بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک تحلیل دقیق از اسیلاتور متعامد تزریق از سورس ارائه شده است. چالش اصلی در اسیلاتورهای متعامد، انحراف فاز خروجی از تعامد به دلیل وجود برخی عدم تطابق ها در دو سمت ساختار اسیلاتور می باشد. دراینجا یک معادله بسته برای محاسبه خطای فاز دراسیلاتور متعامد و روابط بین پارامترهای مؤثر در آن بیان شده است. نتایج حاصل از تحلیل نشان میدهد، خطای فاز رابطه معکوس با ضریب تزویج اسیلاتور دارد که با افزایش مقدار جریان بایاس می توان ضریب تزویج را افزایش و خطای فاز را کاهش داد. همچنین نشان داده شده است که افزایش ضریب کیفیت تانک LC مقدار خطای فاز را به دلیل افزایش ضریب تزویج کاهش میدهد. در انتها، برای ارزیابی نتایج تحلیل کمی، یک اسیلاتور متعامد در فرکانس 5/5 گیگا هرتز با تکنولوژی سی ماس مدل TSMC، 0/18 میکرو متر و ولتاژ تغذیه 1/8 ولت، شبیه سازی شده است. نتایج بدست آمده از شبیه سازی همه نتایج تحلیل کمی را با دقت خوب تصدیق می-کند.
کلید واژه- اسیلاتور متعامد، تکنولوژی سی ماس، عدم تطابق، خطای فاز
1 مقدمه
در زندگی مدرن امروز، استفاده از سیستمهای ارتباط بی-سیم بسیار شایع شده است و در سالهای اخیر، شاهد پیشرفت قابل توجهی در سیستمهای ارتباطات بی سیم هستیم. کارایی فرستنده گیرنده های رادیویی شدیداً مربوط به کارایی خوب اسیلاتور می باشد. تولید سیگنالهای متعامد یکی از مهمترین مسئله در مدارهای فرستنده وگیرنده می باشد. بنابراین اسیلاتورهای متعامد یکی از عناصر کلیدی در سیستم های مخابرات بی سیم محسوب می شوند.[5]-[1] طراحی یک اسیلاتور متعامد که سیگنال های نوسانی دقیق ایجاد کند در گیرنده بسیار ضروری است. در سیستمهای گیرنده کیفیت سیگنال اسیلاتور محلی ، کیفیت داده دریافتی را تحت تاثیر قرار می دهد بنابراین یکی ازمسا ئل اصلی طراحان بهدست آوردن یک سیگنال دقیق و پایدار بر روی تراشه می باشد.
نویز فاز، خطای فاز، توان مصرفی از جمله پارامترهای بسیار مهم در اسیلاتور متعامد به شمار می روند. به طوریکه طراحان زیادی برای بهبود کارایی اسیلاتور متعامد به آنها پرداختهاند. روشهای مختلفی برای تولید سیگنالهای متعامد ارائه شده است. اسیلاتورهای متعامد با استفاده از شبکه RC، اسیلاتورهای متعامد حلقوی و اسیلاتورهای متعامد LC، اما اسیلاتورهای LCبدلیل اثرات نویزی بهتر، از کارا ترین آنها می باشند. اولین و محبوبترین ساختاراسیلاتورهای LC، اسیلاتور متعامد موازی است که توسط رفوگران ارائه شده است .[6] عدم تطابقها در دو سمت ساختار مدار از جمله دو تانک LC عامل ایجاد خطای فاز در خروجی متعامد میباشند. در ساختار اسیلاتور متعامد موازی به دلیل کنترل پذیری خطای فاز خروجی با تغییر در جریانهای بایاس به صورت بسیار ساده از ساختارهای جالب می باشد .[10]-[7]
برای اصلاح نویز فاز، ساختار اسیلاتور متعامد با تزویج سری ارائه شد که نسبت به ساختار موازی نویز فاز مطلوبتری دارد.[11] ساختار اسیلاتور متعامد تزریق از سورس از ساختار های دیگر اسیلاتور LC می باشد. نتایج تحقیقات نشان می دهد که این ساختار دارای نویز فاز مطلوب تری نسبت به ساختارهای دیگر می باشد.[17]-[12] در اینجا نیز به تحلیل دقیق تر این ساختارخواهیم پرداخت. هر چند ارائه ساختار جدید بسیار مطلوب است اما ارائه یک تحلیل دقیق منجر به افزایش کارایی آن ساختار خواهد شد.
