بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهاي مخابرات نوري به خاطر وجود مزایایی ازجمله سرعت انتقال بالا و پهناي باند زیاد، براي ارسال دادههایی با حجم زیاد مورداستفاده میباشند. یک سیستم مخابرات نوري از فرستنده، فیبر نوري و گیرنده تشکیل شده است. در این مقاله ساختار یک تقویتکننده امپدانسی انتقالی گیرنده نوري براي یک سیستم مخابرات نوري با استفاده از ترانزیستور CMOS، با طول کانال 40 نانومتر طراحی و نتایج آن موردبحث و بررسی قرارگرفته است. براي طراحی مدار پیشنهادي ابتدا دو ساختار RGC و ICDF تقویت کننده امپدانسی در نظر گرفته شده است.
در ساختار RGC براي اینکه پهناي باند را کنترل نماییم از تکنیک فیدبک منفی استفاده نمودیم. تکنیک فیدبک منفی میتواند علاوه بر کنترل پهناي باند مقاومت ورودي تقویت کننده را کاهش دهد. در ساختار ICDF در نظر گرفته شده ترانزیستور PMOS پوش پول مورد استفاده در مدار در ناحیه اهمی بایاس شده است بنابراین در مدار پیشنهادي از نوع ICDF براي اینکه ترانزیستور مورد نظر در ناحیه اشباع بایاس شود به ترمینال گیت آن ولتاژ DC اعمال شده که با این کار ترانزیستور مورد نظر به اشباع رفته و به کمک تکنیک کسکود بهره مدار افزایش یافته است.
نتایج بررسیها نشان می دهد که بهره تقویتکننده امپدانسی پیشنهادي به میزان 35.3dBΩ، پهناي باند 11.5GHz و توان مصرفی4.19mw میباشد. شبیهسازيهاي مداري با استفاده از نرمافزار HSPICEصورت گرفته است.
.1 مقدمه
در طول سالهاي گذشته شکلهاي مختلفی از سیستمهاي مخابراتی عرضه شده است علت اصلی این حرکت و پیشرفت ،ارسال و انتقال اطلاعات و پیامها به فاصله هاي دورتر و افزایش سرعت انتقال و حجم بیشتري از اطلاعات در واحد زمان - ظرفیت سیستم - بوده است.
سیستمهاي مخابراتی که تا قرن نوزدهم وجود داشت ، در یک سطح ابتدائی و با ظرفیت بسیار پایین بود. آشنائی بشر با نور به زمانهاي بسیار دیرین باز می گردد و حتی می توان گفت که بشر از همان آغاز پیدایش به کمک چشم خود که آشکار ساز نوري بسیار حساسی است بوجود نور پی برده است. آتش را می توان یکی از اولین سیستمهاي ارتباط نوري دانست که براي علامت دادن در بین یونانیها و ایرانیان باستان در جنگ متداول بود و معنی و مفهوم آن بستگی به قراردادي داشت که بین ارسال کننده و دریافت کننده گذاشته شده بود.
فیبر نوري از تمام محیط هاي انتقال شناخته شده داراي پهناي باند وسیعتر و افت کمتري می باشد این دو مزیت دو عامل عمده در ارزیابی سیستمهاي مخابراتی بشمار می رود فیبر نوري که تا چند سال پیش - سال - 1980صرفاً جنبه آزمایشگاهی داشت امروز نه تنه ا به مرحله تولید و ساخت رسیده بلکه تا پایان سال 1985 در حدود 5,1 میلیون کیلومتر کابل نوري در سراسر گیتی نصب شده است. کابل هاي نوري مانند کابلهاي مسی می توانند بصورت هوائی ، کانالی ، خاکی و یا در زیر دریاها نصب شوند ولی بعلت محدودیت هایی که در موقع نصب و یا ساخت کابل بوجود می آید طول کابل نیز محدود خواهد بود.
