بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي و مقايسه تکنيک هاي کاهش نويز در مدارات CMOS LNA
چکيده
با توجه به توسعه فن آوريهاي مخابراتي بيسيم و نياز روزافزون به سرعت بالاتر انتقال اطلاعات ، استاندارد سيستم هاي ارتباطي جديد عموما به صورت پهن باند يا چندباند ارائه شده اند. تقويت کننده هاي پهن باند با نويز پايين از بخش هاي اصلي مورد نياز اين استانداردها مي باشند. در اين مقاله ، روش هاي مختلف کاهش نويز قابل استفاده در طراحي و پياده سازي تقويت کننده هاي کم نويز (LNA) با تاکيد بر فن آوري CMOS مورد بررسي و مقايسه قرار مي گيرند. به اين منظور، چهار دسته اصلي LNA شامل گيت مشترک ، سورس مشترک با دژنراسيون سلفي، سورس مشترک با فيدبک مقاومتي و سورس مشترک موازي با گيت مشترک (Noise-Canceling LNA) مورد بررسي قرار گرفته و با استفاده از تکنيک - هاي کاهش نويز، عملکرد هر يک مورد بحث قرار مي گيرد. در پايان با بررسي مزايا و معايب هر يک ، ساختار مناسب براي کاربردهاي مخابراتي پيشنهاد ميشود.
کليد واژه - تقويت کننده کم نويز (LNA)، فاکتور نويز، Noise-Canceling .
١- مقدمه
هرچه سرعت انتقال اطلاعات بالاتر رود، محدوديت بيشتري در سطح نويز قابل تحمل مدار ايجاد ميشود. بـه همـين دليـل ، براي تحقق مدارهاي مخابرات بي سـيم بـا سـرعت بـالا، بايـستي مقدار نويز مدارهاي مخابراتي متنـاظر کـاهش يافتـه و از سـطح معيني تجاوز نکند. بخش آنالوگ سيستم هاي مخابراتي و به ويژه تقويت کننده آنالوگ مورد استفاده ، بيش از ديگر بخش ها با مساله نويز درگير مي باشد. لذا، تقويـت کننـده هـاي کـم نـويز (LNA) از مهم ترين بخش ها در سيستم هاي مخابراتي هستند که بيـشترين مقدار توجه و تحقيق را به ويژه در سال هاي اخير به خـود جلـب کرده انـد[۱]. در ايـن مقالـه ، روش هـاي مختلـف کـاهش نـويز و تکنيک هاي مورد استفاده در تحقق تقويت کننـده هـاي LNA بـا استفاده از فن آوري CMOS بررسي شده و عملکـرد آن هـا مـورد مقايسه قرار ميگيرند. در ادامه روش هاي مناسـب بـراي طراحـي تقويت کننده هاي LNA پهـن بانـد بـه منظـور پوشـش مخـابرات چندباندي و چند استانداردي ارائه ميشوند.
٢- تکنيک هاي کاهش نويز
ساختارهاي مداري که امروزه به عنوان هسته اصلي تقويت - کننده هاي LNA به کار مي روند را مي توان بـه سـه دسـته گيـت مشترک (CG)، سورس مشترک (CS) با دژنراسـ ون ١ سـلفي در سورس ترانزيستور ورودي و سورس مشترک با فيدبک مقـاومتي تقسيم کرد[۲] (شکل ۱). در اين بخش روش هـاي کـاهش نـويز مورد استفاده در هر يک از اين ساختارها را بررسـي مـينمـاييم . علاوه بر کاهش نويز توليدي در مسير سيگنال ، در سال هاي اخير از تکنيک هاي حذف نويز بـراي برطـرف کـردن مـشکل نـويز در خروجي مدار استفاده شده است . اين تکنيک ها اغلب به سـاختار گيت مشترک از مدارهاي CMOS اعمال شده اند. در ايـن بخـش تکنيک هاي حذف نويز Noise-Canceling نيز مرور ميشوند.
(الف ) (ب ) (ج )
شکل ۱: ساختارهاي متداول LNA ؛ (الف ) گيت مشترک (CG) ، (ب ) سورس مشترک (CS) بادژنراسيون سلفي ، (ج ) CS با فيدبک مقاومتي .
