بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک طراحی جدید روی ساختار تقویت کننده کم نویز صورت گرفته است. این مدار گسترهی فرکانسی 3 تا 12 گیگاهرتز را پوشش می دهد. افزایش خطینگی و کاهش نویز فیگر از چالشهای اصلی تقویت کننده کم نویز می باشد. در این تحقیق با استفاده از کاهش عوامل غیر خطی مانند و در مدار و استفاده از قضیه جمع آثار، خطینگی مدار به شدت اصلاح شده است این در حالیست که نتایج شبیه سازی نشان می دهد که طرح پیشنهادی دارای نویز فیگر مناسب نیز می باشد.
همچنین برای کاهش مصرف توان، تقویت کننده از ساختار استفاده مجدد از جریان بهره می برد. برای ارزیابی ساختار پیشنهادی، شبیه سازیها در تکنولوژی CMOS ، TSMC 0.18 um با ولتاژ تغذیه 1,8 ولت انجام شده است. نتایج شبیه سازی مقدار گین 10,5 تا 13,5دسی بل، نویز فیگر - - NF برابر1,6تا 3,4 دسی بل ، نقطه تقاطع مرتبه سوم به مقدار 5 دی بی، تطبیق ورودی وخروجی کمتراز منفی 5 دسی بل را نشان می دهد. از آنجاییکه روشهای خطیسازی پیشنهاد شده توان چندانی به تقویتکننده اضافه نمیکنند، ساختار پیشنهادی دارای توان مصرفی برابر 12,5 میلی وات می باشد.
.1 مقدمه
در گیرنده ، تقویت کننده کم نویز یک بلوک بحرانی است که سییگنال های ضعیف را از کل باند می گیرد و آنها را با نسبت سیگنال به نویز خوب تقویت میکند. بعلاوه بهره توان بالا و یکنواخت ، تطبیق امپدانس ورودی و عدد نویز مناسب در کل باند فرکانسی مورد نیاز است؟ با توجه به کاربرد تقویت کننده کم نویز در کاربردهای بی سیم و با در نظر گرفتن محدودیت انتقال امواج با توانهای بالا نیاز به طراحی یک تفویتکننده کمنویز1 در این باند فرکانسی با مشخصات بهینه و پهنای باند مناسب دیده میشود.
تقویت کننده ی کم نویز به عنوان اولین طبقه در مسیر گیرنده بیشترین سهم را در نویز گیرنده دارد و طراحی آن با توان کم و گین بالا می تواند راهگشای یک سیستم بسیار ارزان باشد که تمام اجزای آن به همراه قسمتهای دیجیتال روی یک تراشه CMOS بگیرد. در طراحی یک تقویت کننده ی کم نویز عوامل مختلفی دخیل هستند که برقراری مصالحه بین آن ها کار طراحی را مشکل می کند. از جمله الزاماتی که بر یک تقویت کننده ی کم نویز حاکم است عبارتند از داشتن گین بالا و یکنواخت، عملکرد نویزی مناسب، خطینگی بالا، تطبیق ورودی خروجی، برآورده شدن شرط پایداری، و مصرف توان پایین.
دراین مقاله برای طراحی مدار تقویت کننده کم نویز از تکنولوژی CMOS استفاده خواهد شد، زیرا ، این تکنولوژی نسبت به سایر تکنولوژیهای مورد استفاده ارزان تر بوده و از قابلیت تجمیع بالاتری برخوردار است. به علاوه با کوچکتر شدن تکنولوژی، عملکرد نویزی و پهنای باند CMOS های نانومتری بهبود یافته است.[1] در این مقاله یک LNA با خطینگی بالا مد نظر است. پس از طراحی و شبیه سازی یک تقویت کننده کم نویز با پارامترهای مناسب سعی براین است که با استفاده از تکنیک های بهبود خطینگی آورده شده است، خطینگی تقویت کننده طراحی شده بهبود داده شود.
.2×روش خطی سازی پیشنهادی
در گذشته تکنیک افزایش خطینگی با روش جمع آثار مشتقات1 این روش مشتق مرتبهی سوم مشخصهی انتقالی - - فت اصلی که با موازی کردن یک فت کمکی صفر میشود.. اشکال این روش این است که در فرکانسهای بالا که اثر راکتانسهای مدار قابل صرف نظر نیست، از کارایی لازم برخوردار نمیباشد. در فرکانسهای بالا سلف تبهگنی سورس از طریق خازن Cgs برای جریان درین یک مسیر فیدبک به ولتاژ Vgsترانزیستور اصلی ایجاد میکند.
بنابراین هارمونیکهای دوم که در اثر ناخطینگی مرتبهی دوم تولید شدهاند بر روی گیت و سورس برگشت داده میشوند و با اجزای پایه ترکیب میگردند. این اجزای طیفی سپس در معرض ناخطینگیهای مرتبهی دوم قرار میگیرند و منجر به بنابراین ناخطینگیهای مرتبهی دوم منجر به ناخطینگی در IM3 میگردند اشکال دیگر روش جمع آثار مشتقات این است که ترانزیستوری که در ناحیه وارونگی ضعیف قرار دارد ورودی را بار کرده و ظرفیت خازنی بیشتری را اضافه میکند. بنابراین تطبیق امپدانس ورودی را تغییر داده و فرکانس کاری را کاهش میدهد.
