بخشی از مقاله
خلاصه:
در این مقاله یک تقویتکننده کم نویز - LNA - با پهنای باند وسیع، بدون استفاده از سلف، برای کاربردهای WiMAX بر مبنای تکنولوژی 0/18میکرومتر CMOS طراحی شده است. تطبیق امپدانس مناسب در ورودی و خروجی تقویت کننده در محدوده فرکانسی وسیع، فاکتور نویز پایین و بهره مناسب تقویتکننده به همراه مصرف توان پایین و همچنین یکنواختی بهره در باند فرکانسی قابل استفاده WiMAX از چالشهای مهم طراحی بلوک تقویتکننده کمنویز به شمار میروند.
در این طراحی از تکنیک حذف نویز در ساختار گیت مشترک جهت کاهش فاکتور نویز تقویتکننده استفاده شده است. همچنین سلف فعال را به این دلیل که اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا و مساحت روی تراشه کمی را اشغال میکند، به ساختار LNA مورد نظر اضافه نموده تا باعث بالا بردن بهره و کمتر شدن تغییرات بهره در پهنای باند مورد نظر شود. قابل ذکر است که این تقویتکننده قابل استفاده در تکنولوژی 0/18 میکرومتر CMOS، دارای بهره سیگنالی بین 17/2-18 dB، عدد نویز dB 0/8-1/2و S11< -9 و S21<-45 در پهنای باند کاربردی WiMAX می باشد، همچنین از منبع 1/8 v تغذیه میکند.
- 1 مقدمه
سرعت پیشرفت تکنیکهای طراحی مدارهای RF CMOS در سالهای اخیر امکان مجتمعسازی همه عناصر یک فرستنده گیرنده را بر روی یک تک تراشه میدهد. همچنین پیشرفت سریع تکنولوژی ارتباطی، ناشی از بهبود عملکرد سیستمهای ارتباطی از نظر، امکان کارکرد در فرکانسهای بالاتر و پهنای باند بیشتر - مانند سیستم های UWB و - WiMAX که منجر به افزایش نرخ انتقال داده سیستمهای مخابراتی میشود. این پیشرفتها ضرورت وجود ارتباطات بیسیم و عرضه سیستمهای ارتباطی نسل چهارم - 4G - و همچنین ارائه سرویسهای مختلف ابزارهای ارتباطی را ایجاب میکند.
WiMAX یک تکنولوژی ارتباطات از راه دور است، که به خانواده IEE802.16 تعلق دارد. نرخ تبادل اطلاعات تا 70Mbps در پهنایباند 20MHz را فراهم میکند، که نسبت به UWB سطح پوشش بزرگتری را ایجاد میکند.[1] یکی از استانداردهای معرفی شده WiMAX، استاندارد IEEE 802.16e میباشد که به عنوانWiMAX سیار شناخته میشود، که میتواند در کامپیوترهای کیفی و در محدوده فرکانسی 2 تا 6 گیگا هرتز مورد استفاده قرار گیرد. این باند فرکانسی به سه زیر باند کوچکتر:2/5 - 1 تا 2/9، 3/4 - 2 تا 3/6 ، 5/2 - 3 تا 5/9 تقسیم شده است. تقویتکننده کمنویز - LNA - جزء حتمی گیرندهی بیسیم برای فراهم کردن بهره کافی، تطبیق ورودی و خروجی پهنای باند و عدد نویز کم - NF - مورد نیاز است. علاوه بر این، محدودیتهای عمر باتری طراحان را مجبور کرده تا LNAهای بسیار کم توان را عرضه کنند.
در این مقاله، یک LNA پهنباند با تکنولوژی CMOS طراحی شده است. این LNA یک تقویتکننده گیت مشترک را برای تطبیق ورودی در طبقه اول بکار میبرد، که تطبیق ورودی مطلوبی را ارائه - داده است. و عددنویز پایینی را بدست آورده است4]،5،7،.[8 در ساختار 4] ،[8 از سلف L سری با گیت ترانزیستور استفاده شده، تا با خازنهای پارازیتی رزونانس کرده و باعث کاهش تغییرات بهره و بالا بردن آن شود. LNA پهنباند دیگری با به کارگیری روش حذف نویز در 3]،[2 بیان شده است. قابل توجه است که در این دو مقاله از به کارگیری سلف در ساختار LNA صرفنظر شده است. که در نتیجه عدم استفاده از سلف در طراحی باعث کاهش سطح اشغال شده توسط تراشه میشود.
