بخشی از مقاله
خلاصه
دراین مقاله روند طراحی یک تقویتکنندهی کمنویز، کمتوان، دوطبقه سورس مشترک را ارائه میدهیم. در ساختار پیشنهادی جهت بهبود خطینگی در توان و ولتاژ تغذیهی کم، از روشهای تطبیق مشتق اصلاحشده و تغذیهی مستقیم بدنه بهره گرفته شده است. سلفهای /V، /J و خازن &H[ در طبقه سورس مشترک اول، بهمنظور ایجاد همزمان تطبیق امپدانس ورودی و نویزکم طراحی شده است. روش تغذیهی مستقیم بدنه برای کاهش ولتاژ تغذیه در طبقههای اول و دوم بهکار رفته و درنهایت منجر به کاهش توان مصرفی میشود.
طبقه دوم طراحی شده جهت بهبود خطینگی مدار، متشکل از دو ترانزیستور موازی سورس مشترک 1026 و سلف ارتقای بهره/G1 است. ترانزیستور اصلی و کمکی 02 و 03 بهترتیب در ناحیه وارونگی شدید و وارونگی متوسط تغذیه شدهاند. با حضور ترانزیستور 03 مولفههای غیرخطی مرتبه سوم جریان خروجی کاهش پیدا میکند و منجر به افزایش نقطه تداخل ورودی مرتبه سوم میگردد. نتایج شبیهسازی با استفاده از تکنولوژی CMOS 130 nm در ولتاژ تغذیه 0/6 V، تقویتکننده دارای توان مصرفی5/71mW، بهره ولتاژ بهطور متوسط 11 dB با تغییرات 1dB در باند فرکانسی5 -11 GHz، شکل نویز 0/755-3 dB در باند 3-11 GHz، تطبیق امپدانس ورودی کمتر-10 در طول کل باند فرکانسی و +5dBm IIP3 است.
.1 مقدمه
از محبوبترین فناوریها درکاربرد فرکانس رادیویی، فناوری فراپهنباند میباشد. کمیته فدرالی ارتباطهای ایالات متحده آمریکا بهطور رسمی آییننامهای را برای تکنولوژی فراپهنباند تنظیم کرده است. در این آییننامه برای کاربردهای تجاری برد کوتاه و سرعت بالا، طیف فرکانسی 3/1-10/6 *+] مشخص شده است.[1] در یک گیرنده رادیویی، بهطور معمول بعد از آنتن، تقویتکننده کمنویز قرار دارد که بر روی مشخصه کلی سیستم بسیار تأثیرگذار است.[2] طراحی این نوع تقویتکننده همواره دارای مصالحههایی بین شکل نویز، تطبیق امپدانس ورودی، توان تلفاتی، خطینگی و بهره است.
این نوع تقویتکننده به عنوان اولین بلوک یک سیستم گیرنده مخابراتی، تاثیر بهسزایی در نویز کل سیستم آنالوگ دارد و کمنویز بودن، از مشخصههای اصلی در طراحی این تقویتکننده محسوب میشود. بهطورکلی، در طراحی تقویتکننده کم نویز دستیابی همزمان تطبیق شکل نویز و امپدانس ورودی از اهداف مهم هستند[3] گسترش سیستمهای قابلحمل بیسیم، منجر به پیشرفت در مدارهای فرکانس رادیویی مجتمع شده است.
