بخشی از مقاله
چکیده
دسته خاصی از مدارهای تقویتکننده که به منظور انتقال بهینه توان متوسط از منبع تغذیه به بار در مدارهای مجتمع امروزی مورد استفاده قرار میگیرند، به تقویتکنندههای توان معروفند. به طور کلی، این مدارها در آخرین بخش از زنجیره مداری یک تقویتکننده کلی در انتقال سیگنال از ورودی به خروجی قرار گرفته و نکته اساسی در طراحی این مدارها توجه به راندمان انرژی است. در همین راستا، تقویتکننده RF نوعی تقویتکننده الکترونیکی مورد استفاده برای تبدیل سیگنال فرکانس رادیویی کم قدرت به سیگنالی با دامنه بزرگتر جهت ارسال از طریق آنتن فرستنده میباشد.
عملکرد تقویتکنندههای قدرت معمولا با دو پارامتر راندمان و بازدهی ارزیابی میشوند. با درنظر گرفتن دو پارامتر مذکور، در این مقاله انواع روشها برای تقویتکنندههای توان مورد بررسی قرار گرفته و یک مدار جدید برای افزایش راندمان ارائه شده است. بر همین اساس، محاسبات تئوری برای المانها توضیح داده شده و پس از محاسبات لازم، طراحی سیستم با استفاده از نرم افزار Cadence Spectre بر مبنای تکنولوژی 0.18 ʽm TSMC CMOS و ولتاژ تغذیه 1/8 ولت در سطح ترانزیستور انجام شده تا تقویتکنندهای با توان 3dBm و راندمان %55 بدست آید. همچنین نتایج حاصل از Layout مدار در نرم افزار Cadence تجزیه و تحلیل شده است.
.1 مقدمه
مهندسی الکترونیک به عنوان یک حرفه از پیشرفتهای فنی در صنعت تلگراف در قرن 19 و صنایع رادیو و تلویزیون در قرن 20 حاصل شد. مردم به رادیو به خاطر جاذبه فنیاش که همانا دریافت و سپس انتقال اطلاعات بود، به سرعت علاقهمند شدند. شاخه جدید مهندسی الکترونیک تا حد زیادی از پیشرفت تلفن، رادیو، تجهیزات تلویزیون و مقدار زیادی از توسعه سیستمهای الکترونیکی در طول جنگ جهانی دوم از جمله رادار، سونار، سیستمهای ارتباطی و مهمات پیشرفته و سیستمهای جنگ افزاری حاصل شد.
در مدت این سالها این موضوعات به عنوان مهندسی رادیو شناخته میشدند و تنها در اواخر دهه 1950 استفاده از واژه مهندسی الکترونیک آغاز شد. در همین هنگام آزمایشگاههای الکترونیک - برای نمونه آزمایشگاه بل در ایالات متحده آمریکا - ایجاد شدند و با استفاده از کمک هزینههای شرکتهای بزرگ صنایع رادیو، تلویزیون، و دستگاههای تلفن، شروع به تولید سلسله پیشرفتهایی در الکترونیک کردند. در سال 1948 ترانزیستور روی کار آمد و در سال 1960، مدارهای مجتمع انقلابی در صنعت الکترونیک برپا کردند .[1] در انگلستان موضوع مهندسی الکترونیک به صورت رشتهای مجزا از مهندسی برق به عنوان مدرک دانشگاهی در حدود سال 1960 اعلام شد.
یکی از مهمترین بلوکهای سازنده مدارهای مجتمع امروزی، مدارهای تقویتکننده میباشند. یک تقویت کننده الکترونیکی وسیلهای برای افزایش توان سیگنال میباشد. این بلوک شکل سیگنال ورودی را حفظ کرده اما دامنه آن را بزرگتر میکند و عملکرد آن برخلاف یک مدار تضعیفکننده میباشد که در آن سیگنال ورودی با دامنهای کوچکتر در خروجی ظاهر میشود. سادهترین شکل یک مدار تقویتکننده، همان ترکیبهای چند طبقه ترانزیستوری میباشند که بسته به نوع کاربرد میتوانند به صورت تک خروجی و یا دیفرانسیلی طراحی شوند. یک آپ امپ، مثالی از یک تقویتکننده دیفرانسیلی چند طبقه میباشد.
