بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک تقویتکننده کم نویز فرا پهن باند جدید برای کاربردهای ولتاژ پایین در باند فرکانسی 3/5 GHz تا 13/5 گزارش میشود. در طبقه ورودی سورس مشترک، خنثیسازی جزئی نویز و تطبیق امپدانس ورودی با اعمال فیدبک ترانزیستوری موازی-موازی انجام میشود.
استفاده از طبقه دوم کسکود با تکنیک افزایش بهره - gain boosting - ، باعث جابهجایی قطب فرکانس بالا و درنتیجه دستیابی به بهره مسطح بزرگ میشود. نتایج شبیهسازی مداری نشان میدهد که تقویتکننده کم نویز پیشنهادی دارای تلفات برگشتی ورودی - S11 - کمتر از -10 dB و بهره توان 14 dB - S21 - و عدد نویز کمتر از 3/7 dB در بازه فرکانسی 3/5 GHz تا 13/5 است. همچنین مصرف توان تقویتکننده کم نویز پیشنهادی از منبع تغذیه 0/9 V در حدود 12 mW است.
-1 مقدمه
بر اساس مصوبه FCC سیستمهای فرا پهن باند - UWB - میتوانند از محدوده فرکانسی 3/1-10/6 GHz که محبوبترین پهنای باند ارتباطات بیسیم است، استفاده کنند. FCC همچنین سطح توان ارسالی در پهنای باند UWB را در سال 2002 محدود کرد که درنتیجه آن سیستمهای فرا پهن باند بهسرعت محبوب شدند. زیرا استانداردهای موجود در UWB، پیچیدگی کم، مصرف توان پایین و امنیت بالا را فراهم کردهاند. درنتیجه این سیستمها میتوانند در شبکه منطقه شخصی بیسیم - WPAN - و سیستمهای تصویربرداری پزشکی بهکاربرده شوند
یکی از چالشهای اساسی در گیرندههای فرا پهن باند، پیادهسازی تقویتکننده کم نویز است که عملکرد مناسبی از لحاظ نویز، تطبیق امپدانس ورودی و بهره داشته باشد .[2] تاکنون آرایشهای زیادی درزمینهی طراحی تقویتکننده کم نویز فرا پهن باند مانند فیدبک مقاومتی [3]، تقویتکنندههای توزیعشده [4] و آرایش کسکود با روش استفاده از جریان مجدد [5] موردبررسی قرارگرفتهاند.
فیدبک مقاومتی مزایای گوناگونی برای یک تقویتکننده پهن باند نظیر تطبیق امپدانس ورودی و پایداری دارد. اما باعث کاهش بهره خطی و افزایش عدد نویز میشود .[6] از شبکه فیدبک ترانزیستوری میتوان علاوه بر تطبیق امپدانس ورودی، در خنثیسازی جزئی نویز طبقه ورودی نیز استفاده کرد.
دو ساختار عمده برای طبقه ورودی تقویتکننده کم نویز - LNA - ، تقویتکننده کم نویز گیت مشترک و سورس مشترک هستند. در تقویتکننده کم نویز گیت مشترک - CG-LNA - مشخصات نویز به شرایط تطبیق امپدانس ورودی محدودشده و مصالحه میان تطبیق امپدانس ورودی و عدد نویز ایجاد میشود .[7] تقویتکننده کم نویز سورس مشترک - CS-LNA - به دلیل عملکرد نویز بهتر به همراه مصرف توان پایین محبوبتر است. اما کیفیت تطبیق امپدانس ورودی در CS-LNA مناسب نیست. تکنیکهایی نظیر تبه شدگی سلفی [8] و فیدبک مقاومتی برای بهبود تطبیق ورودی CS-LNA گزارش شده اند.
در این مقاله یک تقویتکننده کم نویز فرا پهن باند در دوطبقه با ولتاژ تغذیه پایین ارائه میشود. طبقه سورس مشترک ورودی با استفاده از یک فیدبک ترانزیستوری علاوه بر ایجاد تطبیق ورودی، نویز ترانزیستور ورودی را تا حدودی خنثی میکند. طبقه دوم کسکود نیز با جابهجایی قطب فرکانس بالا، دستیابی به بهره مسطح در پهنای باند وسیع را فراهم میکند.
این مقاله بهصورت زیر سازماندهی شده است. در بخش دوم، ابتدا ساختار LNA پیشنهادی، معرفی و سپس روابط تحلیلی امپدانس ورودی، بهره و عدد نویز محاسبه میشوند. در بخش سوم نتایج شبیهسازی بحث میشوند. درنهایت نتیجهگیری و مقایسه باکارهای دیگران انجام میشود.
-2 تحلیل مدار
شکل 1 مدار LNA پیشنهادی را نشان میدهد. این طراحی از دوطبقه تشکیلشده است. در طبقه اول برای تطبیق امپدانس ورودی و خنثیسازی جزئی نویز ترانزیستور M1، از ترانزیستور M2 در شبکه فیدبک منفی موازی- موازی استفادهشده است. به دلیل استفاده از فیدبک در طبقه ورودی، بهره LNA کاهشیافته و طبقه دوم کسکود برای افزایش بهره با طبقه ورودی متوالی - cascade - میشود. در این طبقه، از ترانزیستور M4 برای جابهجایی قطب غالب فرکانس بالا و درنتیجه دستیابی به بهره مسطح بزرگ استفاده میشود. خازنهای C1، C2، C3، C5 برای جداسازی DC طبقات استفاده میشوند. سلفهای L2، L3 و L5 نیز در تکنیک inductive-peaking برای بهبود پاسخ فرکانسی و دستیابی به پهنای باند پهن به کار گرفته میشوند.
شکل :1 مدار تقویت کننده کم نویز پیشنهادی
تطبیق امپدانس
برای تطبیق امپدانس ورودی، سلف L1 در گره ورودی قرار دادهشده تا با خازنهای پارازیتی ناشی از ترانزیستورهای M1 و M2 در محدوده پهنای باند، تشدید کند. شکل 2 مدار معادل سیگنال کوچک LNA پیشنهادی را برای محاسبه امپدانس ورودی نشان میدهد.
شکل :2 مدار معادل سیگنال کوچک تقویتکننده کم نویز پیشنهادی برای محاسبه امپدانس ورودی
RSi مقاومت سری ناشی از سلف Li است. با فرض <<5s3/L3 ، امپدانس وردی مطابق رابطه - 1 - به دست میآید.
رابطه - 1 - نشان میدهد که امپدانس ورودی دارای سه صفر و چهار قطب است. با مقداردهی مناسب میتوان مکان قطبها و صفرها را بهگونهای تنظیم کرد که تطبیق امپدانس ورودی 50 در محدوده فرکانسی وسیع فراهم گردد.
بهره و پهنای باند
به دلیل استفاده از فیدبک منفی در طبقه ورودی، از طبقه دوم کسکود برای افزایش بهره استفاده میشود. شکل 3 طبقه ورودی و مدار معادل سیگنال کوچک تقویتکننده کم نویز پیشنهادی را در تحلیل ac نشان میدهد.