٢-١- LNA هاي گيت مشترک (CG)
مدار LNA با ساختار گيت مشترک (CG) در شکل ۱ (الف ) آمده است . در اين توپولوژي نسبت بـه سـاختارهاي ديگـر نـويز بيشتري در خروجـي ظـاهر مـيشـود. بـه همـين دليـل بيـشتر تکنيک هاي کاهش نويز متوجه اين ساختار بـوده اسـت . در ايـن توپولوژي تطبيق ورودي توسط gm ترانزيستور ورودي به صورت برقرارمـيشود.وفاکتورنویزFتحت شرایط تطبیق به صورت رابطه 1 به دست می آید.
که درآن γضریب نویز حرارتی کانال Aنسبت بهGMبه هدایت کانال در ولتاژ درین سورس صفر ضریب نویز گیت فرکانس کار و فرکانس قطع ترانزيستور است .
جمله سوم در رابطه (۱) مربوط به گيت ترانزيستور است و عموما قابل صرفنظر مي باشد. ميتوان نشان داد که به ازاي سهم اين نويز در F کل ، کمتر از %۵ است [۳]. نکته قابل توجه در اين ساختار نسبت به ساختارهاي ديگر، وابستگي کمتر نويز به فرکانس است که کارايي آن را در فرکانس هاي بالا بيشتر ميکند. اگر دو مشکل اساسي فاکتور نويز بالا و gm مؤثر پايين (که منحصرا براي شرايط تطبيق ورودي تعريف ميشود) حـل شـود، اين ساختار نسبت به ساختارهاي ديگر کارايي بيشتري پيدا مي- کند. روش هاي زير براي کاهش نويز در اين ساختار بکار ميروند.
Resistive Feedthrough -1-1-2
بيشتر کارهايي که روي ساختار CG صورت گرفتـه ، بـا ايـن فرض بوده است که مقاومت خروجـي ترانزيـستور نامحـدود مي باشد. اما در عمل ، مقاومـت ترانزيـستور ورودي محـدود بوده و در نتيجه با افزايش مقاومت ورودي، مـيتوانـد منجـر بـه کـاهش فـاکتور نــويز گـردد. از آنجـايي کــه مقاومـت خروجــي ترانزيستور به عواملي نظير طول کانال و جريـان بايـاس بـستگي دارد، طراحان درجه آزادي کمي روي انتخاب آن دارند. لذا بـراي بهبود فاکتور نويز، مـيتـوان ماننـد شـکل ۲ از مقاومـت مـوازي استفاده کرد. ايـن تکنيـک Resistive Feedthrough ناميـده مي شود. با فرض شرايط تطبيـق و اينکـه ، امپـدانس ورودي در سورس M1 و فاکتور نويز به صورت زيـر بدسـت مـي آيند[۱]:
که χ نسبت هستند. همانطور که رابطـه (۳) بيـان مـيکنـد، در مقايـسه بـا CG
معمولي، اين تکنيـک باعـث کـاهش فـاکتور نـويز مـيشـود. در حقيقت اين روش بين فـاکتور نـويز و مـصرف تـوان (بـراي gm
بالاتر) يک مصالحه ايجاد ميکند. در فرکانس هـاي بـالاتر، بـا در نظـر گـرفتن خـازن هـاي پـارازيتي و دخالـت دادن نـويز گيـت ترانزيستور ميتوان نشان داد[۱]:
همچنين در شرايط تطبيق ورودي ترارسانايي مؤثر بـصورت زير محاسبه ميشود که بيانگر مستقل بودن بهـره از Rf و gm
است [۱].
شکل ۲: LNA گيت مشترک با استفاده از تکنيک Resistive Feedthrough .
Capacitive Cross-Coupling -2 1-2
در توپولوژي CG معمولي ميتوان رابطـه (۱) را بـه صـورت زير بازنويسي کرد:
کــه gm ترارســانايي ماســفت و ترارســانايي مــؤثر در ترمينال منبع است . به بيان ديگر gm مربوط بـه نـويز حرارتـي کانـال و مربــوط بـه تطبيــق ورودي اسـت . در سـاختار معمولي و رابطه (۶) به صـورت (۱)
در مي آيد. حال اگر از boosting-g مانند شکل ۳(الف استفاده کنسم خواهد داشت.
