بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی تقویت کننده کم نویز با توان مصرفی پایین جهت کاربرد های فراپهن باند
چکیده
در سال های اخیر تکنولوژی فراپهن باند به جهت داشتن نرخ انتقال بالای داده و توان مصرفی پایین، توجه جوامع علمی را به خود جلب کرده است. تقویت کننده کم نویز فراپهن باند به عنوان یکی از اجزای اساسی گیرنده، نقش مهمی در عملکرد کل سیستم دارد. بدون شک طراحی این مدارات با توان مصرفی پایین، که به طور همزمان دارای پارامترهای مداری بهینه باشد؛ از چالش های اساسی در مخابرات فرکانس بالا به شمار می رود .
در این مقاله با بهره گیری از ساختار جریان بازیابی شده، یک مدار تقویت کننده کم نویز فراپهن باند با توان مصرفی پایین در تکنولوژی CMOS 0.18µm و در فرکانس3.1-10.6GHz ارائه شده است. این مدار پارامترهای مطلوب طراحی نظیر بهره بالا، نویز کم، تطبیق امپدانس مناسب در ورودی و خروجی، پایداری وخطینگی مناسب درکل پهنای باند را داراست.توان مصرفی در مدار پیشنهادی 8mW و ولتاژ تغذیه برابر 1.8V می باشد.
کلمات کلیدی: تقویت کننده کم نویز، فراپهن باند، CMOS
1. مقدمه
تقویت کننده کم نویز یکی از اجزای اصلی و اولین بلوک گیرنده RF می باشد؛ که هدف اصلی آن تقویت سیگنال دریافتی ازآنتن با افزودن حداقل نویز است.[1] این مدارات به عنوان نخستین طبقه فعال در گیرنده، نقش مهمی را در عملکرد کلی سیستم ایفا می کنند.[2]
از طرفی با پیشرفت تکنولوژی نیاز به سیستم های ارتباطی بی سیم با سرعت بالا به طور قابل ملاحظه ای افزایش داشته است. این امر تکنولوژی UWB را به دلیل داشتن سرعت انتقال بالا، به یکی از موضوعات مورد علاقه پژوهشی تبدیل کرده است.[3] تکنولوژی فراپهن باند در فوریه سال 2002 توسط کمیته ارتباطات فدرال امریکا تائید، ومجوز استفاده از آن در رنج طیفی 3.1-10.6 GHz و با محدودیت سطح توان -41.3dB/MHz صادر گردید.[4] قابلیت هایی نظیر توان مصرفی کم و هزینه پایین، فراپهن باند را به یکی از موضوعات مهم در ارتباطات مایکروویو تبدیل کرده است. [5] توان پایین این سیستم ها،امکان کارکرد همزمان با دیگر سیستم های معمول باند باریک را فراهم می آورد.[6] همچنین پهنای باند بسیار زیاد تائید شده توسط FCC، برقراری ارتباط در نرخ داده بسیار بالا را ممکن می سازد. .[7]
در سال های اخیر ساختار های متفاوتی جهت طراحی تقویت کننده کم نویزفراپهن باند به کار گرفته شده اند؛ که هدف آنها بهبود پارامتر های طراحی می باشد. با توجه به اینکه تقویت کننده کم نویز به عنوان بخشی کلیدی در گیرنده های RF محسوب می شود، طراحی این طبقه حاصل تعامل بین تطبیق امپدانس ورودی و خروجی، عدد نویز کمینه، بهره مناسب، خطینگی بالا و ایزولاسیون مناسب بین ورودی و خروجی تقویت کننده می باشد. علاوه براین، به دلیل توان مصرفی پایین سیستم های قابل حمل، بهینه سازی پارامترهای ذکر شده پیچیده تر است. کاهش تلفات توان در این سیستم ها سبب دوام بیشتر و طولانی تر باتری می گردد. همچنین در کاربردهایی مانند اندازه گیری پزشکی از راه دور، توان مصرفی نقش قابل توجهی را ایفا می کند. [8]
تا کنون روش های متفاوتی برای کاهش توان مصرفی در تقویت کننده های کم نویز ارائه شده است. از جمله آن ها می توان به بایاس مستقیم بدنه ترانزیستور ماسفت، تکنیک gm تقویت شده و ساختار های متفاوت جریان بازیابی را نام برد.[9] می توان گفت که ساختار جریان بازیابی شده در طراحی تقویت کننده کم نویز با توان مصرفی پایین، نسبت به سایر ساختار ها دارای محبوبیت بیشتری است. اگرچه ممکن است تلفیقی ازاین ساختار با تکنیک های دیگر نیز به کار برده شود. در ادامه مروری بر طراحی های تقویت کننده کم نویز با توان مصرفی پایین، خواهیم داشت.
