Universidade de São Paulo João Alberto Baccarin Robles Tardelli Otimização de osciladores CMOS por algoritmos meta-heurísticos Orientador: Prof. Dr. João Navarro Soares Junior São Carlos 2014 João Alberto Baccarin Robles Tardelli Otimização de osciladores CMOS por algoritmos meta-heurísticos Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica ORIENTADOR: Prof. Dr. João Navarro Soares Junior São Carlos 2014 AUTORIZO A REPRODUÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE. Tardelli, João Alberto Baccarin Robles T181o Otimização de osciladores CMOS por algoritmos meta-heurísticos / João Alberto Baccarin Robles Tardelli; orientador João Navarro Soares Junior. São Carlos, 2014. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica) -- Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2014. 1. algoritmos meta-heurísticos. 2. otimização. 3. projeto. 4. circuitos CMOS. 5. osciladores. I. Título. Dedico este trabalho à minha família, em especial, à minha querida mãe. i Agradecimentos Agradeço a minha família que me deu todo suporte necessário para eu enfrentar todos os desafios encontrados em minha jornada até aqui; em especial agradeço a minha mãe a quem sou eternamente grato. Agradeço a todos os meus professores desde meu primeiro ciclo no Ensino Infantil até aos Mestres e Doutores que foram responsáveis pela minha formação acadêmica. Agradeço, em especial, ao Professor Doutor João Navarro Soares Jr. responsável por minha orientação nesse trabalho e pelo incentivo a minha paixão pela área de microeletrônica. Agradeço aos meus amigos e colegas que foram e são minha família nos momentos em que me encontro distante da mesma. Agradeço ao CNPq pelo apoio econômico oferecido para esse trabalho e a Universidade de São Paulo como instituição por me possibilitar viver essa jornada de aprendizado. ii “Em alta frequências, os amplificadores oscilam e os osciladores não.” Autor desconhecido. “In the high-frequency world, amplifiers oscillate and oscillators don’t.” No original em inglês. iii Resumo No presente trabalho é feita a implementação de uma ferramenta para projeto de circuitos osciladores CMOS, através da utilização de algoritmos meta-heurísticos e simulações computacionais na plataforma Spice. Os algoritmos meta-heurísticos implementados em MatLab e aplicados foram os seguintes: Otimização por Enxame de Partículas (particle swarm optimization), Arrefecimento Simulado (simulated annealling) e Busca Padrão (pattern search). Testes foram realizados com osciladores em anel com três e cinco inversores, osciladores a cristal de 1,0 MHz e de 32768 Hz, além de osciladores controlados por tensão. A tecnologia aplicada foi a tecnologia CMOS 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems). No projeto foram analisados a frequência de oscilação, amplitude do sinal de saída, ruído de fase, potência consumida, e as distorções harmônicas. Um dos osciladores obtidos para 32768 Hz apresentou amplitude de saída superior a 2,0 V e potência consumida inferior a 3,0 W para tensão de alimentação de 3,0 V. O circuito VCO (voltage controlled oscillator) projetado apresentou uma faixa de frequência de 0,8 GHz a 1,1GHz. Esses e outros resultados comprovaram a eficácia da utilização de algoritmos meta-heurísticos no projeto e na otimização de circuitos osciladores CMOS, porém estudos mais aprofundados para a criação de um método robusto para o projeto automatizado ainda são necessários. Palavras Chaves: algoritmos meta-heurísticos, otimização, projeto, circuitos CMOS, osciladores. iv Abstract In this work, the implementation of a tool for design of CMOS oscillator circuits through metaheuristic algorithms and computational simulations on Spice platform is developed. The metaheuristic algorithms implemented in MATLAB and applied were: the particle swarm optimization, simulated annealing, and pattern search. Tests were performed in ring oscillators with three and five inverters, crystal oscillators of 1.0 MHz and 32768 Hz, and voltage-controlled oscillators. The applied technology was the AMS (Austria Micro Systems) CMOS 0.35 m. In the design were analyzed the oscillation frequency, the output signal amplitude, the phase noise, the power consumption, and the harmonic distortions. One of the designs obtained for a 32768 Hz oscillator presented output amplitude greater than 2.0 V and power consumption less than 3.0W for a 3.0 V supply voltage. The VCO (voltage controlled oscillator) circuit designed obtained a frequency range from 0.8 GHz to 1.1 GHz. These and other results have confirmed the effectiveness of using metaheuristic algorithms in the design and optimization of CMOS oscillator circuits, however further studies to the creation of a robust method for the automated design are still needed. Key-words: metaheuritics algorithm, optimization, project, CMOS circuits, oscillators. v Sumário 1 Introdução .................................................................................................................. 1 1.1 Objetivos ............................................................................................................. 3 2 Conceitos básicos ...................................................................................................... 4 2.1 Transistores MOS ............................................................................................... 4 2.2 Circuitos osciladores ........................................................................................... 8 2.2.1 Circuitos osciladores controlados por tensão .............................................. 13 2.2.2 Capacitâncias variáveis .............................................................................. 14 2.2.3 Parâmetros de um oscilador ....................................................................... 17 2.3 Algoritmos meta-heurísticos .............................................................................. 19 2.3.1 Otimização por Enxame de Partículas ........................................................ 21 2.3.2 Arrefecimento Simulado .............................................................................. 22 2.3.3 Busca Padrão ............................................................................................. 23 3 Metodologia ............................................................................................................. 25 3.1 Plataforma de projeto ........................................................................................ 25 3.2 Ferramentas utilizadas ...................................................................................... 30 3.2.1 MatLab ........................................................................................................ 30 3.2.2 HSpice RF .................................................................................................. 31 3.2 Circuitos projetados ........................................................................................... 33 3.2.1 Circuitos osciladores em Anel ..................................................................... 33 3.2.2 Circuitos osciladores a cristal ...................................................................... 35 3.2.3 Circuito oscilador controlado por tensão ..................................................... 39 3.3 Função objetivo ................................................................................................. 40 3.3.1 Frequência .................................................................................................. 41 3.3.2 Excursão do sinal de saída ......................................................................... 42 3.3.3 Potência consumida .................................................................................... 44 3.3.4 Ruído de fase ............................................................................................. 44 3.3.5 Distorção harmônica ................................................................................... 45 3.3.6 Área ............................................................................................................ 47 3.3.7 Jitter ............................................................................................................ 47 3.4 Conjuntos de simulações .................................................................................. 48 4 Resultados ............................................................................................................... 52 4.1 Circuito oscilador com três inversores em anel .................................................. 52 4.2 Circuito oscilador com cinco inversores em anel ............................................... 54 4.3 Circuito oscilador com cristal de 1,0 MHz .......................................................... 57 4.4 Circuito oscilador com cristal de relógio (32768 Hz) .......................................... 59 4.4.1 Refinamento da solução por Busca Padrão ................................................ 61 vi