بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تقویت کننده کم نویز،کم مصرف و گین بالا در باند فرکانسی3 تا 10 گیگاهرتز
چکیده
در این مقاله یک تقویت کننده با نویز پائین (Low noise amplifier) با استفاده از تکنولوژی 0.18 μm CMOS در توپولوژی گیت مشترک و در باند فرکانس (Ultra wide band) GHz3-10 مورد بررسی قرارگرفته است. در این طرح توسط یک طبقه کاسکود و انتخاب بهینه مقادیر المانها،گین مدار را افزایش میدهیم. نتایج شبیه سازی در نرم افزار (Advance design system) ADS، مقدار گین ( ) 19 تا 23 دسیبل، ماکزیمم نویز فیگر (NF) برابر 3/7 دسیبل و مچینگ ورودی ( ) کمتر از -17 دسیبل که مطلوب میباشد را نشان میدهد. به منظور کاهش توان مصرفی تغذیه مدار 1 ولت انتخاب شده است که توان مصرفی مدار برابر 6.26 میلی وات میباشد.
واژههای کلیدی: تقویت کننده پهن باند با نویز پائین ،گین ، نویز فیگر،گیت مشترک، مچینگ ورودی، طبقه کاسکود
-1 مقدمه
در دهه اخیر سیستمهایالکترونیکی و مخابراتی مخصوصاً در فرکانسهای بالا و باند فرکانسی پهن پیشرفتهای چشمگیری داشته و به مدارهایی نیاز است تا بتوانند اطلاعات را با سرعت بالا و با کمترین نویز انتقال دهند. در سیستم گیرنده نیز این حساسیت بیشتر است زیرا سیگنال دریافتی که ممکن است حاوی اطلاعات مهم باشد نباید توسط آن تخریب شود و با کیفیت بالا به طبقات بعدی ارسال شود. از آنجایی که تقویت کننده کم نویز در یک گیرنده اولین دریافت کننده سیگنال ورودی است از حساسیت ویژهای برخوردار است. در تقویت کننده کم نویز پهن باند ( UWB LNA) مقدار نویز و همچنین ضریب تقویت از مهمترین پارامترها میباشند و نیاز است تا طراح تقویت کنندهای داشته باشد تا کمترین نویز و بیشترین گین را در باند فرکانسی مورد نظر تولید کند. همانند کلیه مدارات الکترونیکی پایداری یکی دیگر از پارامترهای مورد توجه طراحی می باشد که در قسمت انتهایی مورد بررسی قرار میدهیم. خیراً طراحان سیستمهای الکترونیکی سعی میکنند تا کم ترین مقدار تلفات را در مدار داشته باشند. در این تقویت کننده نیز طراحی را با هدف توان مصرفی پایین انجام دادیم. از آنجایی که تقویت کننده در سیستم گیرنده بکار میرود لازم است برای دریافت و ارسال سیگنال، تطبیق (مچینگ ) در ورودی و خروجی رعایت شود، اما نکته قابل توجه این است که پارامترهای تقویت کننده میبایست در کل باند فرکانسی ثابت باشند و یا کمترین تغییرات را داشته باشند.
کاربردهای زیادی را میتوان برای سیستمهای پهن باند نام برد که به طور خلاصه عبارتند:کاربردهای شبکههای بی سیم محلی (WLAN) سیستمهای تصویری، سیستمهای مخابراتی جهت استفاده در منازل و مکانهای عمومی، کاربردهای برخی سنسورها،رادارها، کاربردها در حالت مجتمع که نویز و توان مصرفی کم دارند مانند سیستمهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و غیره . . .
-2 توپولوژی LNA
توپولوژیهای مختلفی را میتوان برای طراحی تقویت کننده استفاده کرد. تقویت کننده توزیعی( (distribution دارای گین مناسب میباشد اما به دلیل زیاد بودن تعداد ترانزیستورهای به کار رفته، سطح چیپ آن زیاد بوده و همچنین توان مصرفی بالائی دارد [4]،. [5] توپولوژی سورس مشترک (common source)
دارای نویز کمتری میباشد و مچینگ مناسب را در ورودی دارد [6]و توپولوژی گیت مشترک (common gate) CGکه در کل باند فرکانس عملکرد خطی داشته و مچینگ ورودی و خروجی مناسب دارد [7]مدارهای متفاوتی تا کنون بر اساس توپولوژی گیت مشترک مورد بررسی قرارگرفتهاند [1]،[2]،[8]،[9]
شکل (1) شماتیک کامل مدار انتخاب شده برای UWB LNAرا نشان میدهد در این مدار نیز همانند مقالههای ذکر شده از توپولوژی گیت مشترک استفاده شده است،با این تفاوت که بیشتر مشخصههای یک LNA نظیر گین، نویز فیگر، توان مصرفی و مچینگ ورودی در طرح موجود بهبود یافتهاند تقویت کننده مورد بررسی از سه طبقه تشکیل شده است در اولین طبقه ساختار گیت مشترک به کار رفته است که میتواند مچینگ ورودی را در کل باند فرکانسی فراهم کند.از آنجایی که تقویت کننده کاسکودمزیت هائی همچون پهنای باند مناسب و گین بالا را دارد [9] در طبقه بعدی از این ساختار استفاده شده است تا بتواند گین بالا و ایزولاسیون معکوس مطلوب حاصل شود، و در انتها از یک طبقه بافر استفاده کردیم.
