بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و شبيه سازي تقويت کننده فرکانس بالا با نويز پايين
چکيده - اين مقاله يک تقويت کننده تک طبقه نويز پايين آبشاري را در فرکانس GHZ 5.8 با استفاده از تکنيک هاي تطبيق Tجهت استاندارد ٨٠٢.١٦ IEEE ارائه مي کند. تقويت کننده از ترانزيستور اثر ميداني FHX76LP داراي تکنولوژي HEMT با نويز پايين استفاده مي کند. شبيه سازي اين طرح با استفاده از نرم افزار ADS( طراحي سيستم پيشرفته ) انجام شده اين تقويت کننده نويز پايين ( LNA ) داراي بهره dB١٧٢١ و نويز فيگر dB 0.845 مي باشد. ضريب انعکاس ورودي ( S11 ) و تلفات برگشتي در خروجي ( s٢٢ ) به ترتيب dB 12.71- و dB 15.52- مي باشند. پهناي باند تقويت کننده GHZ1 مي باشد. حساسيت ورودي مطابق با استاندارد هاي ٨٠٢.١٦ IEEE مي باشد.
کليد واژه - بهره توان , بهره توان مبدل , بهره توان عملکردي
١- مقدمه
اخيرا بازار سيستم هاي مخابراتي بي سيم به سرعت در حال رشد است . به علت تقاضاهاي بازار، سيستم هاي مخابراتي بي سيم گوناگون پيشرفت کننده براي باندهاي فرکانسي مختلف و کاربردهاي گوناگون وجود دارند. WiMAX، که فرم اختصاري World wide Interoperability for Microwave Access مي باشد يک تکنولوژي مخابراتي بي سيم جديد مي باشد. آن يک تکنولوژي جذاب است بعلت سرعت انتقال بالا ( بالاتر از 70Mbps ) و فاصله انتقال طولاني ( بالاتر از ٣٠ مايل ) اين سيستم مبتني بر استاندارد هاي ٨٠٢.١٦ IEEE بوده و از چندين باند فرکانسي جهت انتقال ديتا استفاده مي کند. ( – ٢.٣ 5.8GHZ – ٥.١ , 3.6GHZ – ٣.٤ , 2.7GHZ ). طراحي تقويت کننده با نويزپايين يکي از چالش ها در گيرنده هاي فرکانس هاي راديويي ( RF ) مي باشد. چرا که مستلزم فراهم کردن تطبيق امپدانس ورودي خوب ، بهره توان کافي و نويز فيگر پايين در باند فرکانسي مورد نظر مي باشد.
تعداد زيادي از توپولوژي هاي تقويت کننده هاي با بهره بالا پيشنهاد شده اند با فراهم کردن رضايتبخش نيازمندي هاي براي تلفات توان پايين در عين راندمان خوب . توپولوژي آبشار گونه ( cascode ) بهره بالاتر را به علت افزايش امپدانس خروجي نتيجه ميدهد. در عين اينکه ايزولاسيون بهتري بين پورت هاي ورودي 1 و خروجي فراهم مي کند. در اين مقاله يک توپولوژي تک آبشار گونه تقويت کننده با نويز پايين پيشنهاد شده است .
٢- مباحث نظري
اساسا جهت طراحي يک تقويت کننده ، شبکه هاي تطبيق ورودي و خروجي جهت حاصل شدن پايداري مورد نياز، بهره سيگنال کوچک و پهناي باند طراحي مي شود. تقويت کننده فوق العاده فرکانس بالا يک مدار فعالي است که جهت تقويت دامنه سيگنال RF استفاده مي شود. مفهوم پايه اي و ملاحظات اساسي در طراحي اين چنين تقويت کننده اي در ادامه بيان شده است . براي LNAطراحي شده ، فرمولها و معادلات به مرجع ٣ ( Pozar ) بازگشت داده مي شود. شکل ١، يک نمونه تقويت کننده يک طبقه شامل شبکه هاي تطبيق ورودي و خروجي را نمايش مي دهد.
واحدهاي شيراز - کازرون ، ٨ مفهوم اساسي طراحي تقويت کننده فرکانس بالا تطبيق کردن ورودي . خروجي يک ترانزيستور در فرکانس هاي بالا با استفاده از مشخصات فرکانسي پارامترهاي S در يک نقطه باياس DC مشخص شده با امپدانس منبع و امپدانس بار مي باشد.
مدار تطبيق I.O به خاطر کاهش دادن بازتاب هاي ناخواسته سيگنال و همچنين جهت بهبود بازدهي انتقال سيگنال از منبع به بار ضروري مي باشد.
٢-١- بهره توان
چندين بهره توان تعريف شده است به منظور فهم عملکرد تقويت کننده فرکانس هاي خيلي بالا همانگونه که در شکل ٢ نشان داده شده است بهره هاي توان شبکه مداري با دو پورت با امپدانس توان يا امپدانس بار در تقويب کننده توان ارائه شده با ضرايب پراکندگي، به بهره توان عملکردي، بهره توان مبدل و بهره توان موجود تقسيم بندي شده اند.
٢-٢- بهره توان عملکردي
بهره توان عملکردي نسبت توان تحويل داده شده به بار به توان داده شده به شبکه دو پورتي (Pin) مي باشد.
