UM AMPLIFICADOR 0,4 V DE RESISTÊNCIA NEGATIVA BASEADO EM PEQUENOS SINAIS

  • Suzian Santos
  • Lucas Compassi Severo
Rótulo IoT, amplificador, resistência, negativa, baixa, potência, tensão

Resumo

O avanço na Internet das Coisas (IoT) permite uma gama de possibilidades na área de projetos de circuitos otimizados de energia de modo a prolongar a vida útil desses circuitos alimentados por bateria. A proposta consiste na implementação de amplificadores de baixa potência e baixa tensão utilizando o efeito de resistência negativa. Inicialmente, foi definido que a análise seria feita por meio da amplificação de sinal fornecida pela resistência negativa através de um circuito divisor de tensão simples e para produzir a resistência negativa foi escolhido um transcondutor negativo de acoplamento cruzado. O circuito foi implementado no processo CMOS 180 nm para operar com uma tensão de alimentação de 0,4 V e com dissipação na escala de nW. Com um divisor de tensão composto por duas resistências, a qual uma delas é denominada Rn representando a resistência negativa e a outra resistência chamada R1, a função de transferência mostrou que ao utilizarmos resistências positivas, essa função opera como atenuador de tensão, por outro lado, se, Rn for negativo o circuito comporta-se com um amplificador de tensão. O nível de ganho de tensão é positivo quando Rn for inferior que a -R1, podendo ter um ganho infinito quando Rn tender a -R1. Também vimos que a impedância de entrada do circuito é proporcional a diferença entre essas duas resistências, assim valores mais elevados de impedância são obtidos apenas para valores mais baixos de ganho de tensão. A este circuito foi adicionado um capacitor em paralelo com Rn a fim de representar as capacitâncias parasitas e alguma carga impulsionada pelo circuito. A topologia do transcondutor negativo de acoplamento cruzado foi estudada e projetada com o auxílio do software Virtuoso Analog Design Environment da Cadence. Para produzir a resistência negativa, essa topologia foi implementada com dois transistores PMOS, ambos com mesma relação W/L que atuam como transcondutores cruzados e dois transistores NMOS funcionando como cargas de corrente. O circuito possui também uma corrente Iref que é espelhada por um terceiro transistor NMOS. Foi feito modelo de pequenos sinais deste circuito onde foi possível obter a equação que modela a resistência negativa, a qual pode ser ajustada de acordo com os níveis de tensão DC, os tamanhos dos transistores e também pelo nível de corrente Iref. Nas simulações, foi utilizado um circuito diferencial composto por baluns, um na entrada e outro na saída, com um nível de tensão DC de entrada de 0,2 V para polarizar o circuito e uma fonte de alimentação de 0,4 V para o circuito de resistência negativa. O consumo de energia do amplificador medido no ponto de polarização da operação para o ganho máximo foi de cerca de 557 nW. O ganho de tensão em função da frequência do amplificador apresentou uma queda na frequência unitária ao ser adicionado uma capacitância de 1 pF em paralelo, onde essa frequência unitária foi de cerca de 20 MHz para aproximadamente 900 kHz. Realizando uma análise paramétrica, onde o resistor R1 foi variado de 90 kΩ para 100 kΩ, obtivemos uma variação do ganho de tensão de 0 a 250 V/V devido a diferença (R1 - Rn). Analisando também a resposta em frequência para diferentes valores de R1 verificou-se que o ganho é alterado conforme a resistência é aumentada, tendo uma variação do ganho de 22 dB para cerca de 42 dB. O layout do circuito foi desenhado e fabricado e as medições preliminares mostraram uma resposta em frequência semelhante à obtida em simulações, assim como uma dissipação de cerca de 470 nW.

Downloads

Não há dados estatísticos.
Publicado
2022-11-23
Como Citar
SANTOS, S.; COMPASSI SEVERO, L. UM AMPLIFICADOR 0,4 V DE RESISTÊNCIA NEGATIVA BASEADO EM PEQUENOS SINAIS. Anais do Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão, v. 2, n. 14, 23 nov. 2022.