بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي تقويت کننده کم نويز در باند فرا پهن با استفاده از تکنولوژي CMOS
چکيده - تقويت کننده هاي کم نويز، يکي از اجزاي اساسي گيرنده در مخابرات بي سيم محسوب مي شوند . زيرا عملکرد آنها کارايي سيستم را، از نظر نويز مشخص مي کند. در اين مقاله ، يک تقويت کننده کم نويز در باند فراپهن توسط تکنولوژي CMOS تحليل و طراحي شده است . مدار طراحي شده متشکل از دو طبقه گيت مشترک و کسکود مي باشد. اين تقويت کننده داراي توان مصرفي ١٦.٥ ميلي وات ، گين dB٢١، عدد نويز dB٣ و پهناي باند ٣.١ تا ١٠.٦ گيگاهرتز مي باشد. تقويت کننده ي کم نويز طراحي شده با استفاده از تکنولوژي CMOS ١٨.. ميکرون با منبع تغذيه ١.٨ ولت طراحي شده است .
کليد واژه - تقويت کننده کم نويز- عدد نويز- ضريب انعکاس ورودي و خروجي .
١- مقدمه
تقويت کننده هاي کم نويز، يکي از اجزاي اساسي گيرنده در مخابرات بي سيم محسوب مي شوند، زيرا عملکرد آنها کارايي سيستم را از نظر نويز مشخص ميکند. پس از بلوکهايي نظير آنتن ، فيلتر RF و دوپلکسر (معمولا خارج از تراشه )، تقويت کننده کم نويز اولين بلوک اصلي در مسير دريافت است . با توجه به توان کم سيگنال در خروجي آنتن و نيز افت ناشي از مدارهاي غير فعال در ورودي گيرنده ، لازم است بلافاصله سيگنال دريافتي تقويت شود که اين کار وظيفه تقويت کننده کم نويز است . با توجه به اينکه در اين مرحله از مسير دريافت سطح توان سيگنال بسيار ضعيف است (دامنه سيگنال مي تواند در حد ميکرو ولت باشد) لازم است که اين تقويت کننده نويز کمي را به سيگنال اضافه کند[١]. به علاوه تقويت کننده کم نويز معمولا حد واسط بين تراشه و دنياي خارج است و بايد امپدانس ورودي نزديک به امپدانس مشخصه آنتن (مثلا ٥٠ اهم ) از خود نشان دهد. ميزان تطبيق امپدانس در ورودي تقويت کننده کم نويز معمولا با استفاده از شاخص S11 بيان مي شود که در اکثر کاربردها بايد کمتر از 10dB- باشد. در گيرنده هاي کاملا مجتمع که خروجي تقويت کننده کم نويز به خارج از تراشه نمي رود، تطبيق امپدانس در خروجي لازم نيست .
اما چنانچه بخواهيم بعد از تقويت کننده کم نويز سيگنال را به خارج از تراشه ببريم (نظير گيرنده هاي هتروداين با فيلتر IF خارج از تراشه ) بايد مانند ورودي ، تطبيق امپدانس را رعايت کنيم . در اين حالات ، بارگذاري در خروجي تقويت کننده بهره ولتاژ را کاهش مي دهد و در تطبيق امپدانس کامل دو بهره ولتاژ و توان يکسان خواهند شد.
بهينه بودن مشخصات عملکرد تقويت کننده کم نويز از قبيل عدد نويز١، بهره ولتاژ، خطي بودن و توان مصرفي ، از اهميت فوق العاده اي برخوردار مي باشد. مهمترين نکته در طراحي يک تقويت کننده کم نويز فراپهن باند، يکنواختي ٢ مقدار بهره يا همان پاسخ تقويت کننده در پهناي باند فرکانسي ٣.١ گيگاهرتز تا ١٠.٦ گيگاهرتز مي باشد. براي نيل به اين مقصود حتي ممکن است مقدار زيادي از بهره را نيز قرباني کنيم . در يک تقويت کننده فراپهن مسلما يکنواختي بهره از حداکثر بودن آن بسيار حايز اهميت بيشتري مي باشد و در اين تعامل بين مقدار بهره و يکنواختي آن در باند فرکانسي مسلما نگاهها به سوي يکنواختي آن مي باشد.
٢- معرفي
ساختار گيت مشترک در گيرنده هاي CMOS RF براي بدست آوردن تطبيق ورودي و به علت داشتن نويز پايين ، ساختار مناسبي است [٢]. از رايج ترين ساختارها در طراحي تقويت کننده هاي کم نويز فرا پهن باند بر مبناي تکنولوژي CMOS، ساختار سورس مشترک و ساختار کسکود مي باشند. اين دو ساختار هر دو بهره قابل قبول اما نه چندان بالايي دارند و از تطبيق ورودي خوبي نيز برخوردارند. اما اين دو ساختار، هر دو در باند فرا پهن و به خصوص در انتهاي باند (در نزديکي فرکانس ١٠ گيگا هرتز)، عدد نويز بالايي دارند. در اين طراحي ، ساختاري متشکل از دو طبقه طراحي شده است . طبقه اول شامل ساختار گيت مشترک و طبقه دوم شامل يک ساختار کسکود مي باشد. استفاده از ساختار گيت مشترک به علت داشتن تطبيق مناسب در ورودي بسيار رايج است . اگر rO مقاومت ديناميکي خروجي و RL مقاومت بار و gm هدايت انتقالي ترانزيستور باشد، امپدانس ورودي تقويت کننده گيت مشترک برابر است با
که اغلب مي باشد. به همين دليل امپدانس ورودي برابر مي شود. بهره ولتاژ اين تقويت کننده نيز مطابق با رابطه زير تعيين مي شود.
که بسته به اين که خيلي کوچکتر از ١ باشد يا خيلي بزرگتر از ١ بهره برابر است با
٢-١- تقويت کننده کم نويز طراحي شده دو طبقه
همانطور که گفته شد ساختار گيت مشترک براي بدست آوردن تطبيق ورودي ساختار مناسبي است اما اين ساختار بهره کافي ندارد. در طراحي مدار تقويت کننده کم نويز، يک طبقه کسکود به طبقه ي گيت مشترک اضافه شده است . هدف از دو طبقه کردن ساختار، دستيابي به بهره بالا مي باشد. ساختار کلي مدار طراحي شده در شکل (١) آمده است .
در حقيقت اين مدار متشکل از سه طبقه مي باشد که طبقه آخر آن تنها يک بافر براي اندازه گيري مي باشد. طبقه اول يک طبقه - ي گيت مشترک است که از سلف L1 در سورس براي حذف اثرات پارازيتي خازن گيت -سورس (Cgs)، خصوصا در فرکانسهاي بالا استفاده شده است . سلفهاي L2 و L3 براي حذف اثرات پارازيتي خازن گيت سورس ترانزيستور M2 و همچنين خازن پارازيتي درين M1 اضافه شده اند. طبقه دوم ساختار کسکود است که سلف L4 در درين ترانزيستور M3 براي حدف اثرات پارازيتي خازن درين ترانزيستور M3 قرار داده شده است . طبقه آخر که يک ساختار درين مشترک است که براي اندازه گيري بکار رفته است . اين مدار آماده براي Layout مي باشد زيرا عناصر آن همگي داراي پارامترهاي Layout مي باشند. در شکل (٢) و (٣) مدار معادل سيگنال کوچک دو طبقه مشاهده مي شود.