مرجع[10]، مدار LNA فراپهن باند را با استفاده از ساختار بایاس مستقیم بدنه و جریان بازیابی شده در تکنولوژی CMOS 0.18µm ارائه کرده است. با توجه به اینکه ساختار بایاس مستقیم بدنه ولتاژ آستانه ترانزیستور را کاهش می دهد؛ می تواند در کاهش توان مصرفی مدار مفید واقع شود.مراجع[11] و [12] ساختار جریان بازیابی شده را با تکنیک خنثی سازی نویز ادغام کرده اند. تکنیک خنثی سازی نویز برای حذف منبع نویز غالب که توسط اولین ترانزیستور تولید می شود، به کارگرفته شده است.در مرجع [13] دو تقویت کننده کم نویز با توان مصرفی کم و تکنیک inter stage ارائه شده است. می توان این تکنیک رابه صورت دو طبقه تقویت کننده آبشاری در نظر گرفت. هردو مدار طراحی شده در این مرجع دارای عملکرد یکسان بوده و تنها تفاوت آن ها در شبکه تطبیق ورودی می باشد. در مرجع[14] مجددا به منظور دستیابی به توان مصرفی پایین ،ساختار جریان بازیابی شده انتخاب شده است.در مرجع[15] ترکیب جریان بازیابی شده با ساختار فیدبک مقاومتی مشاهده می شود. مقاومت فیدبک RF2 در این ساختار نقش دوگانه ای را ایفا می کند. زیرا از یک طرف فیدبک طبقه دوم مدار را بر عهده دارد ، و از طرف دیگر تطبیق امپدانس خروجی را فراهم می کند. می توان نتیجه گرفت که با وجود بهره پایین، ساختار خودبایاس مدار و طراحی باولتاژ تغذیه پایین سبب کاهش در توان مصرفی مدارگردیده است. مرجع[16] ساختاری مشابه مدار مرجع[15] دارد. این مداردارای ساختار جریان دوباره بازیابی شده آبشاری می باشد. تفاوت عمده در این ساختاربا مدار قبل این است که ولتاژ گیت مستقلی برای بایاس ترانزیستور طبقه دوم قرار داده شده است.در این مقاله برای مقایسه اثر سلف های LG2 و LD2 بر بهره و عملکرد پارامترهای تقویت کننده ، به هر کدام دو مقدار متفاوت اختصاص داده شده است.
یکی از روش های افزایش ترارسانایی مدار ودر نتیجه کاهش توان مصرفی، استفاده از کوپل ضربدری خازنی می باشد. طراحی مرجع[17] بر همین اساس استوار است. مدار پیشنهادی از یک طبقه گیت مشترک به همراه دو طبقه تقویت کننده کسکود، برای افزایش بهره توان استفاده شده است. دو تقویت کننده سورس فالوور نیزبه عنوان بافر با ترانزیستور های M7 وM8 در مدار وجود دارند. تکنیک کوپل ضربدری خازنی علاوه بر کاهش توان ، سبب کاهش نویز نیز می گردد .تقویت کننده کم نویز پیشنهادی در مرجع [18] از دوطبقه تشکیل شده است. اول تقویت کننده اینورتر که از ترانزیستورهای NMOS وPMOS تشکیل شده است.و طبقه دوم شامل یک مرحله کسکود برای تقویت سیگنال می باشد. به منظور دستیابی به تطبیق امپدانس ورودی فراپهن باند، دوشبکه فیدبک منفی اضافه شده است. اول فیدبک موازی خازنی که توسط خازن گیت – درین و امپدانس ورودی تقویت کننده طبقه دوم ایجاد شده است. این فیدبک عمدتاجهت تطبیق امپدانس فرکانس پایین وافزایش بهره کاربرد دارد. دوم فیدبک سری سلفی است که از ترانس TF استفاده شده است. این فیدبک برای تطبیق امپدانس فرکانس بالا و بهره در مدار قرار داده شده است. در مرجع [19] از دو طبقه تقویت کننده با ساختار آبشاری جریان