معمولاً طول کابل نوري بر حسب کاربرد آن بین چند صد متر تا چند کیلومتر متفاوت می باشد ، طول هاي کوتاهتر براي موقعی که کابل در کانال کشیده می شود و کابل هاي با طول بلندتر بصورت هوائی و خاکی قابل نصب است براي خطوط انتقال بلندتر از طول کابل نوري ، قطعات کابل و فیبر نوري به یکدیگر پیوند زده می شود. براي اولین بار در آمریکا در سال 1983 یعنی بین دو شهر واشنگتن و نیویورك بطول 400km فیبر نوري بعنوان محیط انتقال بکار گرفته شد و در تابستان سال 1984 مورد بهره برداري قرار گرفت.
در ایران نیز اولین بار در سال 1988 بین تهران و کرج فیبر تک مدي بطول 45km با همکاري شرکت زیمنس آلمانی و با افت 0.36db/km در طول موج 1310nm به صورت کانالی کشیده شد. فیبر نوري در زمینه زیردریایی نیز جاذبه زیادي از خود نشان داده است بطوریکه در سال 1988 دو قاره اروپا و آمریکا از طریق کابل نوري زیر دریائی بهم مربوط گردیده اند با این اقدام بار ترافیکی ماهواره ها نیز کاهش خواهد یافت مشاهدات روزانه نشان می
دهد که ارتباطات همواره در حال توسعه بوده و بخصوص در سال هاي اخیر تکامل بیشتري یافته و صحنه رقابتی براي کسانیکه دست اندر کار تهیه تسهیلات جدیدي از قبیل سیستم سوئیچینگ و تکنیک هاي مدرن انتقال و محیط انتقال در زمینه مخابراتی می باشند گشته است. در حقیقت نوع سرویس هاي جدیدي که ابداع گردیده استفاده صحیح از پهناي باند مفید و نیز ساختمان شبکه ها که بتدریج پیچیده تر و به فرم دیجیتال تغییر یافته و در دراز مدت بصورت 1 ISDNدر خواهد آمد، موجب گشته که محیط هاي انتقال مورد مطالعه و بررسی بیشتر قرار گیرد که یکی از نتایج این مطالعه در زمینه هاي محیط هاي انتقال فیبر نوري می باشد.
شاید با جرأت بتوان گفت که بشر قرن بیست و یکم را که قرن کامپیوتر و مخابرات دانسته اند، سیستمهاي مخابرات نوري را بعنوان زیر بناي اصلی شبکه هاي مخابراتی جهانی خود تدارك دیده است. گسترش ارتباطات و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم هاي انتقال و مخابرات فیبر نوري یکی از پر اهمیت ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت، دقت و تسهیل از مهمترین ویژگی هاي مخابرات فیبر نوري می باشد. یکی از پر اهمیت ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوري آسانی انتقال در فرستادن سیگنال هاي حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندي در حوزه زمانی - - TDM را دارا می باشد .
این به این معنی است که مخابرات دیجیتال تامین کننده پتانسیل کافی براي استفاده از امکانات مخابره اطلاعات در پکیجهاي کوچک انتقال در حوزه زمانی است. براي مثال عملکرد مخابرات فیبر نوري با توانایی 20 مگا هرتز با داشتن پهناي باند 20 کیلو هرتز داراي گنجایش اطلاعاتی %0,1 می باشد. امروزه انتقال سیگنالها به وسیله امواج نوري به همراه تکنیکهاي وابسته به انتقال، شهرت و آوازه سیستم هاي انتقال ماهواره اي را به شدت مورد تهدید قرار داده است.
دیر زمانی است که این مطلب که نور می تواند براي انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد به اثبات رسیده است و بشر امروزه توانسته است که از سرعت فوق العاده آن به بهترین وجه استفاده کند. در سال 1880 میلادي الکساندر گراهام بل 4 سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوري براي دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن گردید.
