Projeto de circuitos RF em tecnologia CNTFET para padrão Bluetooth

Abstract

Neste projeto foram desenvolvidos e simulados circuitos `a base de nano tubos de carbono(CNT) de efeito de campo (FET). Esses circuitos tiveram como propósito analisar a viabilidade da substituição da tecnologia CMOS pela tecnologia CNTFET para o padrão Bluetooth em 2,4 GHz . As simulações dos circuitos foram realizadas com um modelo compacto para CNTFETs, denominado TCAM. Os elementos passivos dos circuitos foram selecionados da biblioteca da tecnologia CMOS 0,35 μm. A plataforma profissional Cadence, que possui um módulo destinado a simulações chamado de Spectre, foi utilizada para o projeto e para a simulação dos circuitos.Para a realização desse estudo, foram projetados os principais componentes/blocos do padrão Bluetooth: o amplificador fonte comum, o oscilador LC tanque e o misturador Célula de Gilbert. Para cada circuito projetado, os seguintes parâmetros característicos do CNTFET foram analisados: i) densidade de tubos, ii) número de dedos em paralelo,iii) porcentagem de nano tubos metálicos e iv) largura da porta. O impacto da presença de nano tubos metálicos no canal dos CNTFETs, que degrada o sinal e limita o uso dessa tecnologia no desempenho de circuitos analógicos, foi estudado com maior detalhe. Pode-se concluir que a complexidade do circuito está diretamente relacionada à tolerância a presença de nano tubos metálicos.A influência do layout do CNTFET multi-tubos e multi-dedos na performance do circuito pode ser demonstrada mais claramente pelo amplificador fonte comum. A largura da porta altera o número de tubos paralelos que conectam a fonte com o dreno e portanto, muda o ponto de operação DC. O aumento do número de dedos do transistor e benéfico para desempenho AC em altas freqüências, pois a impedância da porta é reduzida. Os parâmetros do layout e da tecnologia precisam ser selecionados com cuidado para o sucesso de projetos de circuitos mais complexos. A parte ativa do oscilador investigada gera uma resistência negativa, na qual e essencial para manter um sinal não atenuado. O número de dedos do transistor mostrou ser o parâmetro essencial para obter a magnitude requerida da resistência negativa. Para o projeto do misturado, todos os parâmetros tiveram que ser otimizados para atingir o ganho necessário para funcionamento. Depois da otimização dos parâmetros, todos os componentes Bluetooth aqui investigados puderam ser projetados com sucesso empregando a plataforma da tecnologia CNTFET. No entanto, os circuitos complexos requerem uma tecnologia CNTFET quase-ideal e não disponível atualmente. Uma possível solução a este problema seria odesing de novas arquiteturas dos circuitos. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This project presents the development and simulation of integrated circuits based oncarbon nanotube (CNT) field-effect transistors (FETs). These circuits were aimed toanalyze the feasibility of replacing CMOS by CNTFET technology for devices fulfillingthe Bluetooth standard at 2.4 GHz. The circuit simulations were performed witha compact model for CNTFETs, called TCAM. The passive circuit elements wereselected from the CMOS 0.35 μm library. The professional platform Cadence, whichhas a simulation module called Spectre, was used for circuit design and simulation.To perform this study, we designed some Bluetooth standard main components/blocks:a common-source amplifier, an LC tank oscillator and a Gilbert cell mixer. For eachdesigned circuit, the following CNTFET parameters were analyzed: density of tubes,number of fingers in parallel, the percentage of metallic nanotubes and gate width. Itcan be concluded that the complexity of the circuit is directly related to the toleranceto the presence of metallic nanotubes.The influence of the layout of a multi-tube multi-finger CNTFET on circuit performancecould be most clearly demonstrated for the common-source amplifier. The gatewidth alters the number of parallel tubes connecting source and drain and thereforeshifts the DC bias point. An increasing number of transistor fingers is beneficial forthe high frequency AC performance since the gate impedance is reduced.The layout and technology parameters had to be chosen with care for the successfuldesign of more complex circuits. The active part of the investigated oscillator createsa negative resistance which is essential for maintaining a non-attenuated signal. Thenumber of transistor fingers proved to be the essential parameter to obtain the requiredmagnitude of the negative resistance. For the mixer design all parameters had to beoptimised to achieve the necessary gain.After parameter optimisation, all Bluetooth components investigated here could be designed successfully employing a CNTFET technology platform. However, complexcircuits require a quasi-ideal CNTFET technology not available today. A possibleresort would be the invention of new system architectures.