بازیابی شده استفاده شده است. طبقه اول در باند فرکانسی پایین وطبقه دوم این مدار در باند فرکانس بالایی عمل رزونانس را انجام می دهد. می توان دریافت که کاهش توان مصرفی در این مدار نتیجه استفاده از ساختار جریان بازیابی شده می باشد. در مرجع[20] یک تقویت کننده فراپهن باند با توان مصرفی پایین و بهره بالا در فرکانس 3.1-10.6GHz ارائه داده است. در طبقه اول ساختار فیدبک موازی مقاومتی متصل به بار LC موازی مورد استفاده قرار گرفته است؛ که در این صورت تطبیق ورودی پهن باند و NF پایین را به طور همزمان ارائه می دهد. با اعمال ساختار اصلاح شده آبشاری جریان بازیابی شده و تکنیک بایاس مستقیم بدنه در طبقه دوم، LNA می تواند ولتاژ تغذیه و توان مصرفی را کاهش داده و بهره و ایزولاسیون معکوس مناسبی را در اختیار قرار دهد. از آنجا که ولتاژ VB مستقیما به بدنه ترانزیستورهامتصل شده است، ولتاژ آستانه ترانزیستورهای M1-M3 را کاهش می دهد؛وسبب بهبود توان مصرفی مدار خواهد شد. در مرحله پایانی مدار ازیک مدار سورس فالوور به عنوان بافر استفاده شده که امپدانس خروجی 50Ω را ارائه می دهد . مرجع [21] یک ساختار پایه ای برای ساختارجریان بازیابی شده ارائه می دهد. در این طرح تطبیق پهنای باند ورودی توسط فیلتر بالاگذر ساده فراهم شده است. می توان نتیجه گرفت که با وجود استفاده از ساختار جریان بازیابی شده، تعدد المان های سلف در مدار توان مصرفی و عدد نویز را نسبت به سایر طراحی ها افزایش داده است.مرجع [22] با طرحی ساده ، مدار تقویت کننده کم نویز کم توان خود را ارائه کرده است. ساختار کلی این مدار استفاده از یک تقویت کننده سورس مشترک بافیدبک مقاومتی می باشد. دراین مدار تطبیق ورودی توسط مقاومت فیدبک ایجاد شده است.
2. ساختار جریان بازیابی شده
یک راه موثر جهت کاهش توان مصرفی درمدارات تقویت کننده کم نویز، استفاده از ساختار جریان بازیابی شده می باشد. در این روش به جای استفاده از چند طبقه مجزا، طبقات روی هم قرار داده می شوند؛ تا توان مصرفی کل مدار کاهش یابد. معمولا تکنیک های استفاده از جریان بازیابی شده متفاوت می باشد و با توجه به کاربرد مورد نظر در مدار پیاده سازی می شوند. از روش های متداول جریان بازیابی می توان به گیت مشترک، سورس مشترک، معکوس کننده1 و ساختار فیدبک مقاومتی در ورودی اشاره کرد؛ که درادامه مورد بحث قرار می گیرند[12]
در ساختار جریان بازیابی شده گیت مشترک، یک تقویت کننده سورس مشترک روی طبقه گیت مشترک ورودی قرار می گیرد. طبقه اول این مدار باعث ایجاد تطبیق امپدانس مطلوب در ورودی خواهد شد. سیگنال خروجی طبقه اول از طریق مدار LC سری وارد گیت طبقه دوم شده تا ترانزیستور طبقه دوم ساختار سورس مشترک داشته باشد. . بنابراین طبقه دوم بهره کل را افزایش می دهد. با استفاده از این توپولوژی، پهنای باند، بهره بالا و توان مصرفی پایین حاصل می شود. بهره بالا نتیجه ساختار آبشاری تقویت کننده های گیت مشترک و سورس مشترک می باشد.در این مقاله از این ساختار بهره گرفته شده است. شکل((1 قسمت (الف) این ساختار را نشان می دهد.
