بخشی از مقاله
چکیده:
تقویت کننده توان فرکانس رادیویی به عنوان یکی از مهم ترین بلوک های سازنده فرستنده-گیرنده فرکانس رادیویی شناخته میشود و در این سیستم به عنوان بزرگترین مصرف کننده توان به حساب می آید.بنابراین تحقیقات نسبتاً جامعی به منظور دست یابی به یک تقویت کننده توان با راندمان بالا صورت پذیرفته تا طول عمر باتری را بهبود بخشد. بدین منظور تقویت کننده توان کلاس E انتخابی مناسب است. این تحقیق به طراحی یک تقویت کننده توان کلاس E با کنترل توان خروجی مناسب میپردازد.
ساختار کاسکود برای غلبه بر مشکل ولتاژ شکست پایین ترانزیستور های زیرمیکرونی CMOS استفاده شد و با به کارگیری تقویت کننده کلاس E به عنوان طبقه راه انداز قابلیت مجتمع سازی مدار افزایش یافت. در نهایت یک تقویت کننده توان کلاس E تک انتهایی و دو طبقه با ساختاری مناسب برای کنترل توان خروجی با ADS در تکنولوژی TSMC 0.18um CMOS بهینه و شبیه سازی شد. شبیه سازی نشان داد که این تقویت کننده توان قادر است 8 dBm20توان را به بار استاندارد 50 اهم در ولتاژ تغذیه 1.8 ولت با راندمان توان اضافه شده 4؟% 53 تحویل دهد.
مقدمه:
رشد روز افزون فناوری بی سیم همراه و در خواست ها برای سیستم هایی با عمر باطری بیشتر، نیاز به توجه بیشتر به سوی طراحی هایی با مصرف توان کمتر را ایجاب می کند. در این بین تقویت کننده های توان به دلیل مصرف توان زیاد، نیاز به طراحی دقیقی دارند .تلاش های زیادی برای افزایش بازدهی تقویت کننده های توان چه در سطح مداری و چه در سطح سیستمی صورت گرفته است.[1-10]در سطح مداری، یکی از پرکاربردترین روشها استفاده از تقویت کننده های توان سوئیچ شونده، به ویژه تقویت کننده های کلاس E می باشد .
[7] در تقویت کنندهی کلاس E به دلیل بهره گیری از شرایط سوئیچ شوندگی نرم و عدم انطباق ولتاژ و جریان المان فعال، بازده %100 در تئوری قابل حصول است .[5], [6] البته، عوامل غیر ایده آل مربوط به المان فعال همچون مقاومت حالت روشن غیر صفر، زمان گذار روشن به خاموش غیر صفر و اندوکتانس پارازیتی، و همچنین ضریب کیفیت محدود المان های غیر فعال باعث تنزل بازدهی آنها می شوند. در نظر نگرفتن عوامل پارازیتیکی در طراحی تقویت کننده ی کلاس E می تواند به عملکرد بد تقویت کننده یا خرابی آن منجر شود.
بنابراین نیاز به بررسی دقیق تأثیر چنین المانهای داریم. توان خروجی و فرکانس کاری تقویت کننده های توان، همچنین، دو مشخصه ی اصلی از تقویت کننده های توان را شامل می شوند. برای حصول توان های بالا از تقویت کننده ی کلاس E ، نیاز به استفاده از مقاومتهای بار کوچک و یا ولتاژ تغذیه ی بالا می شود، که اولی باعث افزایش تلفات المان فعال و شبکه ی تطبیق خروجی و دومی باعث افزایش ولتاژ استرس بر روی المان فعال می شود. خازن خروجی ترانزیستورها عامل محدودیت فرکانس کاری تقویت کننده کلاس E در فرکانس های بالا می باشد که مقدار خازن بهینه موازی با این خازن قابل مقایسه می شود .
[1-10]در این پروژه یک تقویت کننده قدرت کلاس E ارائه شده است که دارای ولتاژ تغذیه 1.8V است و در تکنولوژی 0.18 ʽm CMOS طراحی شده است. در ادامه به بیان ساختار مدار ارائه شده میپردازیم و درنهایت نتایج بدست آمده حاصل از شبیه سازی مورد بررسی قرار می گیرد.
ساختار تقویت کننده پیشنهادی
ساختار تقویت کننده پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که از شکل پیداست ساختار از دو طبقه تقویت کننده قدرت کلاس E تشکیل شده است. شبکه تطبیقورودی و خروجی تقویت کننده برایفرکانسهای2.4 و 5.15 گیگاهرتز توسعه یافته است. برای تغییر مد فرکانسی از 5.15 گیگاهرتز به 2.4 گیگاهرتز، فقط کافیست خازن cf2در مدار قرار گیرد. در این مدار ولتاژ درین ترانزیستور طبقه خروجی - ترانزیستور - m3 میتواند به مقداری بیش از 3 برابر ولتاژ تغذیه برسد.
ساختار کسکود شده ترانزیستورها باعث جداسازی خروجی از ورودی شده، در نتیجه وابستگی مدار تطبیق ورودی و خروجی بر روی یکدیگر را کاهش میدهد. برای محاسبه اندازه ترانزیستور، طول گیت با توجه به تکنولوژی ساخت حداقل مقدار انتخاب میشود. بنابراین عرض ترانزیستور تنها پارامتر ی است که باید در انتخاب آن دقت شود . اندازه ترانزیستور با توجه به حداکثر جریان مجاز برآورد میشود و در انتخاب آن باید یک تعادل بین مقاومت و خازن پارازیتی باشد.بخاطر اینکه مقاومت رابطه معکوس با عرض ترانزیستور دارد و حداکثر بهره وری را محدود میکند ، و خازن های پارازیتی رابطه مستقیم با عرض ترانزیستور دارد و پهنای باندرا محدود میکند.
شبیه سازی و نتایج
ساختار شکل 2 در تکنولوژی 0.18 ʽm CMOS توسط نرم افزار ADS طراحی و شبیه سازی شده است که نتایج آن در ادامه آورده شده است. شکل.2 شماتیک مدار شبیه سازی شده در نرم افزار ADS در شکلهای3 و 4 بترتیت نمودار جریان و ولتاژ ترانززیستور m3در دو باند فرکانسی2.4 و 5.15 گیگاهرتز نشان داده شده است با توجه به شکلها مقدار ولتاژ ترانززیستور m3 ، تقریبا3 برابر ولتاژ تغذیه میباشد.
شکل .3 نمودار جریان و ولتاژ m3 در فرکانس 2.4گیگاهرتز
شکل .4 نمودار جریان و ولتاژ m3 در فرکانس 5.15 گیگاهرتز
در شکلهای5 و 6نمودار توان خروجی مدار برحسب فرکانسهای مختلفبترتیت در دو باند فرکانسی 2.4 و 5.15 گیگاهرتز نشان داده شده است با توجه به شکلهامقدار توان خروجی مدار در دو فرکانس 2.4 و 5.15 گیگاهرتزبترتیت برابر 20.3 و 20.8 میباشد.
