بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک اسیلاتور تزویج ضربدری توان پایین با منبع جریان دنباله طراحی شده است. برای کاهش توان، این طراحی با تکنولوژی FinFET 7nm LSTP انجام شده است و همچنین از روش های کاهش Vdd ، کاهش فرکانس خروجی اسیلاتور، بکارگیری Vth های مختلف و تکنولوژی SOI برای این منظور استفاده و تاثیر هر یک از این عوامل بررسی شده است. از سویی برای کاهش نویز فاز اسیلاتور از روش فیلترینگ نویز منبع جریان دنباله استفاده شده است.
توان تلفاتی در این مقاله نسبت به نمونه های مشابه دیگر و کارهایی که تابحال انجام شده است بیش از 90 درصد کاهش یافته است. شبیه سازی با HSPICE و در تکنولوژی FinFET 7nm LSTP با ولتاژ منبع تغذیه 0.7 volt انجام شده است؛ دامنه پیک تا پیک ولتاژ نوسانی خروجی 0,82 ولت ، فرکانس نوسان خروجی 3.9 GHz ، توان تلفاتی حدود 30nwatt و نویز فاز اسیلاتور -112.57 dBc/Hz در آفست 1 MHz میباشد.
.1 مقدمه
نوسانسازها جزء جداییناپذیر بسیاری از سیستمهای الکترونیکی هستند. یک نوسان ساز الکتریکی، مدار الکتریکی است که اغلب به شکل یک موج سینوسی یا یک موج مربعی سیگنال الکتریکی تکرارشونده نوسانی تولید میکند. نوسانسازها جریان مستقیم - DC - را از منبع تغذیه به سیگنالی با جریان متناوب تبدیل میکنند. نوسانسازها به طور گسترده در بسیاری از دستگاههای الکترونیکی استفاده میشوند.
کاربردهای آن تولید ساعت در ریزپردازندهها تا سنتز فرکانس حامل در تلفن های سلولی و فرستندههای رادیو و تلویزیون، علامت زمانسنجی که ساعتهای کامپیوترها و کوارتزها را تنظیم میکنند و صدای تولید شده توسط بازی های ویدیویی را در برمیگیرد که نیاز به توپولوژیهای متفاوتی از نوسانسازها با درجات متفاوتی از کارایی دارند.
شکل -1 بلوک دیاگرام یک فرستنده – گیرنده ساده
در این مقاله در ابتدا به منظور انتخاب یک ساختار ایده آل از جهت پارامترهای مهم در کارکرد یک اسیلاتور به تحلیل و بررسی اسیلاتور های تزویج ضربدری میپردازیم. در ادامه پس از ارائه ساختار پیشنهادی ، با توجه به اینکه هدف، طراحی یک اسیلاتور توان پایین است؛ ضمن پیاده سازی ساختار در سه تکنولوژی RF_CMOS 180nm ، FinFET 16nm LSTP و FinFET 7nm LSTP توان مصرفی را مورد قیاس قرار می دهیم. در انتها با مقایسه نتایج حاصل ، یک ساختار اسیلاتور پیشنهاد می شود که در عین حال که توان پایینی دارد ، نوساناتی با نویز فاز کمتر ، دامنه پیک تا پیک و فرکانس خروجی مناسب تولید می کند.
در بین انواع نوسانسازهای CMOS، نوسانساز LC به عنوان مناسبترین انتخاب جهت استفاده در نوسانسازهای کنترل شونده با ولتاژ که در حلقههای قفل فاز و سنتزکنندههای فرکانس برای ساخت نوسانساز محلی سیستمهای مخابراتی به کار میروند، شناخته شده است. در نوسانسازهای LC به علت خاصیت فیلتری شبکه LC، مولفههای نویز خارج از باند گذر فیلتر میشوند. به عبارت دیگر نویز فاز یک نوسانساز LC تا حدود زیادی وابسته به ضریب کیفیت آن است و هر چه ضریب کیفیت شبکه LC بیشتر باشد، پاسخ فرکانسی نوسانساز در حوالی فرکانس رزونانس دارای تغییرات شدیدتر بوده و در نتیجه دنبالههای ناشی از نویز فاز کمتر میباشد
این نوسانسازها در کنار مزایایی که دارند، دارای معایبی نیز میباشند. یکی از معایب نوسانسازهای LC نسبت به دیگر نوسانسازها، بالا بودن هزینه ساخت آنها به دلیل وجود سلفهای یکپارچهای است که بر روی تراشه ساخته میشوند و به دلیل این که سطح زیادی را بر روی تراشه اشغال میکنند، هزینه ساخت زیادی را متحمل میشوند. نکتهای که در اینجا قابل ذکر است این است که با پیشرفت تکنولوژی و امکان پیاده سازی نوسانسازهای با فرکانس بالاتر، سلفهای کوچکتری مورد نیاز خواهند بود و شدت این مشکل را کاهش میدهند. مقایسهای بین خواص نوسانسازهای CMOS صورت گرفته است که در جدول1 نشان داده شده است.
جدول - 1 مقایسه ساختارهای مختلف نوسان سازهای [2] CMOS
.2 بررسی و تحلیل نوسان ساز های تزویج ضربدری و ارائه مدل پیشنهادی
برای ورود به بحث تزویج ضربدری ابتدا به بررسی تقویت کننده های تنظیم شده می پردازیم. به عنوان مثال مداری با ساختار شکل2 را در نظر بگیرید. ابتدا به بررسی پاسخ فرکانسی آن می پردازیم و فرض میکنیم در آن C کل ظرفیت خازنی دیده شده از سر خروجی باشد و R نیز مقاومت معادل تانک در فرکانس تشدید است. با توجه به ساختار تانک میدانیم که در فرکانس های پایین امپدانس غالب مربوط به سلف است. لذا داریم:
در فرکانس تشدید تانک نیز اثر امپدانس سلفی و خازنی حذف گردیده و بار غالب مقاومتی می باشد:
و در فرکانس های بالا نیز اثر خازن غالب می باشد:
شکل : 2 تقویت کننده تنظیم شده
با توجه به شکل 3 که پاسخ فرکانسی تقویت کننده تنظیم شده می باشد و معیارهای بارک هاوزن مشاهده میشود که با یک طبقه از این تقویت نمیتوان نوسانساز ساخت؛ چون کل تغییر فاز در هیچ فرکانسی برابر 360o نمیشود، ولی بهره gmR در فرکانس o کافیست. برای ایجاد اسیلاتور فقط لازم است که تغییر فاز را در فرکانس تشدید به 360o برسانیم.
شکل : 3 پاسخ فرکانسی