شکل - 1 - روش بهینه شده این تکنیک را با دو ترانزیستور نشان می دهد .
شکل , - 1 - ساختار خطی سازی پیشنهادی
در روش خطی سازی پیشنهادی , با استفاده از دو ترانزیستور NMOS که در ناحیه وارونگی ضعیف 2 و ترانزیستور اصلی در ناحیه وارونگی قوی3کار میکند سعی شده تا با کاهش مقدار معادل خطینگی مدار بهبود داده شود. که به IIP3 خوبی میتوان رسید.که برخلاف روش قبلی مشکل در تطبیق ورودی و همچنین افزایش عدد نویز نداریم که. برای حل این مشکلات سیگنال ورودی مستقیماً به ترانزیستور کمکی M1 داده نشده است و گیت ترانزیستور کمکی به سورس ترانزیستور اصلی M1 متصل شده است.
همچنین به منظور کاهش حساسیت خطینگی نسبت به تغییرات ولتاژ بایاس سعی شده تا به جای رسیدن به صفر در یک بازهی کوچک، به یک بسیار کوچک اما در بازهی بزرگتری رسید. بهبود بیشتر خطینگی این تقویتکننده با افزایش جریان بایاس ممکن خواهد بود. توجه شود که اگر ترانزیستور NMOS کمکی دقیقاً با ترانزیستور M1 موازی شود. در فرکانسهای بالا سلف تبهگنی سورس یک مسیر فیدبک بین جریان درین و ولتاژ Vgs توسط خازن پارازیتک گیت سورس ایجاد میکند. در نتیجه هارمونیکهای دوم که در اثر ناخطینگیهای مرتبه دو تولید شدهاند بر روی گیت و سورس بازگشت داده میشوند و با اجزای پایه ترکیب میشوند و منجر به افزایش IIP2 و در نهایت IIP3 میشوند.
.3 ساختار نهائی تقویت کننده کم نویز
شکل , - 2 - ساختار نهایی مدار
توپولوژی های مختلفی را می توان برای تقویت کننده کم نویز استفاده کرد. ، اما توپولوژی سورس مشترک دارای نویز کمتری می باشد و تطبیق مناسب را در ورودی دارد و توپولوژی گیت مشترک که در کل باند فرکانس مورد بررسی قرار گرفته اند. در شکل - 2 - برای رسیدن به تقویتکنندهی مطلوب از یک ساختار دو طبقه استفاده شده است. در این طراح، طبقه اول به منظور کاهش عدد نویز و طبقه دوم برای افزایش بهره قرار شده است. بنابراین در تقویتکننده کمنویز طراحی شده، از یک ساختار سورس مشترک در طبقه اول و ساختاری مشابه ساختار کسکود که به ساختار استفاده مجدد جریان معروف است، در طبقه دوم استفاده شده است.
این ساختار در واقع از دو طبقه سورسمشترک تشکیل شده است با این تفاوت که هر دو طبقه دارای جریان بایاس مشتر چگالی جریان و بایاس طبقات معمولاً استفاده از جریان بیشتر به داشتن بهرهی بیشتر، عملکرد خطی بهتر و عدد نویز کمتر کمک میکند. در این مقاله برای رسیدن به تقویت-کنندهی مطلوب از یک ساختار دو طبقه استفاده شده است. در این طراح، طبقه اول به منظور کاهش عدد نویز و طبقه دوم برای افزایش بهره قرار شده است.
بنابراین در تقویت کننده کمنویز طراحی شده، از ساختاری مشابه ساختار کسکود که به ساختار استفاده مجدد جریان معروف است، استفاده شده است. این ساختار در واقع از دو طبقه سورسمشترک تشکیل شده است با این تفاوت که هر دو طبقه دارای جریان بایاس مشترک هستند. در گذشته برای طراحی تقویتکننده کمنویز کسکود مانند شکل زیر هیچ تطبیقی بین طبقات سورس مشترک و گیت مشترک در نظر گرفته نمیشد. این کار برای انتقال بیشینه مناسب نیست و باعث خراب شدن عملکرد نویزی تقویت-کننده نیز خواهد شد. زیرا تلفات توان مستقیماً روی عملکرد نویزی تقویت کننده اثر میگذارد. اگر در ساختار کسکود هیچ شبکهای بین دو طبقه نباشد امپدانس ورودی طبقه دوم و در نتیجه بهره طبقه اول کاهش مییابد
ساختار استفاده مجدد جریانی دارای مزایای زیادی همچون توان مصرفی پایین، بهرهی بالا، و ایزولاسیون مناسب دارد. در این ساختار طبقه اول و دوم از یک جریان استفاده میکنند. خروجی هر طبقه دارای یک مدار رزونانس RLC با ضریب کیفیت پایین است که میتوان در فرکانس مورد نطر تنظیم کرد. یک تطبیق پهن باند در ورودی نیز با استفاده از فیدبک RC موازی-موازی و بار RLC مزدوج با آن ایجاد شده است. با کنترل کردن قطب و ضریب کیفیت پاسخ مرتبه دوم متوان به عدد نویز و بهره ی مناسب رسید که با تغییر سلفهای مدار ممکن می شود.
