بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و شبيه سازي تقويت کننده کم نويز دو بانده با توان مصرفي پايين براي کاربردهاي شبکه هاي بيسيم محلي
چکيده
در مقاله زير طراحي و شبيه سازي تقويت کننده کم نويز(LNA) با استفاده از ترانزيستورهاي مکمل اکسيد فلز- نيمه هادي (CMOS) با توان مصرفي پايين براي برنامه هاي کاربردي شبکه هاي بي سيم محلي (٨٠٢.١١ WLAN) ارائه شده است . جهت تطبيق ورودي از سوئيچ خازن خارجي متصل به گره ورودي گيت - سورس ترانزيستور در ٢ باند ٢.٤ و ٥.٢ گيگاهرتز استفاده شده است . در ساختارهاي همزمان با استفاده از فرکانس تشديد مدار تانک LC فرکانس مورد نظر انتخاب مي شود درحالي که در ساختار LNA پيشنهادي تنها با اضافه کردن يک سوئيچ خازني به ساختار سورس دجنريت شده معمولي اين انتخاب فرکانس انجام مي شود. اين کار باعث کاهش فضاي اشغال شده در مدار نسبت به ديگر ساختارها دارد. علاوه بر اين ، استفاده از تکنيک سوئيچ ترانزيستوري باعث کاهش ميزان توان مصرفي در مقايسه با ديگر ساختارها دارد. LNA پيشنهادي داراي منبع تغذيه ١ ولتي و جريان ٢.٣ ميلي آمپري است . مدار داراي پارامترهاي پراکندگي S١١ و S٢٢ کمتر از ١٩- دسيبل در هر دو باند بسامد و داراي عدد نويز ٢.٣ و ٥.٢ دسيبل به ترتيب در فرکانس ٢.٤ و ٥.٢ گيگاهرتز است . بهره توان بزرگ تر از ٢٠ دسيبل است .
واژه هاي کليدي: تقويت کننده کم نويز.شبکه هاي بيسيم محلي.فرکانس راديويي(RF).سوئيچ خازني
١- مقدمه
سيستم هاي ارتباطي بي سيم با استانداردهاي مختلف در فرکانس هاي بين ٨٠٠ مگاهرتز تا ٦ گيگاهرتز کار ميکنند بنابراين دريافت دو و يا چند باند بسامد تنها با يک ترمينال بي سيم مطلوب است . امروزه شبکه هاي محلي بيسيم (WLAN) به طور گسترده اي در منازل و ادارات استفاده ميشود و توانايي پشتيباني ارتباطات و داده هاي نرخ بالا را دارا هستند. افزايش تقاضا انگيزه معرفي استانداردهاي جديد WLAN مانند را براي پاسخگويي به الزامات نرخ بالاي داده ها ايجاب کرده است بااين حال 1 استانداردهاي مختلف WLAN چالش هاي قابل توجهي در طراحي فرکانس راديويي (RF) بخش جلوي نظير تقويت کننده هاي کم نويز و سوئيچ ها به وجود آورده است .
يکي از اين چالش ها پايانه هاي استاندارد تقويت کننده هاي کم نويز (LNA) چند بانده است . استفاده از LNAهاي موازي، همزمان و يا پهن باند از روش هايي هستند که به طور معمول در گيرنده هاي چند بانده بکار گرفته ميشوند.
در LNAهاي موازي براي هر باند بسامد يک LNA تخصيص داده ميشود[١]. اين رويکرد نياز به فضاي مرده اضافي براي LNA دارد. علاوه بر اين سوئچينگ انتخاب باند و ترتيب معرفي اين سوئيچ در گيرنده پيچيده ميشود. LNA هاي همزمان تطبيق ورودي دوگانه در باند بسامد مختلف [٢] و LNA هاي پهن باند تطبيق پهن باندي را ورودي فراهم ميسازد [٣]، LNA هاي همزمان و پهن باند فضاي کمتري را اشغال ميکنند اما هنوز نياز به سلف اضافي خطي تر و مصرف توان بالاتر دارند.
يک طراحي LNA ساده موجود سوئيچ ترانزيستور در ورودي سوئيچ خازن ، و يا سلف بار است [٤و٥]
طرح LNA موجود ديگر توسط سوئيچ خازن موازي خارجي با ترانزيستور ورودي و سوئيچ خازن بار براي تنظيم باندهاي مختلف فرکانس است که به يکديگر بسيار نزديک است [٦]
بااين حال براي کاربردي دوگانه باندهاي ٢.٤ و ٥.٢ گيگاهرتز، تنظيم خروجي با استفاده از اختلاف فرکانس در تنظيم خازن بار بسيار دشوار است در اين مقاله LNA دوبانده براي کاربردهاي WLAN با تعويض خازن خارجي موازي با خازن Cgs ترانزيستور ورودي و تعويض سلف در باند خروجي ارائه شده است . از باند بسامد٢.٤ گيگاهرتز براي کاربردهاي شبکه هاي WLAN و از باند ٥.٢ گيگاهرتز براي در شبکه هاي WIMAX استفاده ميشود.
