بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله یک تقویتکننده توزیعشده کم نویز در باند - 12- 18 GHz - Ku با استفاده از تکنولوژی 180 نانومتر CMOS، ارائه شدهاست. با استفاده از ساختار بالاگذر در خط خروجی و ساختار پایینگذر در طبقات میانی، از خاصیت ضرب پاسخ فرکانسی پایینگذر در بالاگذر برای دستیابی به پاسخ فرکانسی میانگذر در باند Ku استفاده شدهاست. تکنیک کاهش نویز در این مقاله بر اساس حذف مقاومت پایانی خطوط انتقال بین طبقات است.
با این ایده، عدد نویز ساختار پیشنهادی کمتر از ساختارهای متداول شدهاست. بمنظور هموارسازی پاسخ فرکانسی از یک سلف سری در طبقه دوم برای ایجاد پیک در محلی که بهره کمینه است، استفاده کردهایم. تکنیک ارائه شده با استفاده از تکنولوژی 180 نانومتر CMOS شبیهسازی شدهاست. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که تقویتکننده دارای عدد نویز بین 2/7 تا 3 دسی بل به ازای بهره میانگین 20/6 dB است. همچنین توان مصرفی تقویتکننده مورد نظر به همراه مدار بایاس طراحی شده برای آن، برابر 40 mW میباشد.
.1 معرفی
مدارهای پهن باند کاربردهای مهمی در شاخههای مختلف از جمله لینکهای با سرعت بالا، سیستمهای تصویربرداری و سیستمهای باند وسیع رادیویی دارند. همچنین حجم انتقال اطلاعات بصورت مستقیم با پهنای باند متناسب است، در نتیجه، سیستمهای پهن باند قادرند در بازه زمانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای باند باریک منتقل کنند . از طرفی بهره و پهنای باند نمیتوانند بطور همزمان افزایش یابند، در نتیجه این دو کمیت در طراحی تقویتکننده دارای مصالحه شدیدی هستند
تعداد زیادی از طراحان، روشهای متنوعی برای افزایش پهنایباند تقویت کنندهها ابداع کردهاند. پهنای باند زیاد و مقاومت ذاتی تقویتکنندههای توزیعشده در برابر تغییرات پروسه، نسبت به سایر تقویتکنندهها منجر به استفاده از این ساختار شدهاست
تقویتکنندههای توزیعشده از دو خط انتقال در درین و گیت، ساخته شدهاند. کارآیی پایین تقویتکنندههای توزیعشده متداول* اساسا بدلیل بهره پایین آنها است که بهره طبقات بجای ضرب شدن در هم، با هم جمع میشوند .[2] همچنین این تقویتکنندهها کارایی نویز متوسطی دارند. اخیرا بسیاری از طراحان مداراتی برای بهبود بهره مانند تقویتکننده توزیعشده جند طبقه کسکید [3]، تقویتکننده توزیعشده ماتریسی، تقویتکننده توزیعشده تک طبقه کسکید [4]، ارائه دادهاند.
در مرجع [2] یک تقویتکننده توزیعشده پایینگذر که ترکیبی از ساختارهای CDA و CSSDA است، ارائه شدهاست. یک ساختار CSSDA بین دو ساختار CDA برای تقویت بهره کلی قرار گرفته است. این ایده بهره، پهنای باند، توان خروجی و تطبیق خوبی را ارائه میدهد اما مساحت تراشه بزرگ و توان مصرفی بالایی دارد. هر چند بهره بسیار افزایش یافته است، اما بدلیل طولانی شدن خطوط انتقال و زیاد شدن عناصر مداری، تلفات در خط افزایش یافته و نویز کلی مدار همچنان نامطلوب و بالا است.
در این تقویتکننده توزیعشده پایینگذر که از خطوط انتقال پایینگذر استفاده شدهاست، بهره بالایی بدست میآید. استفاده از خطوط انتقال بالاگذر در تقویتکنندههای توزیعشده فواید بسیاری از جمله فرکانس کاری بالاتر و ایزولایسون بین سلولهای تقویت بهره دارد .[5] یک DA میانگذر با استفاده از خطوط انتقال بالاگذر در [6] ارائه شدهاست. استفاده از خطوط انتقال بالاگذر موجب کاهش تلفات در خط و فرکانس کاری بالاتر شدهاست و از آنجاییکه به مدارات بایاس درین اضافی نیاز ندارد، لذا برخلاف LPDA فضای اشغالی کمتری دارد. با این حال بدلیل مکانیسم جمعشوندگی بهره، این DA نیز دارای بهره پایینی است.