توان تحويل داده شده به بار اختلاف بين توان بازتاب شده در پورت خروجي و توان ورودي مي باشد. و توان تحويل داده شده به شبکه دو پورتي، اختلاف بين توان ورودي در پورت ورودي و توان بازتاب شده است . بنابراين بهره توان عملکرد با معادله زير بيان مي شود.
.به ضريب بازتاب باردر پورت ورودي شبکه دو پورتي اشاره دارد و به ضريب انعکاس توان تحويل داده شده به پورت ورودي اشاره دارد.
٢-٣- بهره توان مبدل
بهره توان مبدل ، نسبت Pavs (ماکزيمم توان موجود از منبع ) به PL (توان تحويل داده شده به بار) مي باشد. ماکزيمم توان زماني حاصل مي شود که امپدانس ورودي شبکه مدار، معادل با مزدوج مختلط امپدانس منبع باشد. اگر بهره توان مبدل با معادله زير بيان مي شود.
به ضريب انعکاس بار اشاره دارد.
٢-٤- بهره توان موجود
بهره توان موجود ( ga ) نسبت توان موجود از شبکه دو پورتي ( Pavn ) به توان موجود از منبع ( Pavs ) تعريف مي شود
Pavs زماني حاصل مي شود که بنابراين بهره توان موجود با عبارت زير بيان مي شود :
اين فرمول اشاره دارد به بهره توان زمانيکه ورودي و خروجي تطبيق باشند.
٢-٥- نويز فيگر
سيگنال ها و نويزهاي اعمال شده به پورت ورودي تقويت کننده با بهره تقويت کننده تقويت مي شوند و نويز خود تقويت کننده به خروجي اضافه مي شود. بنابراين نسبت سيگنال به نويز ( SNR ) پورت خروجي کوچکتر از اين نسبت در پورت ورودي مي باشد. نسبت SNR پورت ورودي به SNR پورت خروجي به عنوان نويز فيگر بيان مي شود و بزرگتر از dB١ مي باشد. عموما، نويز فيگر ترانزيستور دو پورتي داراي مينيمم مقداري در ادميتانس مشخصه مي باشد و با فرمول زير بيان مي شود:
جهت ترانزيستورهاي با نويز پايين ، توليد کننده ها معمولا در فرکانس مربوطه را در اختيار قرار مي دهند. Nتعريف شده توسط فرمول جهت نويز فيگر مطلوب با فرمول زير بيان مي شود:
٢-٦- شرايط براي تطبيق
ضرايب پراکندگي ترانزيستور مشخص شده اند. تنها قابليت انعطاف پذيري اجازه داده شده به طراح مدار، تطبيق ورودي، خروجي مي باشد. جهت تحويل ماکزيمم توان به بار، مدار ورودي بايد به منبع تطبيق شود و مدار خروجي بايد به بار تطبيق شود.
بعد از اينکه پايداري افزاره اکتيو مشخص شد، مدارهاي تطبيق ورودي . خروجي بايستي به گونه اي طراحي شوند که ضريب انعکاس هر پورت معادل با مزدوج مختلط ضريب انعکاس منبع و بار شوند همانطور که فرمولهاي زير بيان مي کنند :
نويز فيگر طبقه اول گيرنده بر نويز فيگر کل سيستم مسلط مي باشد. جهت دستيابي به مينيمم نويز فيگر ترانزيستور مورد استفاده ، ضريب انعکاس منبع مي بايستي با تطبيق شود و ضريب انعکاس بار با . تطبيق پيدا کند.
٣- طراحي LNA
تقويت کننده با نويز پايين cascode بر مبناي پارامترهاي S حاصل شده از محاسبات و شبيه سازي با استفاده از نرم افزار ADS طراحي شده است . پارامترهاي S براي اين تقويت کننده در جدول ١ نشان داده شده است .
کارايي کل تقويت کننده با نويز پايين به وسيله محاسبه بهره توان مبدل ( gt )، نويز فيگر ( F ) و نسبت امواج ايستاي ورودي و خروجي ( VSWRIN ,VSWROUT ) مشخص مي شود. مقدار بهينه حاصل شده عبارتند
شماتيک کامل يک تقويت کننده نويز پايين ، cascade در فرکانس GHZ٥٨ در شکل ٣ نشان داده شده است .
واحدهاي شيراز - کازرون ، ٨ گيت و درين ترانزيستور M١ بهم وصل شده است که افزاره با، بار ارتقاء يافته ناميده مي شود. يک سلف با مقدار nH٠٠٤٥ در سورس ترانزيستور M٢ قرار گرفته که آن inductive source degeneration ناميده مي شود. مقادير المانهاي پسيو در شبکه تطبيق ورودي عبارتند از و مقادير المانهاي پسيو در شبکه تطبيق خروجي عبارتند از. پارامترهاي شبکه باياس عبارتند از
و مقادير المانهاي پسيو در شبکه تطبيق خروجي عبارتند از از شبيه سازي، مقدار بهره تقويت کننده (S٢١)dB ١٧٢١ بدست آمده و dB١٢٧١- =s١١ ، نويز فيگر کلي ( NF ) برابر با dB٠٨٤٥ , dB١٥٥٢- =S٢٢ و تلفات انعکاسي ( S١٢ ) برابر با .dB٢٠٦١- اين مقادير در رنج پارامترهاي طرح مي باشند و مورد قبول قرار گرفتند.
٤- نتايج شبيه سازي