دسته خاصی از مدارهای تقویتکننده که به منظور انتقال بهینه توان متوسط از منبع تغذیه به بار در مدارهای مجتمع امروزی مورد استفاده قرار میگیرند، به تقویتکنندههای توان معروفند. به طور کلی، این مدارها در آخرین بخش از زنجیره مداری یک تقویتکننده کلی در انتقال سیگنال از ورودی به خروجی قرار گرفته - طبقه خروجی - و نکته اساسی در طراحی این بخش، توجه به راندمان انرژی است. امروزه با پیشرفت فناوری ارتباطات، طراحی این مدارها از اهمیت بیشتری برخوردار گشته و سبب ایجاد شاخه جدیدی از بحث تقویتکنندهها موسوم به تقویتکنندههای توان RF در صنعت مخابرات گشته و همگام با پیشرفت فناوری مدارات مجتمع، چالش-های جدیدی را پیش روی طراحان الکترونیکی قرار داده است.
مهمترین کاربردهای تقویتکننده توان RF شامل راهاندازی یک منبع توان بالا، راهاندازی آنتن فرستنده و تحریک رزوناتورهای حفرهای مایکروویو میباشند. در این میان، راهاندازی آنتن فرستنده به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته و دلیل این امر این است که گیرنده - فرستنده نه تنها برای کاربردهای صوتی و ارتباطات دادهها، بلکه برای سنجشهای آب و هوایی در قالب یک رادار نیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. پس در ابتدا لازم است که مروری بر مخابرات و سیستمهای مخابراتی داشته باشیم.
ساختار کلی مقاله را بشرح زیر سازماندهی کردیم. در بخش دوم کارهای قبلی را توضیح میدهیم. در بخش سوم، تقویت کننده توان را توضیح خواهیم داد. در بخش چهارم، مدل پیشنهادی را توضیح میدهیم. در بخش پنجم، ارزیابی و نتایج مدل پیشنهادی را نرمافزار Cadence Spectre نشان میدهیم و نهایتا در بخش ششم به نتیجهگیری خواهیم پرداخت.
.2 تقویتکننده توان
این تقویتکنندهها دسته خاصی از مدارهای الکترونیکی هستند که به منظور انتقال بهینه توان متوسط از منبع تغذیه به بار در مدارهای مجتمع امروزی مورد استفاده قرار میگیرند. به طور کلی، این مدارها در طبقه خروجی یک مدار تقویتکننده کلی قرار می-گیرند و نکته اساسی در طراحی آنها، توجه به راندمان انرژی است. عمده کاربردهای این مدارات در تقویتکنندههای توان صوتی، RF و نیز در کنترلرهای سروو موتورها میباشند. تأکید اصلی در این مقاله بر روی تقویتکنندههای RF میباشد. یک تقویتکننده RF در قسمت فرستنده از یک سامانه مخابره بیسیم و درست در بخش نهایی آن قبل از آنتن قرار گرفته و وظیفه اصلی آن فراهم نمودن توان بالا برای سیگنال ارسالی میباشد. پس در مطالعه این دسته از تقویتکنندهها با فرکانسهای کاری بالا سروکار داریم. ولی پیش از مطالعه رفتار فرکانس بالای این تقویتکننده، ابتدا لازم است تا به صورت مختصر با کلاسهای کاری تقویتکنندههای توان آشنا شویم.
در عمل، تقویتکنندههای توان را با کلاس کاری آنها طبقهبندی میکنند. مدارهای تقویتکننده توان آنالوگ بسته به کاربرد آنها در یکی از کلاسهای کاری A، B، AB و C و برای طرحهای سوئیچینگ در یکی از کلاسهای کاری D و E طبقهبندی میشوند. مهم-ترین فاکتور دستهبندی در این زمینه زاویه هدایت ترانزیستور و بیانی بهتر، چرخه کاری تقویتکننده است که کلاس کاری آن را تعیین مینماید. به عنوان مثال، اگر تقویتکننده در تمام سیکل کاری روشن باشد، زاویه هدایت 360 درجه و اگر در نصف چرخه کاری روشن باشد، زاویه هدایت برابر 180 خواهد بود. بر این اساس، رابطه مستقیمی بین زاویه هدایت ترانزیستور و راندمان توان آن وجود خواهد داشت. نمای کلی تقویتکننده E در شکل - 1 - نمایش داده شده است که عملکرد آن بسیار شبیه به کلاس D میباشد .[17]
شکل - : - 1 نمای کلی یک تقویتکننده کلاس E
.3 مدل پیشنهادی
برای انجام شبیهسازی، ابتدا باید مدار نهایی را طراحی نماییم. در شکل - - 2، مدار تقویت کننده پیشنهادی نشان داده شده است.
شکل - : - 2 مدار تقویتکننده با درنظر گرفتن قسمت بایاس
برای مدار شکل - - 2، باید سوئینگ در گره A حداکثر باشد یعنی گین حداکثری داشته باشیم. لذا، برای این منظور باید مقاومت بار در A ماکزیمم باشد. مقاومت بار در گره A طبق معادله - - 1 تعریف شده است.
