بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله طراحی و شبیهسازی یک تقویتکننده کمنویز پهن باند در بازه بسامدی 100 مگاهرتز تا 3000 مگاهرتز گزارش شده است. طراحی این تقویتکننده از این دیدگاه انجام شد که امکان ساخت آن بر روی مدار چاپی با عناصر مجزا - مدار غیر مجتمع - وجود داشته باشد. . در طراحی LNA مذکور از یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی سیلیکون-ژرمانیم کمنویز و پهنباند به نام BFP740، استفاده شد.
ساختار کلی تقویتکننده به صورت امیتر مشترک انتخاب شد و با استفاده از روش پسخورد منفی، بهرهای به مقدار میانگین 18,5 دسیبل با تغییرات قله به قله حدود 0,6 دسیبل بدست آمد. یک شبکه تطبیق LC که به کمک نرمافزار ADS بهینه شده است، برای رساندن تلفات بازگشتی ورودی به مقدار بیش از 12 دسیبل <-12 dB - - ، قرار داده شد. بدترین عدد نویز در این بازه بسامدی حدود 1,17 دسیبل بدست آمد. منبع تغذیه مدار برابر 5 ولت و جریان نقطه کار ترانزیستور با توجه به برگه اطلاعات آن 15 میلیآمپر انتخاب شد.
-1 مقدمه
تقویتکننده کمنویز1 یا به اختصار LNA اولین بخش فعال در گیرندههای مخابراتی است. در معماری گیرنده هتروداین2، به علت اینکه بخشهای بعدی مانند میکسر3 نویز اضافه میکنند، بعد از دریافت سیگنال از آنتن و پیش از رسیدن آن به میکسر از یک تقویتکننده کمنویز برای تقویت سیگنال استفاده میشود.[1] از ملاحظات طراحی یک LNA میتوان بهره مناسب، عدد نویز4 پایین، پایداری، توان مصرفی کم، خطسانی5 مطلوب و اشغال سطح کمتر بر روی مدار چاپی - یا تراشه - را نام برد که دستیابی به این اهداف به صورت همزمان چالشهایی را به همراه دارد.
از دیدگاه عملکرد بسامدی، LNAها به سه دسته قابل تقسیم هستند؛ LNAهای باند باریک، LNAهای پهنباند6 یا به اختصار WLNAs و LNAهای چند بانده7 که خود به دو گروه همزمان8 و غیر همزمان9 تقسیم میشوند. WLNAها برای یک گستره بسامدی خاص طراحی و ساخته میشوند. در این مقاله طراحی و شبیهسازی یک تقویتکننده کم-نویز در پهنای باند 100 تا 3000 مگاهرتز ارائه میشود.
در بخش دوم برخی کارهای انجام شده در طراحی تقویتکننده پهنباند معرفی و بررسی میشوند. در بخش سوم برخی ترانزیستورهای مناسب برای بسامد بالا بررسی و مقایسه میشوند. در بخش چهارم ساختار مدار ارائه شده در این مقاله بررسی میشود و نتایج شبیهسازی نیز ارائه میشوند. و در انتها یک نتیجهگیری کلی از این کار در بخش پنجم ارائه میشود.
-2 برخی روشهای متداول طراحی WLNA
در طراحی WLNA ملاحظات گوناگونی مانند تخت بودن بهره، عدد نویز پایین، تطبیق ورودی مناسب وجود دارند که باید به صورت همزمان برآورده شوند. روشهای مختلفی برای این منظور ارائه شدهاند. یکی از این ساختارها آرایش سورس - امیتر - مشترک است. وجود بار مقاومتی در درین ترانزیستور در این ساختار به همراه خازنهای موجود در درین، موجب افت در بهره و کاهش پهنای باند پاسخ بسامدی میشود .[4] قرار دادن یک خودالقا به طور سری با این مقاومت باعث جابهجا شدن پاسخ بسامدی و افزایش پهنای باند میشود.
این ساختار سورس مشترک با بار خودالقایی یا اوج دهندگی موازی3 نامیده میشود معمولا ساختار سورس - امیتر - مشترک به تنهایی برای یک تقویتکننده پهنباند کارآمد نیست. یک ساختار رایج دیگر در LNAهای پهنباند، ساختار گیت - بیس - مشترک است که تطبیق امپدانس پهنباند در ورودی آن آسانتر از ساختار سورس مشترک میباشد .[5] در [6] یک نوع LNA تک طبقه به صورت گیت مشترک با هدف افزایش خطسانی ارائه شده است. اما بهره حاصل بیشتر از 1 dB تغییرات دارد. روش دیگر پسخورد4 منفی است که نوع موازی مقاومتی آن در شکل شکل - 1 - دیده میشود.
