بخشی از مقاله
خلاصه
اتصال تمامی اشیاء فیزیکی به اینترنت با کمک تجهیزات الکترونیکی، نرم افزارها، سنسورها و سیستمهای شبکهای، به منظور جمعآوری، تجزیه، تحلیل و تبادل دادهها، اینترنت اشیاء - IoT - نامیده میشود. با پیشرفتهای سریع در زمینه حسگرها، شبکه حسگر بیسیم - WSN - تبدیل به یک فناوری محبوب برای اینترنت اشیاء - IoT - شده است. یکی از اساسیترین اجزای شبکه حسگر بیسیم - WSN - ، تقویتکننده کمنویز - LNA - میباشد. پایین بودن توان مصرفی در تقویتکننده کمنویز یکی از مهمترین ملزومات شبکههای حسگر بیسیم میباشد.
در این مقاله یک تقویتکننده کمنویز فرکانس رادیویی با پهنای باند باریک، بدون استفاده از سلف بر روی تراشه، در فناوری CMOS 0,18 P پیشنهاد شده است که به صورت گیت مشترک با استفاده از روش فیدبک موازی ارائه میشود. فیدبک موازی، شرایط مطلوبی را برای تنظیم میزان مقاومت ورودی LNA فراهم میکند؛ در نتیجه gm ترانزیستور کمتر شده و تلفات توان کاهش مییابد.
همچنین در طراحی ترانزیستورهای اصلی مرحله تقویت کننده از روش DCCC به منظور بهبود بازده موثر ترانزیستورها استفاده میشود. این کاهش gm که در اثرجریان مصرفی کم بدست آمده است، موجب کاهش توان مصرفی ترانزیستور میگردد . مشخصات تقویت کننده در محدوده فرکانسی2,4GHz بررسی شده است و نتایج حاصل از شبیه سازی نشان میدهد که تقویت کننده کم نویز پیشنهاد شده دارای بهره 18.2 dB، عدد نویز 3.38 dB و IIP3 معادل با -4.32 dBm است. این تقویتکننده که از ولتاژ 1 V تغذیه میشود دارای توان مصرفی 967 Z میباشد.
-1 مقدمه
شبکههای حسگر بیسیم - WSN - یکی از مهمترین فناوریهایی هستند که در سالهای اخیر برای پیکرهبندی اینترنت اشیاء - IoT - بسیار مورد توجه قرار گرفته و در زمینههای مختلفی کاربرد دارند. این زمینه ها عبارتند از: نظارت بر سلامت، اتوماسیون صنعتی و نظارتهای امنیتی.[1] مبتنی بر استاندارهای شبکه حسگر بیسیم - WSN - ، مانند استاندارد ieee 802.15.4، لازم است این سیستمها نیازهایی از جمله سادگی، قیمت کم، توان مصرفی پایین را برآورده کنند. طراحی این تقویت کنندهها باید به شکلی باشد که بتواند برای چندین ماه و یا چندین سال کار کند.
اکثر مدارهای مبتنی بر استاندارد ZigBee بر اساس کار با باتری طراحی شدهاند. مهمترین چالش در طراحی اینگونه شبکهها کاهش توان مصرفی میباشد تا بتواند برای چندین سال با استفاده از یک باتری کار کند . استاندارد ieee 802.15.4 مجوز استفاده از سه باند فرکانسی 860 Mhz،920 Mhz، 2400 Mhz را ارائه میکند.[2] در این استاندارد، برای شبکه حسگر بیسیم - WSN - در اکثر موارد از فرکانس 2.4 Ghz در سرتاسر جهان استفاده میشود.
مدارهای معمولی LNA برای پشتیبانی از باند فرکانسی 2.4 Ghz از چندین سلف استفاده میکنند.[3-5] استفاده از سلف موجب میشود ابعاد مدار و هزینه ساخت آن افزایش یابد. از سوی دیگر، LNA های کمتوان بدون القاگر، قادر نیستند محدودیت باند باریک و نویز کم را ارائه دهند.[6] بنابراین طراحی چنین مدارهای کم هزینهای که با وجود توان مصرفی کم دارای ابعاد کوچک و بهره ولتاژ بالا هستند بسیار چالش برانگیز است.
