 2009). . . . . . . . . . . . . . 16 Figura 2 – Camadas do protocolo de rede sem fio Zigbee (FARAHANI, 2008). . . 21 Figura 3 – Topologia do Transceptor.(RAZAVI, 2011) . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figura 4 – Fluxograma para o processo de design de um circuito integrado CMOS (BAKER, 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figura 5 – Componentes conectados a nós através de portas. (KUNDERT; ZINKE, 2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figura 6 – Modelo Verilog-A/MS para um circuito linear RLC. (KUNDERT; ZINKE, 2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figura 7 – Estágio fonte comum com carga indutiva (RAZAVI, 2011). . . . . . . . 33 Figura 8 – Estágio Classe A (RAZAVI, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Figura 9 – Estágio Classe B (RAZAVI, 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 10 – a) Estágio Classe C b) Formas de onda (RAZAVI, 2011). . . . . . . . . 37 Figura 11 – Estágio Classe D (LEE, 2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Figura 12 – a)Tensão e Corrente no dreno de M1. a)Tensão e Corrente no secunndário do transformador T2.(LEE, 2004). . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Figura 13 – Circuito básico de um PA chaveado com tensão de saída não senoidal(GREBENNIKOV; SOKAL, 2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Figura 14 – Formas de ondas de corrente e tensão idealizadas sobre o dreno do transistor de um PA chaveado (GREBENNIKOV; SOKAL, 2007). . . . 42 Figura 15 – a) Fonte-comum b) Gate-comum c) Estágio cascode. (YOO; HUANG, 2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Figura 16 – Topologia single-ended (MAZZANTI et al., 2006). . . . . . . . . . . . . 45 Figura 17 – Esquemático dos componentes modelados em Verilog-A. . . . . . . . . 50 Figura 18 – Rede de casamento para a entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Figura 19 – Rede de casamento para a saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Figura 20 – Resposta transiente do PA modelado em Verilog-A. . . . . . . . . . . . 55 Figura 21 – Testbench para o PA single-ended. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Figura 22 – Formas de onda dos sinais senoidais de entrada e saída do PA. . . . . . 57 Figura 23 – a)Tensão de dreno de M2, tensão de dreno de M2 e sinal de entrada fornecido pelo driver de entrada. b) Corrente no dreno de M1. . . . . . 58 Figura 24 – Variação da potência de saída com a variação da tensão de alimentação do PA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 25 – Variação do PAE com a variação da tensão de alimentação do PA. . . . 59 Figura 26 – Variação do Ganho de Potência com a variação da tensão de alimentação do PA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Figura 27 – Variação da potência de saída com a variação da potência do sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Figura 28 – Variação do PAE com a variação da potência do sinal de entrada. . . . 61 Figura 29 – Variação do Ganho de Potência com a variação da Potência de Entrada. 62 Figura 30 – Variação da potência de saída com a variação da frequência do sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Figura 31 – Variação do PAE com a variação da frequência do sinal de entrada. . . 63 Figura 32 – Variação do Ganho de Potência com a variação da frequência do sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Figura 33 – Parâmetros de Escalonamento do PA com redes de casamento na entrada e na saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Figura 34 – Casamento na entrada para 2.4 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Figura 35 – Casamento na saída para 2.4 GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Figura 36 – Fator K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Figura 37 – B1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Figura 38 – Tesbench com a configuração diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Figura 39 – Sinais de entrada e saída do PA diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . 68 Figura 40 – Resposta transiente do PA diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Figura 41 – Variação da potência de saída com a tensão de alimentação. . . . . . . 69 Figura 42 – Variação do PAE com a tensão de alimentação. . . . . . . . . . . . . . 70 Figura 43 – Variação do Ganho de Potência com a tensão de alimentação. . . . . . 70 Figura 44 – Variação da potência de saída com a Potência do sinal de entrada. . . . 71 Figura 45 – Variação da potência de saída com a Potência do sinal de entrada. . . . 71 Figura 46 – Variação do Ganho de Potência com a Potência do sinal de entrada. . . 71 Figura 47 – Variação da potência de saída com a frequência do sinal de entrada. . . 72 Figura 48 – Variação da potência de saída com a frequência do sinal de entrada. . . 72 Figura 49 – Variação do Ganho de Potência com a frequência do sinal de entrada. . 73 Figura 50 – Parâmetros S da configuração diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Figura 51 – Fator k para o PA diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Figura 52 – B1 para o PA diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Figura 53 – Rede de duas portas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Figura 54 – Resultados da simulação do transceptor. (CAMPOS, 2014) . . . . . . . 85 Figura 55 – Esquemático do LNA. (CAMPOS, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Figura 56 – Esquemático do PLL. (GUIMARÃES, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 57 – Simulação da modelagem do PLL para o canal 11 (S < 4 >=0000). (GUIMARÃES, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Figura 58 – Esquemático do divisor completo (Pulse Swallow Counter). (PINTO, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Figura 59 – Simulação do 12 canal do divisor completo. (PINTO, 2015) . . . . . . 88 Figura 60 – Simulação dos blocos em conjunto. (GOMES, 2015) . . . . . . . . . . . 89 Figura 61 – LNA diferencial. (JÚNIOR, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Figura 62 – Esquemático do mixer, célula de Gilbert. (JÚNIOR, 2016) . . . . . . . 91 Figura 63 – Esquemático do Buffer. (FREITAS, 2016.) . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Figura 64 – Esquemático do MixerUpconversion. (FREITAS, 2016) . . . . . . . . . 92
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