بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک اسیلاتور حلقه با رنج تغییرات وسیع تحلیل و طراحی شده است. از یک اینورتر با قابلیت تنظیم جریان بایاس برای کنترل فرکانس نوسان استفاده شده است. اسیلاتور شبیه سازی شده در تکنولوژی 0,18 میکرو متر نویز فاز -120,32 dBc/Hz در آفست 10 MHz بدست آمده است. فرکانس نوسان از 1,06 GHz تا 3,41 GHz حاصل میشود.
.1 مقدمه
با پیشرفت روزافزون مخابرات، نیاز به بلوکهای فرکانس بالا افزایش یافته است. از مهمترین بلوکهایی که طراحی مناسب آن مورد نظر میباشد، بلوک اسیلاتور کنترل شونده با ولتاژ میباشد. وظیفه بلوک اسیلاتور تولید یک سیگنال سینوسی میباشد که به عنوان حامل برای انتقال اطلاعات بکار میرود. از جمله مهمترین پارامترهای این بلوک میتوان به توان مصرفی، دامنه سیگنال خروجی، میزان رنج فرکانس، نویز فاز و... اشاره کرد. تمام پارامترهای ذکر شده بر روی کارایی فرستنده گیرنده اثر میگذارند. بیشتر از دو توپولوژی اسیلاتورهای LC و حلقه استفاده میشود. از آنجایی که اسیلاتور LC دارای نویز فاز بهتری نسبت به اسیلاتور حلقه است ولی در بسیاری از موارد برای داشتن مساحت چیپ کمتر از اسیلاتور های کنترل شونده با ولتاژ حلقه استفاده میشود.
اسیلاتور حلقه3 از تعدادی مراحل تأخیر تشکیل شده است که خروجی آخرین طبقه دوباره به ورودی مدار فیدبک داده میشود. برای رسیدن به نوسان، حلقه باید یک تغییر فاز 2 ایجاد کند، همچنین بهره ولتاژ واحد در فرکانس مورد نظر داشته باشد. در هر مرحله تأخیر، تغییر فاز / N ایجاد شود و N طبقه تاخیر باید در سیستم وجود داشته باشد. تغییر فاز باقی مانده توسط یک اینورتر DC انجام میگیرد. اسیلاتور حلقه دارای دو نوع کلی است که در مرجع [5] به آنها پرداخته شده است:
در شکل 1 - الف - D1 و D2 به عنوان سلولهای تأخیر میباشند که تغییر فاز و گین مورد نظر را فراهم میکند. همانطور که در شکل 1 - الف - نشان داده شده است، سلولهای تأخیر یک سیستم حلقه بوجود میآورند. عدد فرد طبقهها برای وارونگی DC لازم است.
اسیلاتورهای حلقه دیفرانسیلی بطور گسترده در کاربردهای مختلف استفاده میشوند. این اسیلاتورها یک خروجی دیفرانسیلی دارند تا نویز مد مشترک، نویز منبع ولتاژ و تداخل را حذف کنند. شکل 1 - ب - ، N مرحله نوسانگر حلقه بصورت دیفرانسلی - که خروجی مکمل دارد - را نشان میدهد.
برای هر طبقه معمولا یک اینورتر تفاضلی استفاده میشود. برای بررسی عملکرد مدار، فرض کنیم که در زمان T0 خروجی طبقه اول به منطق "1" تغییر حالت دهد. این روند برای تمام N مرحله انجام می گیرد و در نهایت یک منطق "1" در خروجی طبقه Nام ایجاد میشود، این منطق "1" به ورودی طبقه اول فیدبک داده میشود و یک منطبق "0" در خروجی طبقه اول بوجود میآید. مراحل فوق مجدداَ دوباره برای منطق "0" تکرار میشوند، در نتیجه یک خروجی متناوب با دوره تناوب T بوجود میآید. با در نظر گرفتن TP به عنوان تأخیر هر طبقه، تأخیر هر دوره برابر T=2N×TP است.
در این مقاله یک اسیلاتور کنترل شونده حلقهای با رنج تغییرات فرکانس از 1,06 GHz تا 3,41 GHz با نویز فاز -120,32 dBc/Hz در آفست 10 MHz در فرکانس مرکزی 3,41 GHz طراحی شده است.
شکل -1 - الف - VCO حلقه تک سر - ب - VCO حلقه دیفرانسیلی.
.2 مدار طراحی شده
در این مقاله یک VCO حلقه با قابلیت تنظیم فرکانس طراحی شده است. در شکل مدلهای مختلفی از اینورتر که توسط آن میتوان یک نوسانساز حلقه را طراحی کرد در مرجع[8-6] ذکر شده است. برای تغییر فرکانس اسیلاتورهای حلقه معمولا با تنظیم امپدانس بار و یا از طریق تنظیم جریان بایاس استفاده میشود. در این کار از تغییر جریان بایاس برای تغییر فرکانس نوسان استفاده شده است. نمای کلی از مدار طراحی شده در شکل 2 نشان داده میشود. با تغییر ولتاژ کنترل - Vctrl - شارژ و تخلیه شارژ جریان خروجی تغییر میکند. در نتیجه با تنظیم جریان بایاس فرکانس نوسان تغییر می-کند. فرکانس نوسان مدار مورد نظر بصورت زیر حساب میشود.
در رابطه N 1 تعداد فرد طبقههای معکوس کننده است. td تأخیر هر طبقه میباشد. در این مقاله برای افزایش فرکانس نوسان تعداد طبقهها را کم در نظر گرفتهایم تا با td کمتر به فرکانس مورد نظر دست پیدا کنیم.
شکل -2 شماتیک مدار نوسان ساز طراحی شده.
.3 نویز فاز
در VCOها دستیابی نویز فاز کم از اهمیت بالایی قرار دارد. مهمترین المانهایی که در نویز اسیلاتور حلقه اثر دارند نویز حرارتی و نویز فلیکر ترانزیستورها میباشد. نویز فاز حرارتی و فلیکر ترانزیستور به ترتیب در رابطه 2 و 3 بیان شده است.
که N تعداد طبقه ها اسیلاتور حلقه میباشد.1/ f نویز فلیکر المانها و f / I n چگالی جریان میباشد. همانطور که رابطه های 2 و 3 پیدا است تعداد طبقات اسیلاتور حلقه تاثیر مستقیم بر روی نویز فاز میگذارند. بنابراین با طراحی یک اسیلاتور با تعداد حلقههای کمتر باعث کاهش نویز فاز میشود. همچنین نویز فلیکر و حرارتی وابستگی زیادی به نویز ابعاد ترانزیستورها دارد یعنی هر چقدر ابعاد ترانزیستورها کمتر باشد، نویز حرارتی و فلیکر هم کاهش مییابد. به همین خاطر در این مقاله سعی شده است VCO را با کمترین سایز مورد نظر برای دستیابی به نویز فاز پایینتر با رنج تغییرات وسیع فرکانس طراحی شود.
.4 نتایج شبیه سازی
اسیلاتور حلقه در تکنولوژی 0,18 میکرو متر توسط نرم افزار ADS طراحی و شبیه سازی شده است. شکل 3 تغییرات فرکانس براحسب تغییرات ولتاژ کنترل را نشان میدهد.
