Group of Integrated Circuits and Systems - Universidade Federal do Paraná

Os principais tópicos abordados nesta temática são:

• Métodos numéricos para a análise e projeto de circuitos e sistemas integrados: simulação eletromagnética, circuital e sistêmica;
• Modelagem de dispositivos ativos e passivos, nos diferentes domínios: físico, circuito equivalente e matemático.

A indústria eletrônica atual demanda, cada vez mais, circuitos que operem em condições extremas de desempenho, no que diz respeito a consumo de energia, frequência de operação e tensões de alimentação, entre outras, exigindo assim projetos de circuitos arrojados nos quais os dispositivos operam nos limites da tecnologia de fabricação. O desempenho de circuitos integrados analógicos e de RF é extremamente dependente do comportamento dos dispositivos que os compõem. Portanto, para se projetar circuitos que atendam aos requisitos impostos pela indústria, é necessário conhecer o comportamento físico, bem como ter modelos computacionais que sejam exatos e eficientes para esses dispositivos. Esta linha de pesquisa se ocupa do desenvolvimento e implementação de modelos de dispositivos semicondutores, para simulação de circuitos, bem como a modelagem de blocos básicos de circuitos analógicos. A implementação dos modelos é feita utilizando-se linguagens de descrição de hardware analógicas, o que permite sua utilização com a maioria dos simuladores de circuitos existentes no mercado.

Além das soluções em termos de topologia e implementação física, o desempenho dos blocos de radiofrequência depende em grande parte da qualidade dos componentes passivos integrados. Tradicionalmente, os design kits de tecnologias baseadas em silício fornecem modelos de diferentes estruturas de resistores, capacitores e, muitas vezes, também indutores. Para indutores, entretanto, as geometrias modeladas e gamas de valores realizáveis são relativamente limitadas. Ainda, não são geralmente fornecidas estruturas de linhas de transmissão (incluindo topologias coplanares, microstrip ou de ondas lentas) e transformadores, os quais podem, em certas categorias de circuito, ser essenciais, integrando redes de casamento de impedância, realimentação, conversão entre modos simples e diferencial (balun) ou combinação de potência. Fica, portanto, frequentemente a cargo do projetista desenvolver, modelar e dimensionar tais componentes, de modo a obter soluções eficientes em termos de desempenho e ocupação de área de silício. Assim, são abordados neste projeto o estudo, projeto, simulação eletromagnética e modelagem de componentes passivos como linhas de transmissão, indutores, transformadores, baluns e combinadores de potência em tecnologias avançadas de silício.

O projeto assistido por computador de sistemas modernos de comunicações móveis demanda simulações numéricas que impõem severas restrições aos métodos numéricos tradicionais para a análise de circuitos eletrônicos. Enquanto o método do equilíbrio harmônico não é adequado a esta aplicação, uma vez que é limitado a análises em regime estacionário (e, portanto, para excitações periódicas), o método de simulação de transitório é capaz de realizar esta simulação porém exige um enorme esforço computacional. Nesse contexto, recentemente foram propostas diversas técnicas numéricas, conhecidas por métodos de envoltória, que, através de uma combinação engenhosa das análises no domínio do tempo e da frequência, exploram o comportamento passa-faixa dos sinais envolvidos e, dessa forma, são capazes de realizar as simulações necessárias com um esforço computacional muito menor em comparação com o método de transitório, baseado exclusivamente no domínio do tempo. O objetivo desta linha de pesquisa é o estudo comparativo dos diferentes métodos de envoltória disponíveis na literatura e a co-simulação destes com simuladores de sistemas.

Para a definição, especificação e validação de sistemas de transmissão e recepção em rádio freqüência (RF), existem diferentes métodos numéricos e analíticos que representam diferentes níveis de abstração e métricas de avaliação. Um sistema de transmissão e recepção de dados pode ser visto como uma seqüência de blocos (caixas pretas) que atuam sobre um sinal que carrega uma informação, e cuja qualidade se degrada ao longo do sistema. Métricas no domínio da frequência, como a relação sinal-ruído (SNR) e a relação sinal-ruído e distorção (SNDR), e métricas no domínio do tempo, como taxa de erro binário (BER) e taxa de erro de pacote (PER) são definidas nos diferentes níveis de abstração e determinam a deterioração máxima à qual o sinal pode ser submetido. Técnicas analíticas (fórmula de Friss para figura de ruído equivalente, curvas teóricas de BER x Eb/N0) permitem um primeiro dimensionamento dos blocos. Técnicas de otimização podem ser aplicadas, tendo, por exemplo, como objetivo minimizar o consumo de energia para um determinado desempenho. Posteriormente, ferramentas computacionais para simulação de sistemas são necessárias para a obtenção de resultados mais precisos. Para essas ferramentas tem-se a busca pela redução da complexidade computacional através do emprego de modelos comportamentais de baixa complexidade para a representação dos blocos funcionais e da exploração da característica a banda passante dos sistemas RF. Isso se traduz, no domínio do tempo, pela descrição dos sinais em envoltória complexa e, no domínio da freqüência, usando a noção de densidade espectral de potência. Este projeto tem por objetivo o estudo e a implementação dos diferentes métodos de simulação de sistemas RF, bem como a co-simulação destes com simuladores circuitais aplicando os sinais de envoltória complexa. Os diferentes níveis de abstração podem se comunicar criando mecanismos top-down e bottom-up de desenvolvimento, uma vez que os modelos comportamentais evoluem com os resultados de simulação e novas especificações de sistema são necessárias quando os modelos se atualizam.

Em sistemas modernos de comunicação sem fio, diferentes blocos funcionais (ADC, DAC, filtros, amplificadores, misturadores) atuam sobre um sinal que carrega uma informação, contribuindo tanto para a execução de uma tarefa pré-determinada, quanto para a degradação da qualidade do sinal ao longo do sistema. Na transmissão, a informação modula uma portadora de RF, tanto em amplitude quanto em fase, com o objetivo de melhorar a eficiência espectral. Entretanto, devido à envoltória ser variável, deve existir um compromisso entre linearidade e eficiência energética. A menos que um esquema de linearização seja implementado na cadeia de transmissão, o amplificador de potência deve ser operado em baixos níveis de potência para cumprir rigorosas exigências de linearidade, causando uma redução da eficiência energética. Na recepção, o sinal recebe consecutivas etapas de ganho, deslocamento em freqüência, filtragem e demodulação. O compromisso nesse caso é obter a maior sensibilidade ao sinal útil e a maior robusteza a interferências com o menor consumo energético possível. Para o projeto assistido por computador de sistemas modernos de comunicações móveis, necessitam-se modelos comportamentais para representar os blocos funcionais que tenham baixa complexidade computacional e representem de maneira precisa a relação entre os sinais complexos de informação na sua entrada e na sua saída. Nesse contexto, o presente projeto tem por objetivo o desenvolvimento de modelos comportamentais de blocos funcionais para sistemas de comunicações móveis.

Departamento de Engenharia Elétrica
Centro Politécnico - Jardim das Américas
Curitiba - Paraná

Tel: +55 (41) 3361-3228
gics@ufpr.br