Diseño CMOS de un filtro de tiempo continuo con sistema de sintonía automática

Abstract

OBJETIVOS.<br/><br/>El objetivo global de la presente tesis doctoral consiste en el estudio de la incorporación de las características de sintonizabilidad y ajuste en estructuras integradas analógicas de tiempo continuo para filtrado de señal. La tesis se ha concentrado en el diseño, implementación, caracterización experimental y modelizado de un sistema de sintonía automática para un filtro pasa-banda de tiempo continuo que permite la sintonía tanto de su frecuencia central como de su factor de calidad.<br/>A tenor de las motivaciones, los antecedentes históricos y la contextualización en el estado del arte, se han planteado como principales objetivos particulares del presente trabajo de investigación los siguientes aspectos:<br/>- Partiendo de una topología de filtrado MOSFET-C fijada al comienzo de la tesis, proponer una mejora de la estructura original para conseguir independizar los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad y obtener una estructura completamente balanceada. Asimismo se pretende incorporar la célula MRC (MOS Resistive Circuit) a la topología de manera que permita el control electrónico de los parámetros de la misma.<br/>- Obtener un modelo completo de la estructura MRC, que contemple todos los aspectos posibles de su comportamiento no lineal.<br/>- Diseñar y realizar un filtro microelectrónico analógico de tiempo continuo con sintonía automática on-chip, con el consiguiente proceso de integración sobre silicio de estas estructuras mediante herramientas CAD, y su posterior validación funcional a través tanto de resultados de simulación post-layout como de resultados experimentales en el laboratorio.<br/>- Como último objetivo, se considera la propuesta de un proceso sistemático y general para el modelizado en pequeña señal de filtros con capacidad de sintonía automática, con el fin de realizar un estudio de estabilidad local del sistema. Dicho estudio genérico se pretende complementar con el diseño de los controladores para los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad del filtro particular presentado en la presente tesis.<br/><br/>METODOLOGÍA, FASES DEL TRABAJO Y RESULTADOS.<br/><br/>La metodología ha consistido en enmarcar históricamente el trabajo realizado en técnicas de filtrado, así como presentar la situación actual del estado del arte, incluyendo explícitamente una revisión de los diversos métodos de sintonía que en los últimos años han aparecido publicados. El estudio se acompaña de una crítica sobre los métodos analizados, donde se ponen de relieve los puntos fuertes y débiles que se han observado.<br/>A continuación se ha llevado a cabo un estudio detallado del comportamiento y modelizado del MRC, para así conocer con exactitud los efectos no deseados que puede presentar esta célula, y prever cómo influirán sobre las características del filtro de tiempo continuo a sintonizar. Por un lado, se ha determinado el comportamiento no lineal de la célula MRC, y se ha puesto de manifiesto cómo el popular modelo BSIM3 no modeliza adecuadamente el transistor MOS, pues muestra un comportamiento no simétrico que no corresponde con la natural simetría de la célula. Se ha propuesto, tras el estudio de modelos alternativos al BSIM3 para el transistor como es el caso del EKV, una modificación del modelo BSIM3 que permite corregir la deficiencia detectada.<br/>El estudio en profundidad del MRC que se presenta se ha concluido con la propuesta de un nuevo modelo para el mismo que no sólo contempla el efecto no lineal introducido por la no igualdad de sus terminales de salida, sino también el efecto de la movilidad no constante de los portadores, función del campo eléctrico transversal en el transistor MOS. Este estudio ha permitido además obtener unas recomendaciones de diseño para circuitos que incluyan la célula MRC, de las que la más destacada es la necesidad de ser usado en circuitos completamente balanceados (fully-balanced).<br/>A continuación se ha realizado el estudio, diseño e implementación de un filtro pasa-banda CMOS de segundo orden con su sistema de ajuste on-chip. Se propone la modificación introducida en el filtro TQE (Transimpedance Q-Enhancement) que permite independizar el proceso de sintonía del factor de calidad de la sintonía de su frecuencia central. Se han descrito los lazos de sintonía de frecuencia y factor de calidad implementados, con detalles sobre aquellos bloques novedosos que se plantean en la presente tesis, como son la realización de los detectores de amplitud con células multiplicadoras MRC, o la propuesta de un circuito desfasador que permite realizar un desfase de -90º a una frecuencia sintonizable a través de una tensión de control.<br/>Seguidamente se han presentado las simulaciones pertinentes y los resultados experimentales que corroboran la funcionalidad del prototipo del filtro diseñado con sus correspondientes lazos de sintonía, que se ha implementado en una tecnología CMOS de 0.8 m. Los resultados han permitido validar la funcionalidad del filtro y su sistema de autoajuste tanto en frecuencia como en factor de calidad.<br/>Finalmente se ha propuesto el proceso sistemático general para el modelizado lineal en pequeña señal de filtros analógicos de tiempo continuo que posean capacidad de sintonía automática mediante ajuste de sus constantes de tiempo, y recoge el caso particular del modelizado lineal para pequeña señal del conjunto filtro más lazos de control considerado en la presente tesis, con el fin de realizar un estudio de estabilidad local alrededor del punto de trabajo. A partir de dicho modelo se proponen sendos controladores para la sintonía de frecuencia y del factor de calidad, que mejoran las prestaciones del sistema de sintonía automática.