پسخورد منفی در تقویتکنندههای پهنباند با هدف فراهم کردن بهره تخت و کاهش 1VSWR ورودی و خروجی استفاده میشود .[3,7] همچنین استفاده از آن باعث افزایش پایداری تقویتکننده میشود .[3,8] تقویت-کننده ارائه شده در [7] از دو طبقه ترانزیستوری تشکیل شده است، در طبقه دوم این تقویتکننده که ساختار سورس مشترک دارد، از پسخورد موازی مقاومتی جهت افزایش پهنای باند و تخت شدن بهره، استفاده شده است. مرجع [9] یک تقویتکننده تفاضلی2 را پیشنهاد داده است و با ترکیب پسخورد مقاومتی و روش حذف نویز، به تطبیق ورودی پهنباند، خطسانی و عملکرد نویزی خوب دست یافته است.
در [6]،[7] و [9] عدد نویز از 2 دسیبل بیشتر است. در این کار با انتخاب ترانزیستور کمنویز و خودداری از قرار دادن مقاومت در ورودی، عدد نویز کمتر از 2 دسیبل گردید. در [10] تنها با یک طبقه و استفاده از پسخورد منفی، بهرهای نسبتا تخت از بسامد 100 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز به دست آمده است. در کار حاضر نیز از روش پسخورد منفی در ساختار امیتر مشترک استفاده شده است.
در مقایسه با [10] به ازای پهنای باند بزرگتر، بهره بیشتر با تغییرات - ریپل - تقریبا یکسان و همچنین عدد نویز کمتر بدست آمد. در ضمن در این کار به کمک یک شبکه تطبیق LC ساده در ورودی، تلفات بازگشتی ورودی به مقدار مطلوبی - S11<-12 dB - رسید. گروه دیگر LNAها تقویتکنندههای متعادل3 هستند. در این گروه دو ترانزیستور مشابه مورد استفاده قرار میگیرند و ورودی هر دو به یک تزویجکننده نود درجه4 متصل است. تقویتکننده متعادل برای تطبیق امپدانس در پهنای باند زیاد، در مقایسه با برخی روشهای دیگر عملکرد بهتری دارد، البته پهنای باند تزویجکننده، خود یک عامل محدودکننده است.
از اشکالات آن پیچیدگی زیاد به علت داشتن دو تزویجکننده - در ورودی و خروجی - ، و نیاز به دو ترانزیستور مشابه میباشد. همچنین مصرف توان، نسبت به تقویتکننده تنها - تک ترانزیستور - دو برابر میشود اما بهره تغییری نمیکند. از ویژگیهای آن این است که در صورت از کار افتادن یکی از ترانزیستورها، مدار همچنان کار میکند و تنها اثر آن افت 6 دسیبل در بهره میباشد .[3] استفاده از شبکههای تطبیق دو عنصری، شبکههای و T و همچنین فیلترهای غیرفعال5 مانند چبیشف6، از روشهای تطبیق امپدانس در LNAها است. در [11] از یک فیلتر چبیشف مرتبه 2 با هدف تطبیق امپدانس ورودی و کاهش عدد نویز استفاده شده است.
مرتبه پایین فیلتر، سادگی طراحی و کوچکتر بودن آن را به همراه دارد، اما این شیوه در پهنای باند زیاد نیازمند استفاده از عناصر بیشتر و در نتیجه افزایش سطح اشغال شده و افزایش درصد خطای ساخت است. در تقویتکننده حاضر با توجه به کم بودن بسامد در ابتدای بازه بسامدی، یعنی 100 مگاهرتز، استفاده از خطوط ریزنوار7 و یا تزویجکنندهها - تقویتکننده متعادل - فضای زیادی را اشغال میکند. درضمن همانطور که گفته شد، با توجه به بزرگی پهنای باند کسری امکان استفاده از تطبیق با ریزنوار یا استاب8های موازی که ابعاد ثابتی دارند و برای یک بسامد مشخص طراحی میشوند، وجود ندارد.