با توجه به کارهای ارائه شده قبلی 4]،5،[8 در این مقاله سلف L2 سری با ورودی طبقه Mn3 را به ساختار LNA مورد نظر اضافه نموده تا با خازنهای پارازیتی ورودی Mn3 رزونانس کرده و باعث کمتر شدن تغییرات بهره در پهنای باند مورد نظر شود. اما با توجه به عدم وجود سلفهای غیر فعال با ضریب کیفیت Q بالا در پروسههای پیشرفته CMOS در ساختار پیشنهادی، به جای استفاده از سلف غیر فعال از سلف فعال بدلیل ، اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا استفاده شده است. که به معنی سایز کوچکتر و هزینه کمتر است. در نتیجه یک LNA پهن باند بدون سلف با بهره و نویز مطلوب در پهنای باند کاربردی WiMAX طراحی شده است.
بخش2 با معرفی مدار LNA مورد نظر شروع میشود. در بخش - 2 الف و-2ب تکنیکهای به کار رفته در مدار LNA بیان شده است. و در بخش -2ج طراحی مدار LNA پیشنهادی با سلف شرح داده شده و نتایج حاصل از شبیهسازی در بخش -2د و نتیجه گیری در بخش 3 آورده شده است.
- 2 مدار LNA پیشنهادی
هدف اصلی این کار دستیابی به CMOS LNA با ویژگیهای بهره یکنواخت، سایز کوچک و نویز پایین است. برای دستیابی به LNA با ویژگیهای بیان شده، دو تکنیک به کار برده شده است . تکنیک حذف نویز و تکنیک باز استفاده از جریان برای مدار بررسی و مورد تحلیل قرار گرفته شده است. مدار شکل 1 توپولوژی LNA با تکنیک حذف نویز مورد نظر را نشان میدهد. ترانزیستور گیت مشترک طبقه اول، شبکه تطبیق ورودی میباشد. ساختار Ma3 یک تقویتکننده CS است، که امپدانس ورودی آن بدلیل Cgs بزرگ میباشد. بنابراین امپدانس ورودی مدار در فرکانسهای پایین وابسته به Ma1 میباشد. نویز ناشی از شبکه تطبیق CG زیاد است، بنابراین مدار حذف نویز جهت حذف نویز و بالا بردن بهره بعد از طبقه CG قرار میگیرد. ورودی با استفاده از Ma1 تطبیق یافته است. شرایط تطبیق را می توان با رابطه زیر بیان کرد.
الف- تکنیک حذف نویز در LNA
LNA با تکنیک حذف نویز در شکل 1 نشان داده شده است5]،.[3 مدار حذف نویز شامل دو تقویتکننده Ma2 و Ma3 با ساختار سورس مشترک میباشد. دو گره X و Y در ساختار شکل 1 مشخص شدهاند. با توجه به اینکه مدار شبکه تطبیق یک تقویتکننده CG میباشد، سیگنالهای ولتاژ در دو گره X وY علامت یکسان دارند یا همفاز می-باشند. ولتاژ نویز را در گره ورودی X و گره خروجی Y نسبت به زمین بررسی میکنیم. سیگنال ورودی به صورت خط ممتد و نویز حرارتی با خطی نقطه چین در شکل مشخص شدهاند. سیگنال ورودی در طبقهی خروجی افزوده شده است. اگر جریان نویز ترانزیستور Ma1 را In,Ma1 در نظر بگیریم. این جریان دو ولتاژ نویز لحظهای را در گرههای X و Y با علامتهای مخالف یا 180 درجه اختلاف فاز ایجاد میکند. ولتاژ گره Y توسط Ma2 به جریان تبدیل شده است و با جریان خروجی طبقه سورس مشترک Ma3 - که ضریبی از ولتاژ گره X است - مقایسه میشود. با داشتن شرط زیر مقایسه دو جریان منجر به حذف نویز در خروجی میگردد.
