بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک تقویتکننده کمنویز باقابلیت کنترل بهره - VG-LNA - بهصورت پیوسته برای کاربردهای فراپهنباند - UWB - گزارششده است. در ورودی تقویتکننده کمنویز پیشنهادی از تکنیک استفاده مجدد از جریان به همراه فیدبک مقاومتی موازی- موازی ا ستفاده شده ا ست. در طبقه دوم از آرایش سورسم شترک به همراه روش جدیدی برای کنترل بهره به صورت پیو سته ا ستفاده شده که هیچگونه تغییری در شرایط تطبیق امپدانس ورودی ایجاد نمیکند. تقویتکننده کمنویز پیشنهادشده بر پایه فناوری RF-TSMC CMOS 0/18 m طراحیشده است. نتایج شبیه سازی مداری نشان میدهد که VG-LNA در پهنای باند 1-10 GHz دارای بهره توان 16 dB - S21 - ، تلف بازگشتی ورودی - S11 - کمتر از -10 dB و عدد نویز - NF - کمتر از 4 dB ا ست. همچنین این تقویتکننده دارای بازه تغییرات بهرهی توان از 16 dB تا -8 dB ا ست و توان م صرفی آن از منبع تغذیه 1/3 V در حدود 14 mW است.
-1 مقدمه
کمیته ارتباطات فدرال - FCC - پهنای باند 7/5 GHz را در م حدوده فر کانسی 3/1-10/6 GHz برای کاربرد های فرا پهنباند اخت صاص داده ا ست که به 14 زیر باند تق سیم شده و هر زیر باند پهنای باند 528 MHz را دارا است .[1] کمیته ارتباطات فدرال همچنین سطح توان ارسالی در پهنای باند فرا پهن با ند - UWB - را در سال 2002 م حدود کرد - -41.3 - dBm/MHz که درنتیجه آن سیستمهای فرا پهنباند بهسرعت محبوب شدند. زیرا استانداردهای موجود در آنها، پیچیدگی کم، م صرف توان پایین، امنیت بالا و توانایی ارتباطات بی سیم با نرخ داده بالا تا 1 Gbps را فراهم کرده است .[2]
دو آرایش پایه تقویتکننده کم نویز CMOS، آرایش سورسمشترک - CS-LNA - و گیتمشترک - CG-LNA - هستند. آرایش گیت مشترک با دارا بودن ویژگیهای مناسبی نظیر ضریب کیفیت پایین در ورودی و مجزا سازی ورودی-خروجی بزرگ، یکی از آرایشهای محبوب در تقویتکنندههای کمنویز است. اما در این آرایش به دلیل وابستگی عدد نویز، تطبیق ورودی و بهره به ترارسانایی ترانزیستور ورودی - gm - ، دستیابی به تطبیق ورودی پهن باند می تواند عملکرد تقویتکننده کمنویز را از نظر عدد نویز و بهره محدود کند . [3] آرایش سورس مشترک توانایی بیشتری در ایجاد بهره بالا داشته و عملکرد نویز بهتری را از خود نشان می دهد .[4] روشهایی نظیر تبه شدگی سلفی [5] و فیدبک ترانسفورمری [6]، برای ایجاد تطبیق ورودی مناسب در تقویتکننده کمنویز با آرایش سورسمشترک گزارششدهاند. اما این طراحیها، پهنای باند تقویت کننده را محدود کرده و فضای زیادی از تراشه را اشغال میکنند.
یک تقویتکننده کمنویز با بهره متغیر میتواند از اشباع شدن گیرنده هنگام اعمال سیگنال ورودی نسبتاً بزرگ، جلوگیری کرده و درنتیجه نیاز به خطیسازی در میکسر را کاهش و دامنه پویای گیرنده را افزایش میدهد .[7] بنابراین، نیاز به روشی برای کنترل بهره که بتواند آن را بهصورت پیوسته کنترل کند و همچنین مسطح بودن بهره در پهنای با ند موردنظر را در هن گام کاهش بهره حفظ ک ند، به خوبی احساس میشود. تاکنون تعداد کمی تقویتکننده باقابلیت کنترل بهره بهصورت پیوسته در کاربردهای فرا پهنباند گزارششدها ند. روش های مختلفی برای کنترل بهره مان ند تغییر مقاومت خروجی و کنترل بهره با استفاده از مسیر فیدبک گزارششده است. به عنوان مثال در مقاله [7] از ترانزیستور در ناحیه مقاومتی و در مسیر فیدبک برای کنترل بهره استفاده شده است و طراحی ارائه شده پهنای باند وسیعی دارد اما با تغییر بهره، تلف بازگشتی ورودی تغییر میکند.
در این مقاله یک تقویتکننده کمنویز فرا پهنباند باقابلیت کنترل بهره در محدوده وسیعی بهصورت پیوسته ارائهشده است. در طبقه دوم از روش جدیدی برای کنترل بهره استفاده میشود که در بهرههای مختلف هیچگونه تأثیری در شرایط تطبیق ام پدانس ورودی ندارد. این م قا له بهصورت زیر سازماندهیشده است. در بخش دوم، ابتدا به تحلیل ایده و معرفی ساختار تقویتکننده کمنویز پیشنهادی میپردازیم و در ادامه روابط تحلیلی امپدانس ورودی، بهره، عدد نویز و کنترل بهره محاسبه میشوند. در بخش سوم، نتایج شبیهسازی بحث میشوند و همچنین مقایسه با کارهای دیگران انجام میگیرد و در نهایت نتیجهگیری در بخش چهارم انجام میشود.
