بخشی از مقاله
خلاصه: در این مقا له مدار ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی که از ترانزیستورهاي ماسفت در حالت اشباع استفاده می کند پیشنهاد شده است. مدار ضرب کننده از دو زوج ورودي ترکیبی و سلول هاي تفریق کننده شکل گرفته است. ضرب کننده پیشنهادي داراي ویژگی هاي کار با ولتاژ کم و بیشترین خاصیت خطی و همچنین توان ایستاي اندك در مقایسه با مدارات ارائه شده قبل از خود می باشد. نتایج شبیه سازي با استفاده از تکنولوژي 0.18µm در نرم ا فزار hspice نمایش داده شده است.
- 1 مقدمه
امروزه ضرب کننده آنالوگ کاربردهاي بسیاري دارا می باشند[1] از جمله ترکیب کننده هاي فرکانس , نوسان سازهاي فرکانس متغیر, فیلتر هاي انطباقی و غیره براي بهبود بخشیدن توان بازدهی در تجهیزات قابل حمل که از سیگنال هاي آنالوگ و ترکیبی استفاده می کنند می بایست از ضرب کننده هایی استفاده شود که بتواند در ولتاژهاي تغذیه و جریان بسیار پایین عمل کند.
در تکنولوژي cmos یک ضرب کننده که با ولتاژ تغذیه کم کار کند می تواند با شش سلول ترکیبی دو ورودي مشابه پیاده سازي شود. [2] این نوع معماري مخصوصأ در تجهیزات RF به منظور تولید ترکیب کننده ها عمومیت بیشتري پیدا کرده است. . [3,5] ولتاژ تغذیه مورد نیاز در این معماري بسیار کم می باشد, براي مثال 1. 2 v براي , [2] اگرچه این مدار پهناي باند زیادي دارد ولی خاصیت خطی در جاهایی که عدم تطابق اجزا اهمیت داشته باشد کاهش می یابد.
یک نسخه جانشین براي ضرب کننده هایی که حساسیت کمتري به عدم تطابق اجزاء دارند در [6] ارائه شده است که در آن کاهش حساسیت با استفاده از یک بلوك پیش پردازش کننده براي انجام عمل تفریق ولتاژ هاي ورودي قبل از دو خروجی ترکیبی بدست آمده است . با استفاده از همین ایده یک ضرب کننده براي تجهیزات RF ارائه شده است که شامل هشت ترانزیستور و پنج عنصر تأثیرپذیر - دو خازن و سه ترانزیستور - براي پیاده سازي هر تابع تفریق کننده - بلوکهاي پیش پردازش کننده - می باشد ولی ضرب کننده حاصل از نظر حجم بزرگ می باشد و به همین دلیل براي کاربردهایی که نیاز به مصرف تغذیه کم می باشد مناسب نمی باشد.
در این مقاله ما به شرح یک ضرب کننده چهار ربعی آنالوگ جدید که از ایده ارائه شده در [6] استفاده می کند پرداخته ایم که در آن بلوك هاي پیش پردازش کننده ساده تر و فشرده تر شده اند. مدار این ضرب کننده با اتصال چهار بلوك تفریق کننده دو ورودي به نام سلول تفریق کننده شکل گرفته است به همراه دو سلول ترکیب کننده که در [2] ارائه شده است.
بر خلاف مدار ارائه شده در [7,8] بلوك هاي تفریق کننده تنها شامل دو ترانزیستور بدون هیچ عنصر تأثیر پذیر می باشد. این پیاده سازي باعث حجم کمتر از نظر تعداد اجزاء مدار و در نتیجه مصرف تغذیه کمتر می شود. در ادامه این مقاله در بخش دو , مدار تفریق کننده اي که قبلأ استفاده شده است و مدار ضرب کننده پیشنهادي ما ارائه شده است , در بخش سوم چگونگی عملکرد ضرب کننده پیشنهادي ارائه شده است , در بخش چهار نتایج شبیه سازي و مقایسه ارائه شده و در نهایت در بخش پنج نتیجه گیري بیان شده است.
– 2 اساس کار مدار تفریق کننده
در شکل - 1 - دو سلول پایه تفریق کننده که در ضرب کننده ها استفاده شده است آورده شده است. شکل - 1-a - سلول ترکیب کننده دو ورودي که در [2] ارائه شده است را نمایش می دهد و شکل - - 1-b سلول تفریق کننده جدید استفاده شده را نمایش می دهد, همانطور که در شکل - 1-a - مشاهده می کنید درین و سورس ترانزیستور هاي Ma, Mb به یکدیگر متصل هستند و جریان درین هردو با Va,Vb کنترل می شود و این دو در ترانزیستور لود کننده R جمع می شوند که جریان خروجی را می توان اینگونه بیان کرد:که در این رابطه Kn=0.5µn Cox w/l پارامتري است که بسته به مشخصات تولید ترانزیستور دارد و Vtn ولتاژ آستانه هر ترانزیستور می باشد.
شکل دو نمایش یک ضرب کننده که از شش سلول ترکیبی معرفی شده در [2] استفاده کرده می باشد, مشاهده می شود که این ضرب کننده تعداد زیادي عنصر غیر فعال دارد و همچنین تعدادي شاخه که جریان می کشند و باعث بالا رفتن توان مصرفی خواهند شد که می توان نتیجه گرفت که این مدار براي طراحی هاي آنالوگ مدرن که در آنها حجم و توان مصرفی کم , اهمیت ویژه اي دارند مناسب نمی باشد.
- 3 ضرب کننده پیشنهادي
با جایگزینی چهار ورودي ترکیبی مدار شکل - 2 - با سلول تفریق کننده جدید[9] و همچنین جایگزینی دو مقاومت لود کننده باقی مانده با دو ترانزیستور کانال n که به دلیل اتصال گیت به درین همیشه وصل می باشند و در نقش مقاومت ظاهر میشوند یک ضرب کننده چهار ربعی جدید حاصل می شود که در شکل - 3 - نشان داده شده است.ولتاژهاي ورودي تفاضلی با Vid1= V1-V2,Vid2= V3-V4 تعریف می شوند که به دو ورودي دو سلول ترکیب کننده وارد می شوند.
-4 نتایج شبیه سازي
ضرب کننده پیشنهادي در شکل - - 3 با نرم افزار hspice با تکنولوژي 0.18µm با ابعاد موجود در جدول - 2 - با ولتاژ تغذیه بسیار کم 0.7v پیاده سازي شده که با این شرایط توان مصرفی مدار تنها 18µm می باشد که بسیار مطلوب می باشد. شکل موج خروجی در شکل - - 4 آورده شده است, همچنین در شکل - - 5 عملکرد ضرب کننده در پاسخ به ورودي سینوسی 25kH,0.25v مورد آزمایش قرار گرفته است.
از این رابطه نتیجه می شود که بهبود عملکرد این ضرب کننده بسته به مقدار مقاومت هاي لود R و نسبت ابعاد ترانزیستورهاي M9 تا M12 دارد, که چون ما دو ترانزیستور همیشه وصل M13 و M14 را جایگزین دو مقاومت لود کردیم و با توجه به رابطه - - 8 می توان رابطه - 7 - را به شکل رابطه - - 9 باز نویسی نمود: که مشاهده می شود با این جایگزینی می توان تنها با تنظیم Vgs در مدار مقاومت مورد نظر که نتیجه مطلوب تري بدهد را در مدار تولید نمود. بنابر این یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی جدید بدست آوردیم که بدون هیچ عنصر غیر فعال - passive - می باشد که باعث بهره وري بیشتر خواهد شد.