در 15 سال اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور بسیار قدرتمند و خطوط انتقال فیبر هاي نوري فاکتور هاي جدیدي از تکنولوژي و تجارت بهتر را براي انسان به ارمغان آورده است. مخابرات فیبر نوري ابتدا به عنوان یک مخابرات از راه دور قرار دادي تلقی می شد که در آن امواج نوري به عنوان حامل یک یا چند واسطه انتقال استفاده می شد
. با وجود آنکه امواج نوري حامل سیگنالهاي آنالوگ بودند اما سیگنالهاي نوري همچنان به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال بدون تغییر باقی مانده است. از آنجایی که مخابرات فیبر نوري داراي کارایی بالاتري نسبت به سیمهاي مسی سنتی هستند، بشر امروزي تمایل چندانی براي پیروي از سنت دیرینه خود ندارد و توانایی پردازش حجم وسیعی از اطلاعات در مخابره فیبر نوري او را مجذوب و شیفته خود ساخته است.
page2.2 ﺗﻘﻮﯾﺖﮐﻨﻨﺪه امپدانسی انتقالی مرجع
TIA مقاله مرجع[2] از یک وارون ساز با پسخورد درین مشترك بهره میبرد تا به پهناي باند بالایی مشابه RGC-TIA - شکل - 1 رایج اما با حساسیت بهتر و مصرف انرژي کمتر برسد. مدار ICDF-TIA2 پیشنهادي[2] در اینجا در شکل 1 نمایش داده شده است که ترانزیستورهاي PMOS، جایگزین مقاومتهاي R1 و R2 شدهاند و طبقهي وارون ساز جایگزین طبقه ي CS میشود. تفاوت عمده میان RGC و ICDF-TIA ، گره خروجی و این نکته است که کدام طبقه مهمترین تقویتکننده یا پسخورد را دارا است. طبقهي - Mn1,R1 - CG در RGC TIA تقویتکننده ي اصلی است درحالیکه تقویتکنندهي - Mn2, R2 - CS طبقهي پسخورد نقطهاي است. یکی از معایبی که در مدار ICDF وجود دارد این است که ترانزیستور MP2 قرار گرفته در بار در ناحیه خطی کار می کند.
شکل 1 مدار تقویتکننده امپدانسی انتقالی با RGC رایج
شکل 2 تقویتکننده امپدانسی انتقالی
.3 طراحی تقویت کننده امپدانسی پیشنهادي
معمولا دو نوع توپولوژي TIA وجود دارد، TIA حلقه باز و فیدبک دار. TIA طراحی شده باید داراي امپدانس ورودي پایین، پهناي باند زیاد نویز پایین و بهره بالا باشد. معمولا در TIA هاي حلقه باز از آرایش گیت مشترك به خاطر امپدانس ورودي پایین استفاده می شود. یک نوع TIA آرایش گیت مشترك در شکل3 نشان داده شده است، که ترانزیستور M1 ترانزیستور گیت مشترك میباشد. بهره آن برابر با RD و مقاومت ورودي آن از رابطه 1 بدست می آید.
شکل 3 تقویت کننده گیت مشترك
مقاومت درین-سورس rds و gm ترارسانایی قطعه و gmb ترارسانایی گیت-بالک میباشد. براي قطعات با طول کانال بلند رابطه خلاصه تر شده و مقاومت ورودي فقط وابسته به مشخصات قطعه است.
یک نتیجه مهم مستقل بودن پهناي باند از بهره امپدانس انتقالی است. در واقع اگر RD خیلی افزایش یابد یک قطب با خازن پارازیتی خروجی ترانزیستور گیت مشترك تشکیل میشود که تعیین کننده پهناي باند است. امپدانس ورودي مؤثر برابر با عکس ترارسانایی ترانزیستور M1 - 1/gm - و امپدانس انتقالی برابر با RD میباشد. موقعیت ورودي آرایش گیت مشترك اثر خازن پارازیتی بزرگ ورودي را بر پهناي باند کم میکند. اما ساختار ضعیف ترانزیستورهاي CMOS مانند gm کوچک نمی تواند کاملا اثر خازن پارازیتی را خنثی کند.
همچنین کوچکی gm عملکرد نویز و پایداري تقویتکننده را خراب تر میکند. مکانیزم RGC اثر ترارسانایی را افزایش میدهد وپهناي باند بالارا ممکن می سازد. شکل 4 مدار RGC را نشان می دهد. نور تبدیل شده به جریان به صورت ولتاژ تقویت شده در درین M1 در می آید. طبقه M2 وR2 بصورت فیدبک عمل کرده و امپدانس ورودي را کاهش می دهند
