بخشی از مقاله
چکیده - نوع جدیدی از اسیلاتور کلاس-C در این مقاله معرفی میشود که به دلیل ویژگیهای شکل موج ولتاژ اصلاح شده آن، عملکرد بهتری از لحاظ نویزفاز نسبت به اسیلاتورهای کلاس-B و کلاس-C دارد. اصلاح شکل موج، به وسیلهی تانک دارای دو سلف و خازن انجام میگیرد که در فرکانس اصلی و دوبرابر آن تنطیم شده اند. عملکرد بهتر این طراحی ناشی از کلیدزنی ترانزیستورهای زوج اتصال-ضربدری در زمان کوتاهتر و همچنین ISF بهتر حاصل میگردد. نتایج شبیهسازی بهبود نویزفاز به میزان 2/5 db را در شرایط برابر نسبت به اسیلاتور کلاس-C معمولی نشان میدهند. این شبیهسازیها با استفاده از تکنولوژی 0/18µm کمپانی TSMC انجام گرفتهاند.
-1 مقدمه
فناوریهای بی سیم امروزه به جزئی لاینفک از زندگی بشر تبدیل شدهاند. اسیلاتورها از اجزای مهم در زنجیرهی معماری-های فرستنده/گیرندگی هستند. نویزفاز یکی از مشخصههای تعیین کننده در عملکرد اسیلاتورها است. همواره مصالحهای میان توان مصرفی و نویزفاز اسیلاتورها وجود دارد[1] و تلاش-های بسیاری تا به امروز برای دستیابی به نویزفاز کمتر در توان مصرفی برابر صورت گرفته است .[7-2]
تکنیکهای متعددی برای کاهش نویز فاز اسیلاتورهایی که از زوج اتصال-ضربدری بهره میگیرند وجود دارد، از جملهی بارزترین آنها میتوان به تکنیک فیلتر کردن نویز دنباله [2] و شکلدهی جریان دنباله [6] اشاره کرد. در سالیان اخیر گونههایی اسیلاتورهای LC معرفی گردیدهاند که به نام کلاسهای مختلف شناخته میشوند.
ویژگی بارز اسیلاتور کلاس-C که در مرجع [8] معرفی شده است، پالسهای بلند جریان و قطع بودن ترانزیستورهای زوج اتصال-ضربدری در بیشتر زمانهای یک تناوب است و به این ترتیب نویز فاز را تا 3/9 dB نسبت به اسیلاتور کلاس-B معمولی در توان مصرفی برابر بهبود میبخشد.
از دید دیگر، این اسیلاتور مصرف توان را بیش از 50% در نویز فاز برابر کاهش میدهد.[8] راهکار دیگری که اخیراً برای کاهش نویزفاز به آن پرداخته شده است، بهرهگیری از هارمونیکهای مراتب بالاتر به منظور شکل دهی ولتاژ نوسان و بهبود تابع حساسیت ضربه برای اسیلاتور اتصال-ضربدری است. این ایده ابتدا در [5] و استفاده شد و اَشکال بهبودیافتهتر آن در [9] و [7] با عنوان اسیلاتور کلاس-F مطرح شده است.
گونهای از طراحی جدید اسیلاتور با نویزفاز کم که در این مقاله به آن پرداخته شده است در کلاس-C جای میگیرد و در آن از تانک دارای دو فرکانس تشدید استفاده شده است. لذا ولتاژ نوسان آن سینوسی دارای تک فرکانس نیست بلکه حاوی مولفه دوم فرکانسی نیز خواهد بود و به این ترتیب منجر به کاهش نویز فاز نسبت به کلاس-C معمولی میگردد. هرچند افزودن مولفه-های فرکانسی به ولتاژ نوسان اصلی لزوماً منجر به بهبود نویز فاز نمیگردد و شرایطی لازم است که در ادامه به آن پرداخته شده است.