در این مقاله توپولوژی حذف مقاومتهای پایانی در خطوط میانی برای کاهش نویز ارائه شدهاست. بمنظور افزایش همواری در پاسخ فرکانسی نیز از یک سلف رزونانس سری استفاده شدهاست. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که نویز مدار پیشنهادی دارای 4 دسی بل کمتر از مدارات در شرایط مشابه است. در یخش بعدی ساختار تقویتکننده توزیعشده پیشنهادی ارائه شدهاست. در بخش 3 تکنیک افزایش همواری در پاسخ فرکانسی و در بخش 4 نتایج شبیه سازیها ارائه شدهاست. در نهایت در بخش 7 نتیجهگیری بیان خواهند شد.
.2 ساختار تقویتکننده توزیعشده پیشنهادی
در شکل1 نمای کلی ساختار پیشنهادی بهمراه شبکه تطبیق میانی طبقات دوم و سوم بطور کامل رسم شدهاست. ساختار آبشاری را بعنوان ساختار اصلی انتخاب کردیم. این ساختار، بهترین گزینه برای افزایش بهره است، زیرا بهره طبقات در هم ضرب میشوند و خاصیت ضربشوندگی دارد. برای دستیابی به پاسخ فرکانسی میانگذر در باند Ku از فیلتر میانگذر بصورت مستقیم استفاده نشدهاست.
با استفاده از ساختار بالاگذر در خط خروجی، و ساختار پایینگذر در طبقات میانی، از خاصیت ضرب پاسخ فرکانسی پایینگذر در بالاگذر استفاده، و ساختار میانگذر حاصل شدهاست. بدلیل مجزا بودن خط انتقال هر طبقه، انباشتگی خازن در طول خط کاهش مییابد. نتیجه کاهش خازن در خط، دستیابی به بهره هموار و پهنای باند بیشتر است. ایده بر مبنای حذف مقاومتهای پایانی Rg2 و Rg4 در شبکههای تطبیق میانی بمنظور کاهش نویز و نیز اضافه کردن سلف L2 برای هموار کردن پاسخ فرکانسی است. با اجرای این دو ایده میتوان طرح نهایی مدار پیشنهادی را بصورت شکل 4 نشان داد. منبع تغذیه مدار، 1/55 ولت و طول L کانال ترانزیستورها با توجه به تکنولوژی مورد استفاده، 180 نانومتر تعیین کردیم.
شکل -1 ساختار پیشنهادی قبل از بکارگیری ایدههای مطرح شده
طبقه اول بیشترین سهم نویز را در بین طبقات دارد. بنابراین در طراحی تقویتکننده کم نویز، طبقه اول به کمینه عدد نویز* و طبقات بعدی به بیشینه بهره تطبیق داده میشوند. برای طبقه اول یک ساختار سورس مشترک و برای طبقات بعدی از ساختار کسکود استفاده شدهاست. ساختار سورس مشترک نسبت به کسکود نویز کمتری دارد. بمنظور ایزولاسیون بین ورودی و خروجی و خطینگی بهتر از ساختار کسکود در طبقات دوم و سوم استفاده شدهاست. در ساختار کسکود در حالت عدم حضور سلف Lm1، یک گره میانی در محل اتصال درین ترانزیستور سورس مشترک M2 با سورس ترانزیستور گیت مشترک M4 وجود دارد و قطبی که همراه آن است در فرکانسهای بالا این گره را زمین کردهاست.
همچنین برای طبقه سوم و سلف Lm2 این شرایط برقرار است. در نتیجه جریان نویزی ترانزیستور بالایی بطور کامل در داخل آن چرخش نخواهد داشت و مسیری برای ظاهر شدن در گره خروجی مییابد. با قرار دادن این سلفها قطبهای بوجود آمده به فرکانسهای بالاتر انتقال مییابند. در مرحله بعدی طراحی، باید مقادیر سلف، خازن و مقاومت در خط تعییین شود. طبقات میانی در تطبیق ورودی و خروجی تاثیری ندارند. شبکه تطبیق میانی در طبقات دوم و سوم بصورت شکل 22 است.