با طراحی درست gmn2 و gmn3 نویز ایجاد شده با Ma1 را می توان در خروجی حذف کرد. بهره ولتاژ Av تقویتکننده از رابطه زیر بدست می آید:
ب- تکنیک باز استفاده از جریان
LNA پیشنهاد شده با تکنیک حذف نویز در شکل 2 نشان داده شده است، که در آن PMOS Mp2 با NMOS Mn1 در طبقه گیت مشترک به هم پیوسته شدهاند و باعث حذف اعوجاج درجه دوم می شود. جریان بایاس DC ایجاد شده در Pmos-Nmosهم مجدداً مورد استفاده قرار گرفته و تغییرات ولتاژی را بهبود میدهد. معادل AC گره درین Mn1 و Mp2 در فرکانس سیگنال بواسطه خازن کوپلینگ C2 و C3 حاصل می شود. در فرکانس سیگنال RF و مقادیر کمتر از آن، C2 و C3 باعث کوتاهتر شدن دو گره شده و مدار حاصل تفاوتی با مدار نشان داده شده در شکل 1 ندارد. از طرف دیگر ، برای فرکانسهای بسیار کمتر از RF ، C2 و C3 مسیری با امپدانس بالا بین دو گره درین بوجود آورده و LNA را به دو تقویتکننده گیت مشترک جداگانه تبدیل میکند. در اینجا امپدانس ورودی و هدایت انتقالی - - gm شکل 1 و 2 با هم مقایسه شده است. ورودی با استفاده از - شکل Ma1 - 1 یا Mn1 //Mp2 - شکل - 2 تطبیق یافته است. شرایط تطبیق را میتوان با فرمول زیر چنین نوشت:
IMa1 جریان جاری از Ma1، IMP2 جریان جاری از Mp2 وIMn1 جریان جاری از Mn1 است.
شکل :2 شماتیک مدار LNA پیشنهاد شده [5]
این روش همواری گین کاهش مییابد. برای حل این مشکل بار القایی L1 را با بار مقاومتی سری میکنیم. اگر چه بار القایی گین را تا حدودی افزایش میدهد، اما همچنان برای بدست آوردن یک گین یکنواخت کافی نمیباشد، چون طراحی یک سلف بر روی تراشه که اندوکتانس بالایی داشته باشد و بتواند کاهش گین را جبران کند مشکل است. میتوان با اضافه کردن سلف L2 سری با ورودی طبقه M3، - شکل - 3 باعث کمتر شدن تغییرات بهره شد و با بهینه کردن سلف میتوان بهره بزرگتر و یکنواختی با پهنای باند بزرگ را، بدست آورد.
شکل :3 مدار LNA پیشنهاد شده با سلفهای اضافه شده
اما با توجه به اینکه سلفهای مارپیچ روی تراشه، سلفهای غیر فعال مناسبی میباشند ولی به علت تلفات مقاومتی و خازنهای پارازیتیک نمیتوان سلفهایی با اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا بدست آورد. برای برطرف کردن این معایب در این کار از سلفهای مارپیچی - غیر فعال - صرفنظر کرده و از سلفهای فعال جهت بهبود عملکرد تقویتکننده در محدوده وسیع فرکانسی استفاده شده است، که علاوه بر افزایش گین در فرکانسهای بالا موجب یکنواختی گین هم میشوند. شکل 4 مدار LNA پیشنهادی با استفاده از سلف فعال را نمایش میدهد. سلفهای فعال که با ترانزیستور ساخته میشوند به علت اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا و مساحت روی تراشه کم بسیار مورد توجه میباشند. این سلفها ساختار معروف ژیراتور هستند که امپدانس خروجی آنها خصوصیات سلفی بارزی را نشان میدهد.
ج- استفاده از سلف فعال در مدار LNA پیشنهادی
شکل 2 مدار LNA پیشنهادی را نشان میدهد. این ساختار مشکل پایین بودن گین و همچنین کاهش گین در فرکانسهای بالا را نشان میدهد.