LNA، به عنوان اولین بلوک در گیرنده، باید تطبیق امپدانس خوب، بهره ولتاژ بالا و محدودیت نویز را در سراسر باند فرکانسی ایجاد نماید. علاوه بر این، برای کاربردهای حساس و کم هزینه، LNA های به شدت خطی، کم حجم و کم توان مورد نیاز است. در این مقاله، LNA گیت مشترک بدون سلف با استفاده از روش فیدبک موازی ارائه شده است. فیدبک موازی، درجه آزادی جدیدی برای تنظیم میزان مقاومت ورودی LNA فراهم میکند؛ در نتیجه gm ترانزیستور کاهش بیشتری مییابد که باعث کاهش تلفات توان میشود.
همچنین در طراحی ترانزیستورهای اصلی مرحله تقویت کننده از روش DCCC به منظور بهبود بازده موثر ترانزیستورها استفاده میشود. این کاهش gm که در اثرجریان مصرفی کم بدست آمده است، موجب کاهش توان مصرفی ترانزیستور میگردد. همچنین، در طراحی مدار از روش بهبود پهنای باند برای پشتیبانی از باند 2,4GHz ISM استفاده میشود. این مدار از باندهای فرکانسی دیگر، ازجمله استاندارد ZigBee و همچنین استانداردهای بی سیم مختلف مانند WLAN، GSM، DECT، بلوتوث، وای فای و GPS پشتیبانی میکند.
-2 مروری بر تقویت کنندههای مرسوم بدون سلف
تقویتکنندههای معمولی که بدون هیچگونه القاءگری موجب افزایش ولتاژ و تطبیق امپدانس ورودی میشوند، تقویت کننده متداول مقاومتی - R-CS - ، تقویتکننده با فیدبک موازی - SFB - و تقویتکننده گیت مشترک - CG - میباشند - شکل. - 1 تقریبا اکثر مدارهای LNA براساس یکی از این ساختارها و یا ترکیبی از آنها هستند.[9-7] در شکل 1-b مدار تقویتکننده سورس مشترک با استفاده از مقاومت RT، تطبیق امپدانس ورودی را فراهم میکند و مصرف توان به حداقل میرسد.
در این مدارنویز حرارتی مقاومت RT باعث افزایش شدید نویز خروجی میشود که برای کاربردهای شبکه حسگر بیسیم - WSN - قابل استفاده نیست. شکل 1-a تقویتکننده با فیدبک موازی - SFB - را نشان میدهد. در این مدار، امپدانس بازخورد، تطبیق امپدانس واقعی را در ورودی فراهم میکند. در این مدار تطبیق امپدانس ورودی از طریق بهره ولتاژ LNA به دست میآید.
اصلیترین نقطه ضعف آرایش SFB ، تضعیف امپدانس خروجی میباشد که در اثر موازی شدن مقاومت خروجی با مقاومت فیدبک ایجاد میگردد - . - RFIIRL همچنین مقاومت فیدبک موجب کاهش میزان بهره ولتاژ تقویتکننده نیز میگردد. بنابراین، برای دستیابی به بهره ولتاژ بالا، مقدار gm بزرگتر مورد نیاز است، در نتیجه توان DC مدار افزایش مییابد. برای جدا کردن خروجی از امپداس فیدبک در مقاله 11]،[10، نویسندگان مسیر فیدبکی از سورس پیشنهاد دادهاند. اگر چه در این حالت نواقص برطرف میشود، ولی مسیر بازخورد نیاز به مصرف انرژی اضافی دارد که برای ساخت مدار کمتوان مناسب نیست.
مدار گیت مشترک اولیه در شکل 1-c نشان داده شده است. امپدانس ورودی مدار گیت مشترک برابر با مقدار امپدانس پایه سورس - - 1/gm میباشد. بنابراین بهره ولتاژ و تطبیق امپدانس ورودی با مقدار gm ترانزیستور تنظیم میشود. از آنجا که ولتاژ ورودی مدار CG کمتر از مدار SFB است، شرایط خطیتری نسبت به مدار SFB نشان میدهد.
در دسترس بودن ترمینال گیت نیز یکی از مزیتهای این نوع آرایش است که باعث کاهش توان مصرفی میگردد. در واقع، برای عملکرد صحیح مدار، این گره نیازی به ولتاژ خالص DC ندارد .[6] بنابراین مدار CG به دلیل دستیابی به کمترین توان مصرفی، نسبت به مدارهای دیگر ترجیح داده میشود. همچنین رابطه امپدانس ورودی نشان میدهد که مدار، مچینگ پهن باند مناسبی ارائه میکند.