هدف از این کار ارائه یک تحلیل دقیق روی اسیلاتور متعامد تزریق از سورس میباشد. به دلیل برخی مزایا، بررسی ساختار اسیلاتور متعامد تزریق از سورس با ترانزیستورهای پی ماس به عنوان ترانزیستورهای تزویج انجام شده است.[15] بخش 2 از مقاله به بررسی اساس کار اسیلاتور های متعامد تزریق از سورس پرداخته است. در بخش 3 یک تحلیل جامع از اسیلاتور ارائه شده که محاسبه خطای فاز از نتایج این تحلیل است. برای تصدیق نتایج تحلیل مقایسه ای با نتایج شبیه سازی در صورت گرفته که در بخش 4 از این مقاله ارائه شده است. بخش 5 نیز به نتیجه گیری از این کار پرداخته است.
-2 اسیلاتور متعامد تزریق از سورس
اساس کار اسیلاتور متعامد تزریق از سورس بسیار ساده می باشد. عبور دو سیگنال تفاضلی با فرکانس دو برابر 2 از یک مقسم فرکانسی 2، قابلیت تولید سیگنال متعامد با فرکانس را دارد.[15]شکل 1 یک روش تولید سیگنال متعامد آنالوگ را نشان می دهد. دراین ساختار فرکانس دو برابر 2 از طریق جریان سورس به ترانزیستورهای تزویج ضربدری - Cross-Coupled - تزریق می شود. با فرض اعمال سیگنال با فرکانس 0 به گیت ترانزیستور های ضربدری، از آنجاییکه این ساختار به صورت یک ضرب کننده فرکانسی عمل می کند، جریان درین آن دارای دومؤلفه فرکانسی 0 3 و 0 می باشد. این جریان از تانک LC با فرکانس تشدید 0 عبور می کند. بنابر این مؤلفه فرکانسی 3 0در خروجی تانک بسیار تضعیف شده و حذف می گردد. در واقع بلوک ترانزیستورهای ضربدری مانند یک مقسم فرکانسی 2 عمل می کند که با اعمال سیگنال 2 0 به سورس آن، خروجی درین آن داری فرکانس 0 می باشد. بنابراین با وجود دو بلوک I وQ و اعمال سیگنال تفاضلی 2 0 ، خروجی دارای 4 سیگنال متعامد با اختلاف فاز 90 درجه خواهد بود.
در روش مطرح شده در بالا احتیاج به یک اسیلاتور اضافی با سیگنال تفاضلی 2 0 می باشد. اما روشهای دیگر نیز وجود دارد که سیگنال 2 0 در یک طبقه مجزا به نام طبقه تزویج با استفاده از سیگنال خروجی مدار، تولید و به هسته اصلی اسیلاتور تزریق میگردد. شکل 2 نمونه ای از این اسیلاتور را نشان میدهد. ترانزیستورهای MCP1 و MCP2 تزانزستورهای تزویج می باشند که وظیفه تولید سیگنال با فرکانس دو برابر فرکانس کار اسیلاتور را بر عهده دارند. با اعمال این سیگنال به سورس ترانزیستورهای سوییچ MSW1 و MSW2 مشابه آنچه در بالا توضیح داده شد، این مدار توانایی تولید سیگنالهای متعامد را دارد. عدم تطابق در دو سمت اسیلاتور بین المانهای مختلف باعث انحراف فاز خروجی از 90 درجه می شود. منابع اصلی عدم تطابق ها مربوط به دو تانک LC سمتI و سمتQ می باشد. در ادامه به بررسی نحوه تولید جریان تزریق با فرکانس دو برابر در طبقه تزویج و در ادامه آن به محاسبه خطای فاز ناشی از عدم تطابق در دوسمت تانک LC می پردازیم.
-1-2 تولید جریان تزریق شکل -3 الف ساختار شبکه تزویج را نشان می دهد. با توجه
به شکل 3 -الف، زمانیکه مقدار ولتاژ گیت به حدی برسد که ترانزیستور پی ماس روشن شود، جریان درین از مقدار صفر تغییر کرده و متناسب با ولتاژ ورودی گیت در درین ترانزیستور تزویج برقرار می گردد. به منظور روشن شدن ترانزیستور پی ماس ولتاژگیت می بایست یک ولتاژ ترشهلد کمتر از ولتاژ VDD باشد. از آنجا که ولتاژ ورودی گیت، همان ولتاژ خروجی اسیلاتور است و میدانیم که این ولتاژ روی مقدار DC ، 1/8 ولت نوسان می کند، در نتیجه دامنه ولتاژ خروجی می بایست به مقداری کمتر از VDD-Vth برسد تا برای لحظاتی ترانزیستور روشن شود. با توجه به شکل -3ب، بدلیل ورودی تفاضلی در گیت ترانزیستورهای پی ماس در نیم سیکل منفی هر بار یکی از ترانزیستورها جریان تزریق را عبور می دهد بطوریکه در مجموع جریان تزریق شده به شبکه سوییچ را می توان با فرکانس 2 برابر فرکانس خروجی و مقدار DC برابر مقدار دامنه خود تخمین زد. مقدار پیک تا پیک جریان تزریق را می توان از رابطه زیر محاسبه