<br/><br/>CONCLUSIONES Y VALORACIÓN DE RESULTADOS.<br/><br/>Un resultado destacado que se deriva de este trabajo es el análisis detallado y la propuesta de un nuevo modelo para la célula MRC (MOS Resistive Circuit). El resultado de dicho estudio ha sido citado por R.L. Geiger et al. en Electronics Letters, vol. 37 (nº23): pp. 1386-1387, Noviembre del 2001 ([SCH01]).<br/>Por otra parte, el análisis y diseño del filtro paso banda de segundo orden que se ha implementado en tecnología CMOS 0.8 m, y el estudio detallado de su comportamiento han permitido la realización de varias propuestas entre las que destacan la nueva estructura de filtrado basada en la denominada TQE, y el diseño de amplificadores operacionales y células MRC específicos para la aplicación requerida.<br/>En cuanto a los lazos de sintonía que se han diseñado e implementado se pueden destacar las siguientes conclusiones y realizaciones:<br/>- Se ha presentado una estructura consistente en un desfasador sintonizable, necesaria en la sintonía de frecuencia, que implementa un par polo-cero simétrico respecto el eje j del plano s, gracias, por un lado, a la fácil realización de resistencias negativas mediante la célula MRC y, por otro, a la posibilidad de sintonía del mismo.<br/>- Se han propuesto y realizado comparadores con diferentes niveles de tensión de salida, según las necesidades de la situación en el circuito donde estén destinados.<br/>- Se ha diseñado e implementado una estructura de sintonía que es eficaz y a la vez no excesivamente compleja comparada con la estructura del filtro principal, cuyos parámetros (frecuencia y factor de calidad) desean ser ajustados.<br/>- Se ha utilizado el MRC como elemento multiplicador de cuatro cuadrantes, lo que conlleva, por una lado, una reducción en el área utilizada frente a otras alternativas posibles y una homogeneización del diseño global y, por otro lado, la posiblidad de trabajar a elevadas frecuencias.<br/>- Se ha propuesto un nuevo lazo de control para la sintonización del factor de calidad Q. En dicho lazo se utiliza el MRC como multiplicador en lugar de detectores de pico para la realización de la detección de amplitud.<br/>Para finalizar, uno de los resultados más destacables de la presente tesis es el proceso sistemático y general para el modelizado del conjunto filtro más lazos de control en pequeña señal que se propone. Este análisis tiene como objetivo permitir el estudio de estabilidad local del sistema de sintonía automática. La aproximación considera un modelo incremental linealizado, partiendo de la característica bilineal de este tipo de filtros adaptativos o con capacidad de sintonía, así como una modulación en banda base para tener en cuenta la naturaleza sinusoidal de la señal de referencia de entrada. Como ejemplo, el proceso de modelizado se ha particularizado al filtro integrado analógico que ha servido como circuito sintonizable para la implementación del sistema de sintonía automática propuesto en la presente tesis. A este respecto se ha completado el estudio con el diseño de sendos controladores para los lazos de control de la frecuencia central y del factor de calidad del filtro que mejoran las prestaciones del implementado inicialmente.<br/><br/>Continuidad de la investigación<br/><br/>Debido, por un lado, a la gran cantidad de aplicaciones que pueden llevar al uso de filtros de tiempo continuo, el rango frecuencial que éstos pueden alcanzar, la gran cantidad de topologías y técnicas a emplear que existen para su implementación y, por otro, a la problemática que conlleva su utilización, las posibles líneas futuras a seguir en sistemas de sintonía automática para los mismos son bastante amplias. Sin embargo, se pueden resumir las principales y más inminentes:<br/>- En base al modelizado matemático del conjunto filtro más lazos de control planteado en la presente tesis, puede plantearse la búsqueda de sistemas de control adaptativos y controladores no lineales compatibles con las técnicas empleadas para la implementación de filtros de tiempo continuo, con el fin de realizar sistemas de sintonía más eficaces tanto en régimen estacionario como transitorio.<br/>- La utilización de los lazos de control para nuevas estructuras de los filtros master y slave.<br/>- A partir del diseño presentado en la presente tesis, realizar el estudio de las posibles modificaciones para poder plantear nuevos y mejores algoritmos de sintonía, así como su utilización en áreas más amplias del procesado analógico de la señal, como pueden ser:<br/>- Diseños de estructuras amplificadoras de la señal con control automático de ganancia (AGC).<br/>- Diseños de filtros autosintonizados para aplicaciones de filtrado en radiofrecuencia, como por ejemplo, filtros sintonizados para recepción de señales de radio, filtros programables para las etapas de filtrado en telefonía móvil de tercera generación, etc. A este respecto, hay que decir que ya se está trabajando ([ALA01a], [ALA01b]) en estructuras basadas en bancos de MRCs donde sus relaciones de aspecto (W/L) están convenientemente escaladas, y conllevan una programabilidad mixta digital y analógica, con el objetivo de incrementar el rango frecuencial de funcionamiento a través de la conmutación de un MRC a otro según la banda frecuencial donde ha de trabajar el sistema.<br/>- Sistematizar la síntesis de topologías de filtrado a partir de las matrices obtenidas mediante el modelizado propuesto en la presente tesis, para obtener estructuras que proporcionen independencia entre la sintonía del factor de calidad y de la frecuencia natural del filtro.