_ UPC

UPC
RESUM DE LA TESI DOCTORAL
Identificació de la tesi :
1. TÍTOL I SUBTÍTOL: Diseño CMOS de un Filtro de Tiempo Continuo con Sistema de
Sintonía Automática.
2. NOM DE L’AUTOR DE LA TESI: Herminio Martínez García.
3. NOM DEL DIRECTOR DE LA TESI: Eva M. Vidal López.
4. NOM DEL DIRECTOR DE DEPARTAMENT/INSTITUT UNIVERSITARI QUE AVALA LA
QUALITAT DE LA TESI: Joan Cabestany Moncusí.
Data i signatura de l’autor de la tesi :
El resum de la tesi elaborat pel doctorand, hauria d’incloure els aspectes següents :





Objectius que es volen/hipòtesi que s’ha de contrastar
Metodologia o metodologies emprades : justificació
Descripció de les fases del treball
Resultats assolits, comparació, si cal, amb resultats d’altres investigacions
Conclusions i valoració dels resultats aconseguits :interés científic, tecnològic, artístic i
econòmic, i d’aplicacions pràctiques
 Noves línies de recerca que seria interessant d’emprendre
 Comunicacions a congressos, articles, llibres, etc que s’han publicat
El format del resum s’haurà d’adjuntar amb una versió en disquet (Soft preferent : MS Word,
WordPerfect)
Objetivos.
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.
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:
 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.
 Obtener un modelo completo de la estructura MRC, que contemple todos los aspectos
posibles de su comportamiento no lineal.
 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.
 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.
Metodología, Fases del Trabajo y Resultados.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
Conclusiones y Valoración de Resultados.
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]).
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.
En cuanto a los lazos de sintonía que se han diseñado e implementado se pueden destacar las
siguientes conclusiones y realizaciones:
 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.
 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.
 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.
 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.
 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.
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.
Continuidad de la investigación
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:
 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.
 La utilización de los lazos de control para nuevas estructuras de los filtros master y slave.
 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:
 Diseños de estructuras amplificadoras de la señal con control automático de
ganancia (AGC).
 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.
 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.
Publicaciones derivadas
Se consignan a continuación las publicaciones y comunicaciones a las que directamente ha
dado lugar este trabajo:
[ALA01a]
Eduard Alarcón; Herminio Martínez; Eva Vidal; Jordi Madrenas; Alberto Poveda.
‘D-MRC: Digitally Programmable MOS Resistive Circuit’. Proceedings of the 44th.
IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS’01). Dayton, Ohio,
U.S.A., August 2001.
[ALA01b]
Eduard Alarcón; Herminio Martínez; Eva Vidal; Alberto Poveda. ‘Digitally
Programmable MOS Resistor’. Electronics Letters, Vol. 38 (nº 1): pp. 11-13,
January 2002.
[MAR01a]
Herminio Martínez; Eva Vidal; Eduard Alarcón; Alberto Poveda. ‘Design and
Implementation of an MRC-C TQE Filter with On-Chip Automatic Tuning’.
Proceedings of the 44th. IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems
(MWSCAS’01). Dayton, Ohio, U.S.A., August 2001.
[MAR01b]
Herminio Martínez; Eva Vidal; Eduard Alarcón; Alberto Poveda. ‘Diseño e
Implementación de un Filtro MRC-C con Sintonía Automática On-Chip’. VIII
Seminario Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación
(SAAEI’01), Matanzas, Cuba, Septiembre de 2001.
[MAR01c]
Herminio Martínez; Eva Vidal; Eduard Alarcón; Alberto Poveda. ‘Desfasador
Sintonizable CMOS Para Aplicaciones de Sintonía Automática’. VIII Seminario
Anual de Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación (SAAEI’01),
Matanzas, Cuba, Septiembre de 2001.
[MAR03]
Herminio Martínez; Eva Vidal; Eduard Alarcón; Alberto Poveda. ‘Modelo
Dinámico de un Filtro MOSFET-C para el Estudio de Estabilidad de la Sintonía
Automática On-Chip’. Para ser presentado al X Seminario Anual de Automática,
Electrónica Industrial e Instrumentación (SAAEI’03), Vigo, Spain, Septiembre de
2003.
[VID99]
Vidal, Eva; Herminio Martínez; Eduard Alarcón; Alberto Poveda. ‘Nonlinear
Analytical Model of the MRC (MOS Resistive Circuit)’. Proceedings of the 42th.
IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS’99). Las Cruces,
NMSU, New Mexico, U.S.A., August 1999.
[VID00a]
Vidal, Eva; Sonia Porta; Herminio Martínez; Eduard Alarcón; Alberto Poveda.
‘Complete Nonlinear Model of the MRC (MOS Resistive Circuit)’. Proceedings of
the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS’00). Geneve,
Switzerland, June 2000.
[VID00b]
Vidal, Eva; Herminio Martínez; Sonia Porta; Alberto Poveda. ‘Modelo Analítico
No-Lineal Basado en el Modelo EKV para el MRC’. VII Seminario Anual de
Automática, Electrónica Industrial e Instrumentación (SAAEI’00), Terrassa,
Septiembre de 2000.
[VID01b]
Vidal, Eva; Herminio Martínez; Sonia Porta; Alberto Poveda. ‘EKV-Based
Nonlinear Analytical Model for the MRC Circuit’. Analog Integrated Circuits and
Signal Processing. Kluwer Academic Publisher, Analog Integrated Circuits and
Signal Processing, vol 31, pp. 69-72, January 2002.