در توپولوژی جریان بازیابی شده سورس مشترک، سیگنال ورودی به گیت ترانزیستور طبقه اول اعمال می شود.در این روش ، سیگنال توسط هردو طبقه سورس مشترک تقویت می شود. شکل((1 قسمت (ب) استفاده از این ساختار را نشان می دهد. نوع دیگری از ساختار جریان بازیابی شده استفاده از مدار معکوس کننده می باشد. در این ساختار از تقویت کننده گیت مشترک در ورودی مدار استفاده شده است. طبقه دوم این ساختار را ترانزیستور PMOS، به عنوان تقویت کننده معکوس کننده و به منظورتقویت ترارسانایی طبقه ورودی، تشکیل می دهد. این تکنیک علاوه بر بازیابی جریان، باعث افزایش بهره و کاهش نویز مدار می گردد. درشکل((1قسمت(ج) استفاده ازمدار معکوس کننده نشان داده شده است.
شکل1 ساختار جریان بازیابی شده (الف)گیت مشترک، (ب)سورس مشترک، (ج)معکوس کننده
تکنیک دیگر ساختار جریان بازیابی شده با استفاده از مدار معکوس کننده نشان داده شده در شکل((2قسمت (الف) می باشد. در این روش از زوج مکمل NMOS/PMOS در ورودی مدار استفاده می شود. این در حالی است که هردو ترانزیستور در حالت سورس مشترک عمل می کنند. [12]
شکل)2الف)ساختار جریان بازیابی شده با استفاده از زوج NMOS/PMOS، (ب) جریان بازیابی فیدبک مقاومتی، (ج)مدارمعادل سیگنال کوچک
معمولا برای بهبود پارامترهای مداری از مقاومت فیدبک RF استفاده می شود؛ که درشکل((2قسمت(ب)نشان داده شده است. تقویت کننده جریان بازیابی مقاومتی، ترارسانایی مدار را تقویت کرده و با بازیابی جریان dc، موجب کاهش توان مصرفی مدار می گردد. همچنین این ساختار ترانزیستورها را در ناحیه اشباع، و با ولتاژ تغذیه حداقل قرار می دهد. در این حالت دو ترانزیستور NMOS و PMOS با همان جریان بایاس، ترارسانایی معادل را از مقدار gmmin به gmn+gmp افزایش می دهند؛ که بهره ولتاژ بالاتری را نتیجه می دهد. همچنین با انتخاب مقادیر بزرگ برای مقاومت RF می توان عدد نویز را کاهش داد. شکل((2 قسمت(ج)، مدار معادل سیگنال کوچک روش جریان بازیابی مقاومتی را نشان می دهد. بهره ولتاژ، عدد نویز و امپدانس ورودی این ساختار به صورت زیر می باشد:[23]
3. تقویت کننده کم نویز طراحی شده
.1-3 تطبیق ورودی
تقویت کننده های کم نویز معمولا جهت مقاومت ورودی 50Ω طراحی می شوند. این پارامتر انتخاب ساختار های LNA را با محدودیت هایی مواجه کرده است .[2] از این رو تطبیق مناسب در ورودی بدون تخریب نویز بسیار دشوار است. در این بخش مقایسه ای بین روش های معمول در بحث تطبیق ورودی تقویت کننده کم نویزدر جدول((1نشان داده شده است.[24]
در این مقاله از ساختار گیت مشترک در طبقه ورودی مدار استفاده شده است. امپدانس ورودی تقویت کننده گیت مشترک برابر است با:
که در آن ro مقاومت دینامیکی خروجی، RL مقاومت بار و gm هدایت انتقالی ترانزیستور می باشد. به دلیل آنکه L o می باشد، امپدانس ورودی برابر 1/gm خواهد بود.بهره ولتاژ گیت مشترک نیز از رابطه زیر محاسبه می گردد:
برای مقابله با مشکل اصلی ساختار گیتمشترک در فرکانسهای بالا که همان مصرف بالای توان است؛ می توان از یک راه حل مداری استفاده کرد و آن نیز استفاده از فیلتر یک یا چند درجه در ورودی مدار است. نمای مداری این ایده ومدار معادل سیگنال کوچک آن در شکل((3نشان داده شده است.
شکل3 (الف) تطبیق در ورودی با استفاده ازمدار گیت مشترک، (ب) مدار معادل آن
. 2-3 ساختار و عملکرد مدار طراحی شده
ساختار جریان بازیابی شده دارای مزایایی چون توان مصرفی پایین، بهره بالا و ایزولاسیون معکوس مناسبی می باشد .[25] شکل(LNA(4 فراپهن باند طراحی شده با توان مصرفی پایین را نشان می دهد.