-2 مدار پیشنهادی
شکل 1 مدار LNA پیشنهادشده را نشان میدهد. در ورودی از دو ترانزی ستور NMOS و PMOS به صورت موازی با یکدیگر به همراه یک فیدبک موازی-موازی شامل مقاومت استفادهشده است. همچنین از سلف L1 برای دستیابی به تطبیق ورودی مناسب در پهنای باند مور نظر استفادهشده است. در طبقه دوم روش جدیدی برای کنترل بهره ارائهشده که با استفاده از ولتاژ VC که ولتاژ بایاس ترانزیستور MC است، بهره خروجی بهصورت پیوسته قابلکنترل است. خازنهای C1 و C2 برای جداسازی بایاس DC هستند و VB3 نیز جهت بایاس ترانزیستور M3 است. همچنین از روش سلف پیکدهندهی موازی L2 - و - L3 برای دستیابی به حداقل منبع تغذیه و حداکثر همواری بهره و پهنای باند استفادهشده است.
شکل :1 مدار تقویتکننده کمنویز پیشنهادی
-1-2 تطبیق امپدانس ورودی
شکل 2، مدار معادل سیگنال کوچک LNA پیشنهادشده را برای محاسبه امپدانس ورودی نشان میدهد که در این شکل امپدانس ورودی به صورت ن سبت ولتاژ vin به جریان iin تعریف میگردد.
شکل :2 مدار معادل سیگنال کوچک LNA پیشنهادشده برای محاسبه امپدانس ورودی با انجام تحلیل سیگنال کوچک و با صرفنظر از خازن Cgd ترانزیستورها امپدانس ورودی بهصورت رابطه - 1 - محاسبه میشود و در این رابطه هر کدام از پارامترهای A، B و C توسط روابط - 2 - - - 4 - معرفی میگردد.
-2-2 بهره و پهنای باند
در ساختار تقویتکننده کمنویز پیشنهادی به دلیل استفاده از فیدبک منفی در طبقه ورودی، طبقه ی دوم با آرایش سورسمشترک کسکود شده برای افزایش بهره با طبقه اول متوالی شده است. با صرفنظر از ظرفیتهای خازنی Cgd و همچنین مقاومت R2 به علت کوچکی، پاسخ فرکانسی بهره Av با رابطه زیر بیان میگردد. از رابطه - 5 - مشاهده میشود که فرکانسهای تشدید مؤثر در پهنای باند تقویتکننده کمنویز پیشنهاد شده با روابط H1=1/Cgs3RF ، H2=1/ Cgs1L1 و H3=1/ CeqL2 - Ceq= - Cgsc×Cgs4 - / - Cgsc+Cgs4 - - تعیین میشوند؛ که با تغییر مقدار مقاومت RF و سلفهای L1 و L2 میتوان پهنای باند تقویتکننده را کنترل کرد. البته مکان یکی از صفرهای طبقه دوم، z= 1/gmcL2 ، به L2 وابسته بوده و در نتیجه نسبت 2z/ωH3 در تعیین قسمتی از پهنای باند نقش خواهد داشت.
-3-2 عدد نویز
به دلیل عملکرد در فرکانسهای بالا و سادگی محا سبات، از دو منبع نویز حرارتی در گ یت و نویز فلیکر در تحل یل نویز تقویتکننده کمنویز پیشنهادی صرفنظر میشود. بنابراین، بیشترین سهم نویز ترانزیستور MOS ناشی از نویز حرارتی کانال است. سه منبع جریان نویز حرارتی کانال MOS، نویز حرارتی مقاومت منبع و مقاومت پارازیتی سلفها مطابق شکل 3 برای محاسبه عدد نویز در نظر گرفته میشوند.
متو سط توان نویز مقاومت ا ست. γ بیانگر ضریب نویز حرارتی ترانزیستور MOS و α=gm/gd0 هستند gd0 - ترارسانایی کانال در ولتاژ درین- سورس صفر است - . همچنین Rp2-Rp3 نشاندهنده مقاومت موازی معادل سلفهای L2 - L3 هستند. به علت محدود بودن ضریب کیفیت - Q - سلفها، مقاومت پارازیتی موازی آنها در محاسبات استفادهشده است. عدد نویز تقویتکننده کمنویز پیشنهادی بهصورت رابطه - 7 - محاسبه میشود.
-4-2 کنترل بهره
کنترل بهره در تقویتکننده کمنویز پیشنهادی توسط ولتاژ بایاس ترانزی ستور MC انجام می شود. با تغییر ولتاژ بایاس این ترانزی ستور که VC ه ست، جریان بایاس ترانزی ستور تغییر کرده و سبب تغییر افت ولتاژ بر روی مقاومت R2 میشود که سپس ولتاژ بایاس ترانزیستور M4 تغییر میکند و درنتیجه بهره تقو یتکن نده کمنویز تغییر میک ند. ا یده کنترل بهره در مدار پیشنهادی جدید است و برخلاف بسیاری از طرحهای کنترل بهره گزارششده 8]،[9، مدار پیشنهادی تأثیری بر تلف بازگشتی ورودی در بهرههای مختلف نمیگذارد.
-3 نتایج شبیهسازی
تقویتکننده کمنویز پیشنهادی با استفاده از نرمافزار ADSو در فنّاوری TSMC RF CMOS 0.18 ʽm شبیه سازی شده ا ست. مقدار ولتاژ تغذیه مدار 1/3 V بوده و توان مصرفی آن در حدود 14 mW است. شکل 4 تأثیر سلف L1 در فراهم کردن تطبیق امپدانس ورودی پهن باند را نشان میدهد.شکل 5 بهره هر کدام از طبقات تقویتکننده را به صورت جداگانه نشان میدهد؛ که AV1 بهره طبقه اول و AV2 بهره طبقه دوم هست. در این شکل نقش طبقه دوم با قطب H3= 1/ CeqL2 ، در بهبود بهره و فراهم کردن په نای با ند وسیع مشخص میگردد.