شکل((1مدار تقویت کننده با سه طبقه
-3 تطبیق ورودی
هدف از مچینگ ورودی این است که بتوانیم در کل باند فرکانسی مورد نظر تقویت کننده دارای امپدانس ورودی ثابت باشد. در شکل ( 2) مدارم عادل سیگنال کوچک قسمت ورودی LNA مورد نظر که بر اساس توپولوژی CGمیباشد، آورده شده است.
شکل((2مدارسیگنال کوچک طبقه ورودی
که در شکل((2داریم:
با محاسبات ساده امپدانس ورودی به صورت زیر بدست میآید.
که میباشد ، باجایگزین کردن z در رابطه (2) و ساده سازی امپدانس ورودی به صورت زیر درمی آید
با دقت در دو عبارت آخر رابطه (3)،دیده می شود که مخرج کسر از عبارت صورت کسر بزرگتر میباشد و ما میتوانیم از آن صرف نظر کنیم و در امپدانس بدست آمده قسمت موهومی را مساوی صفر قرار داده تا مقادیر مناسب برایC1وL1 و ترانزیستور انتخاب گردد.
همانند دیگر کارهای انجام شده [10] و [ 7 ] و [ 8 ] ما نیز در این طرح از المانهای پارازیتیکی صرف نظر کردیم و در برخی موارد از تقریب نیز استفاده میکنیم. در یک تطبیق امپدانس مطلوب مقدار در طبقه CGتقریباً مقدار میلی زیمنس (ms) است و بهتر است که مقدار آن طوری طراحی شود که مقادیر نادیده گرفته شده را جبران کند.در مدار مورد بررسی مقدار ترارسانایی ترانزیستور میباشد و این مقدار باتنظیم دقیق بین المانهای مختلف متصل به بدست آمده است.
-4 بهره تقویت کننده
در طراحی LNA هدف این است تا سیگنال و اطلاعات ورودی با ضریب تقویت مشخص به طبقه بعد انتقال یابد و این تقویتکنندگی به صورت یکنواخت در کل باند فرکانس صورت گیرد نه کمتر نه بیشتر. در این طرح مقدار افزایش گین مورد نظر توسط ترانزیستورهای و که یک شبکه کسکود را ایجاد میکنند تولید میشود که این کار بهره مناسب را درکل باند فرکانس به صورت تقریبا یکنواخت فراهم میکند.
با محاسبات ساده رابطه خروجی به ورودی در مورد نظر به صورت زیر به دست میآید:
که در رابطه (4)، مقاومتخروجی و ترارسانایی ترانزیستورهای میباشد و همچنین دررابطه (4) داریم:
همانطور که از روابط مشخص است مقدار گین را میتوانیم تا
حدودی توسط تنظیم می کنیم. با مقادیر تنظیم می شوند .ترانزیستور های نیز بر روی کل باند فرکانس موثر میباشند و مقادیر مناسب برای آنها به ترتیب می باشد. ترانزیستورM4 در تنظیم میباشد. مقادیر مقاومت نیز به ترتیب انتخاب میشوند تانویز و بهره در سیستم بهینه شوند.
پس از انجام شبیه سازی مقدار گین بدست آمده به صورت شکل ( ( 3 خواهد بود. در این گراف دیده میشود که گین نسبت به تغییرات فرکانس تقریباً ثابت میباشد؛ و مقدار آن بین 19 تا 23 دسیبل بدست آمده است.
-5 پارامترهای LNA و نتایج شبیه سازی
برای بررسی و مقایسه طرحهای مختلف LNAمیتوان از پارامتر هائی نظیرگین، نویزفیگر، توان مصرفی، فرکانس کاری و معیار FOM در فرکانسهای مختلف استفاده کرد. با توجه به محل قرار گرفتن LNA در ساختار گیرنده و تقویت سیگنال توسط آن بهتر است تا این قسمت کم ترین نویز را داشته باشد.طراحی و شبیه سازی مدار مورد بررسی که در نرم افزار ADS انجام گرفته و نتایج آن را در این قسمت مورد بررسی قرار میدهیم.
1-5 توان مصرفی
یکی دیگر از ویژگی هائی که برای همه سیستمها مورد مقایسه قرار میگیرد و در کاربردهای خاص مقادیر کم آن مطلوب است مقدار توان مصرفی دستگاه میباشد. سیستم تقویت کننده LNA نیز به عنوان یک ساختار الکترونیکی به سمتی هدایت میشود تا توان مصرفی کمتری را داشته باشد، در مدار پیشنهادی برای بدست آوردن توان مصرفی کمتر منبع تغذیه 1 ولتی به مدار اعمال شده