در ادامه و در بخش 2 ابتدا مروری بر اسیلاتورهای کلاس-B و-C معمول و نویزفاز آنها خواهد شد، سپس در بخش 3 شکل-موج مطلوب برای عملکرد بهتر مورد برسی قرار خواهد گرفت و تانک پیشنهادی معرفی میگردد. در بخش 4 اسیلاتور پیشنهادی و ویژگیهای آن بررسی میشود و سپس با مدارهای معمول مورد مقایسه قرار خواهد گرفت. بخش 5 نیز به نتیجهگیری اختصاص دارد.
-2 نویز فاز در اسیلاتورهای کلاس-B و کلاس-C
اسیلاتور کلاس-B که مدار آن در شکل 1 دیده میشود، از یک زوج ترانزیستور اتصال-ضربدری و یک تانک تشکیل شده است. زوج اتصال -ضربدری به صورت متناوب جریان دنباله را کلیدزنی میکند و جریان مربعی با عبور از تانک LC که پاسخ فرکانسیاش در فرکانس L1C1 f 1 / دارای پیک تشدید است، مطابق شکل 2 ولتاژ سینوسی را درخروجی تولید میکند.
رابطهی نویز فاز به کمک روش حاجیمیری برای اسیلاتور کلاس B در [10] به صورت معادلهی - 1 - استخراج گردیده است: نشده باشد و کماکان به صورت منبع جریان عمل کند. لذا نمی-توان دامنهی نوسان را به هر اندازه زیاد کرد تا به نویزفاز بهتر رسید. در شکل 3 مدار اسیلاتور کلاسC- نیز دیده میشود. در این اسیلاتور بایاس گیت ترانزیستورها از منبع بیرونی تامین میگردد و خازن بزرگی نیز موازی منبع جریان دنباله قرار میگیرد.
به این ترتیب ترانزیستورها در زمانهای کمتری از هر دورهی تناوب روشن اند. شکل موج جریان همانند تقویتکنندههای توان کلاس-C از پالسهای باریکی تشکیل شده است که در کسری از نصف دورهی تناوب واقع میشوند. این جریان در امپدانس تانک LC ضرب میشود و ولتاژ خروجی را میسازد که سینوسی است. این موضوع در شکل 4 بهتصویر کشیده شده است.
در رابطهی فوق PDC توان مصرفی DC، همچنین T ,rms و M ,rms به ترتیب مقادیر موثر توابع حساسیت ضربهی تانک و ترانزیستورها هستند. V و I نیز به ترتیب بازدهی ولتاژ و بازدهی جریان هستند. همانگونه که دیده میشود بازدهی جریان بالاتر منجر به نویزفاز کمتر خواهد شد، پس چگونگیِ هدایت ترانزیستورهای زوج اتصال-ضربدری که شکل موج جریان را تعیین میکند نیز در نویزفاز موثر است. هرچه زاویهی هدایت ترانزیستورها کوچکتر باشد، نسبت دامنهی مولفهی هارمونیک اصلی به اندازهی DC جریان مقدار بیشتری خواهد بود و لذا نویزفاز کمتر خواهد شد. این یکی دیگر از دلایل برتری نویزفاز اسیلاتور کلاس-C بر سایرین است.
در رابطه - 2 - گاما تابعی متناوب به نام تابع حساسیت ضربه - ISF - است که در مرجع [11] معرفی گردیده است. این تابع تعیین میکند که منابع نویز مدار اسیلاتور با چه وزنی به نویزفاز در خروجی تبدیل میشوند و لذا هرچه rms کوچکتر باشد، نویز فاز نیز کمتر خواهد بود. چون تانکهای هر دو اسیلاتور کلاس-C و کلاس-B و همینطور شکل موجهای خروجی مشابه- اند، بنابراین برای هر دو در دامنهی یکسان مشابه خواهد بود و از این نظر بر یکدیگر برتری ندارند.