ویژگی بارز این نوع مدارها توان مصرفی کم آنها میباشد.[4] در تکنولوژی &026 در ابعاد نانومتر، بهدلیل کاهش مقدار ولتاژ تغذیه و اثرات تحرک میدان بالا، خطینگی همواره کاهش مییابد و با درنظر داشتن مبحث تداخل مدولاسیون متقابل در یک تقویتکننده، موضوع خطینگی بسیار مهم و هائز اهمیت است.[5] بهطور معمول سومین نقاط رهگیری ورودی - IIP3 - یک تقویتکننده متأثر از تلفات توانی تقویتکننده است و همواره بین ترارسانایی و باند فرکانس مصالحه هایی وجود دارد. چرا که با افزایش فرکانس، ترارسانایی یک ترانزیستور &026 کاهش پیدا میکند و بهبود نسبت &,,33 در فرکانسها بالا دچار چالشهایی میشود.[5]
طراحیهایی وجود دارد که بر روی بهبود شکل نویز، تطبیق امپدانس ورودی و خطینگی تمرکز داشتهاند[5-11]، اما قادر به ایجاد مصالحه بین پارامترهای ذکر شده با توان مصرفی کم نشدهاند و در زمینه کمولتاژ و کمتوان بودن، دارای ضعفهایی هستند. از قبیل: ساختارهای آبشاری سورس مشترک ترکیبشده با روش تطبیق مشتق اصلاح شده[5] و روش انتقال اعوجاج اکتیو[6]، ساختارهای آبشاری ورودی گیت مشترک ترکیبشده با روش حذف نویز8]،[7 و انتقال اعوجاج[9] و در نهایت روشهای فیدبک مقاومتی.11]،[10 ساختارهای آبشاری بهدلیل مصرف کمتر جریان مؤثرهستند، اما بهدلیل وجود ترانزیستور گیت-مشترک در بالای ترانزیستور سورس-مشترک، برای تغذیه دو ترانزیستور نیازمند ولتاژ تغذیه بالایی هستند و در نتیجه توان تلفاتی بالایی دارند.
روشهای فیدبک مقاومتی، از تطبیق امپدانس ورودی و پایداری خوبی برخوردار هستند، اما بهدلیل وجود فیدبک مقاومتی، بهره صاف و شکل نویز خوبی ندارند. با توجه به محدودیتهایی که در روشهای ذکر شده وجود دارد در این مقاله ساختار جدید معرفی شده است که راهحلی برای ایجاد مصالحه بین پارامترهای نویز، تطبیق امپدانس ورودی و خطینگی در ولتاژ و توان مصرفی کم است.
مدار معرفی شده متشکل از دو طبقه سورس مشترک است. طبقه اول تقویتکننده جهت دستیابی همزمان شکلنویز کم و تطبیق امپدانس ورودی در یک توان تلفاتی کم و محدود طراحی شده است. مدار پسیو بین طبقهای بهمنظور افزایش پهنای باند طراحی شده است و برای راهاندازی تقویتکننده توسط کمترین ولتاژ تغذیه از روش تغذیهی مستقیم بدنه بهره گرفته شده است. برای بهبود خطینگی مدار از روش تطبیق مشتق اصلاح شده استفاده شده است که برروی طبقه دوم تقویتکننده اعمال گردیده و متشکل از ترانزیستور اصلی 02 و ترانزیستور کمکی 0'2 است که با تغذیه مناسب دو ترانزیستور موازی مؤلفههای جریانی مرتبه سوم خروجی حذف میشوند و در نهایت IIP3 مدار افزایش مییابد.
با استفاده از تکنولوژی CMOS 130 nm، تقویتکننده طراحی شده با توان مصرفی5/71 mW در ولتاژ تغذیه 0/6 V، دارای بهره ولتاژ بهطور متوسط 11 dB با تغییرات 1dB در باند فرکانسی5 -11 GHz است. مقدار شکل نویز به دست آمده 0/755-3 dB در باند 3-11 GHz بوده و تطبیق امپدانس ورودی طول کل باند فرکانسی، کمتر-10 است. با استفاده از روش بهبود خطینگی, IIP3 شبیهسازی شده +5dBm بوده است که به اندازه 14dBm بهبود داشته است.
این مقاله شامل بخشهایی بهصورت زیر است:
بخش - 2 ساختار تقویت کننده معرفی شده، بررسی شبکه تطبیق امپدانس ورودی، بررسی نویز تفویتکننده معرفی شده - . بخش - 3تحلیل ساختار بهبود خطینگی - . بخش - 4 نتایج بهدست آمده از شبیهسازی و مقایسه با کارهای مشابه پیشین - . بخش - 4 نتیجهگیری بهدست آمده - .