اين آناليز در صورتي معتبر است که خـود تقويـت کننـده A نويز اضافي به مدار تزريق نکند. براي اين کار ميتـوان از عناصـر پـــسيو بـــراي ســـاخت تقويـــت کننـــده A اســـتفاده کـــرد.
تکنيک Capacitive Cross-Coupling که در شکل ۳ (ب ) آمـده است ، از همين ايـده اسـتفاده مـيکنـد. در ايـن حالـت خـواهيم داشت [۳]:
(الف ) (ب )
شکل ۳: (الف ) gm-boosting ، (ب ) Capacitive Cross-Coupling .
اگر Cc نـسبت بـه Cgs خيلـي بـزرگ باشـد، ١ ≈ A و در
نتيجه :
همانطور که مشاهده شد اين تکنيک فاکتور نـويز را کـاهش داده ، ترارسانايي مؤثر را افزايش ميدهـد و مـصرف تـوان را کـم شکل ۴ بسط داد[۲]. اين ايده علاوه بر حذف سلف هـاي ورودي، مي کند. ميتوان تکنيـک Capacitive Cross-Coupling را ماننـد نسبت به Capacitive Cross-Coupling معمولي به فـاکتور نـويز پايين تر، ترارسانايي مؤثر بالاتر و مصرف توان کمتـر منجـر مـي- شود[۲]:
٢-٢- LNA هاي سورس مشترک با دژنراسيون سلفي
ساختار اين LNA در شکل ۱ (ب ) آمده است . معمولا عـلاوه بر طبقه CS يک طبقـه CG بـه صـورت کاسـکود بـراي افـزايش Reverse Isolation به آن اضافه مي شود. در اين توپولوژي از Ls براي ايجاد امپدانس حقيقي در ورودي استفاده ميشود. امپدانس ورودي اين توپولوژي از رابطه زير بدست ميآيد:
در فرکانس کار مدار، قسمت موهومي امپدانس ورودي صـفر شده و براي تطبيق ورودي Rs=gm1Ls Cgs قرار داده مي شود. مزيـت عمـده ايـن روش ايـن اسـت کـه چـون قـسمت حقيقـي امپدانس ورودي مقاومت واقعـي نيـست ، نـويز اضـافي نـدارد. بـا صرفنظر از نويز طبقه کاسکود، فاکتور نويز اين ساختار به صورت
زير محاسبه ميشود[۴]:
کـه Rg جمـع مقاومـت داخلـي Lg و مقاومـت گيـت ، c
ضريب همبستگي بـين نـويز دريـن و نـويز گيـت و ضـريب کيفيت مدار RLC ورودي ميباشند.
شکل ۴: تکنيک به کار رفته در مرجع [۲].
در عمل وجود خازن هـاي پـارازيتي در نقطـه X (شـکل ۵) باعث کاهش بهره طبقه اول و افزايش نويز تزريقي توسـط طبقـه Fc( CG) ميگردد و فاکتور نـويز کـل بـه صـورت رابطـه (۱۹) خواهد بود که γ2 و gdo2 به ترتيب ضريب نويز حرارتي کانال و هدايت کانال در ولتاژ درين ـ سورس صفر مربوط به ترانزيـستور
CG هستند[۴]:
همان گونه که مشاهده ميشود، خازن هاي پـارازيتي در گره X نويز را افزايش مي دهند. روش هايي که براي کـاهش نـويز در اين ساختار به کار رفته اند، عمدتا بر روي کـاهش ايـن خـازن کار کرده اند که ما به دو روش اشاره ميکنيم .
٢-٢-١- ايجاد رزونانس در گره X
يک روش براي کاهش اثر خـازن هـاي پـارازيتي Cx اضـافه کردن با استفاده از يک خازن کوپلاژ Cadd مانند شکل ۵ در نقطه X است [۵]. با Cx در فرکانس کار مدار رزونانس کرده ، اثر اين خازن را خنثي ميکند و اگر rds1 و rds2 به اندازه کافي بزرگ باشند، جريان نويز M2 فقط جريان بسيار کوچکي در خروجي اضافه ميکند. بـدليل اينکـه در تکنولـوژي هـاي جديـد