١-١- استانداردهاي چندگانه گيرنده جلويي
يک گيرنده با استاندارد چندگانه را مي توان با يکپارچه سازي ماژول هاي مختلف از هر استاندارد بر روي يک تراشه سخت افزاري با استفاده از نرم افزار راديويي (SDR) اجرا کرد [٢]
نمونۀ گيرنده با استاندارد چندگانه جلويي شامل LNA تنظيم پذير يک فيلتر و کليد در شکل ١ نشان داده شده است .
شکل ١: گيرنده جلويي براي استانداردهاي چندگانه
محبوب ترين استانداردهاي که در حال حاضر در حال استفاده هستند عبارت اند از ارتباطات متقابل سراسري براي دسترسي هاي فرکانس ماکرويو(Wimax) ، تقسيم چندگانه کد دسترسي (CDMA2000) ، سيستم جهاني ارتباطات موبايل (GSM)،CDMA پهن باند، سيستم هاي مخابرات تلفن همراه با بخش بندي زماني(UMTSTDD) و بلوتوث (BT)[٣]و[٤] فرکانس هاي استاندارد در سيستم هاي مختلف در جدول ١ نشان داده شده است .
جدول ١ فرکانس هاي استانداردهاي انتخاب شده
٢- ساختار LNA و طراحي مدار
شکل ٢ مدار LNA پيشنهادي را نشان ميدهد . ساختار کسکود با سورس دجنريت شده داراي مزاياي از جمله ايزولاسيون خوب ، بهره بالا و کاهش اثر ميلر است . سوئيچ ها نيز ميتوانند از اکسيد فلز نيمه هادي با کانال n در ترانزيستورهاي اثر ميداني استفاده شوند. اندازة ترانزيستورهاي MSW١ و MSW٢ با توجه به ميزان مقاومت ها و خازن هاي پارازيتي سوئيچ تعيين ميشوند.
بخش اينوتور شامل يک کليد جهت خاموش و روش کردن کليدها است . همچنين اندازة اينوتور با توجه به حداقل اندازة ترانزيستور تعيين ميشود تا اثر منفي در کارايي LNA نداشته باشد.
شکل ٢: شماتيک LNA دو بانده پيشنهادي با سوئيچ ترانزيستوري
٢-١ - تطبيق ورودي و تطبيق نويز
شکل ٣ مدار معادل سيگنال کوچک ترانزيستور ورودي زماني که MSW1 خاموش و روشن است را نشان ميدهد. هنگامي که MSW1 در حالت خاموش است مدار در فرکانس ٥.٢ گيگاهرتز عمل ميکند و امپدانس ورودي LNA مطابق شکل ٢الف خواهد بود در نتيجه داريم .
در نتيجه Gm و Cgs ، ترا رسانايي و کاپاستيانس ترانزيستور ورودي فرکانس هاي مدار خواهند بود.
[٧] در نتيجه امپدانس نويز بهينه برابر خواهد بود با
که در آن پارامتر α مقداري برابر واحد ترانزيستورهاي کانال بلند دارد و کاهش آن وابسته به کاهش ميزان عرض کانال است .δ يک مقدار ثابت است که ميزاني برابر ٤.٣ ميزان عرض کانال خواهد داشت . پارامتر γ نيز داراي مقدار واحد در 0=VDS و ٣.٢ در حالت اشباع کاري با ترانزيستورهاي کانال بلند دارد.
C نيز برابر 0.395j- براي ادوات کانال بلند است .
شکل ٣ الف مدار معادل سيگنال کوچک ترانزيستور ورودي در فرکانس ٥.٢ گيگاهرتز
شکل ٣ ب مدار معادل سيگنال کوچک ترانزيستور ورودي در فرکانس ٢.٢ گيگاهرتز
از (١) و (٢) شرايط تطبيق نويز ورودي برابر است با
از (٣) داريم که بخش حقيقي zopt,H بايستي برابر قسمت موهومي امپدانس ورودي و قسمت موهومي و zopt,H بايست موهومي مزدوج باشند.
زماني که MSW1 روشن است LNA در باند فرکانس ٢.٤ گيگاهرتز عمل ميکند و امپدانس ورودي برابر است با:
که Ct مجموع کاپاسيتانس هاي Cex+Cgs در پايه گيت ترانزيستور ورودي M١ است . و L... فرکانس کاري مدار است . به طور مشابه ، امپدانس نويز بهينۀ برابر است
