بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله دو میکسر پایین برنده با استفاده از فناوری nm 180 cmos ارائه شده است . میکسر مورد نظر ساختار گیلبرت دارد و بین 2-10GHz کار می کند.در هردو طرح پیشنهادی ، از مدار تزریق جریان ، برای جداکردن وابستگی جریان DC بین زوج سوئیچینگ و ترانسکانداکتور استفاده می کند. همچنین در هردو مدار از تکنیک حذف نویز استفاده شده است. که استفاده از این دو تکنیک باعث شده است که مدارات مورد نظر بهره بالا و عملکرد نویز خوبی را داشته باشند.
در طرح پیشنهادی اول تزریق جریان بااستفاده از ترانزیستورهای nmos انجام گرفته است. سپس مدار دیگری پیشنهاد شده که ساختار آن مشابه مدار پیشنهادی اول می باشد با این تفاوت که در این مدار تزریق جریان با استفاده از ترانزیستورهای pmos انجام گرفته است .
در اولین میکسر پیشنهادی ، از تزریق جریان nmos استفاده می شود ، که بهره بالای 16/3 dB و نویز فیگر 2/37 dB را دارد. دومین میکسر از تکنیک تزریق جریان pmos استفاده می کند و دارای بهره dB 17/1و نویز فیگر 1/35dBرا می باشد . شبیه سازی ها نشان می دهد که این دو میکسر، عملکرد نویز خوبی دارند IP1dB. و IIP3 مدار پیشنهاد شده اول به تر تیب -5/4dBm و +0/5 dBm می باشد.در حالی که در مدار پیشنهادی دوم IP1dB برابر با -8/8dBm و IIP3 این مدار +0/8 dBm می باشد.
مقدمه
امروزه فرستنده - گیرنده های با هزینه پایین و بازده بالا بسیار مورد توجه می باشند که این باعث می شود که cmos یک تکنولوژی مورتوجه باشد.یکی از مباحث اصلی در طراحی فرستنده - گیرنده های پهن باند ، نیاز به مدارات پهن باند شامل میکسر ها و تقویت کننده های کم نویز می باشد.به طور کلی، بهره تبدیل، نویز فیگر و خاصیت خطی ، مهم ترین پارامترها برای مشخص کردن عملکرد میکسر می باشند. یکی از مشهورترین میکسرها، میکسر سلول گیلبرت می باشد که به طور گسترده در طراحی IC بکار می رود اما این میکسر ، عملکرد نویز بسیار ضعیفی دارد. بنابراین در طراحی ها باید با انتخاب مناسب اجزا مدار کمترین نویز را در مدار ایجاد کرد.
به منظور برآورد کردن ملزومات محدوده دینامیکی و بهره، طبقه ترانسکانداکتور معمولاً به جریان DC بزرگی نیاز داردتا بهره بالایی را ارائه دهد تا زمانی که مانع نویز حرارتی شود [1] و. [2] از طرف دیگر ، طبقه سوئیچینگ Lo به جریان DCنسبتاً کوچکی نیاز دارد تا به یک سرعت سوئیچ بالا و نویز پایین دست یابد.[3] از آنجایی که الزامات جریان DC دو طبقه با هم منطبق نیستند و در یک زمان اتفاق نمی افتد ، در نتیجه ترجیح داده شده است که بایاس مجزایی برای هر طبقه در نظر گرفته شود.که با استفاده از مدار تزریق جریان می توان به این هدف رسید.
در[4] ،[5] و[6] یک میکسر پایین برنده سلول گیلبرت بکار رفته است که در آن از تکنیک تزریق جریان برای بهبود عملکرد نویز و بهره سیستم استفاده شده است.در [7] از تکنیک تزریق جریان برای رسیدن به بهره بالا و تکنیک پیکینگ القایی برای حصول پهنای باند مورد نظر استفاده شده است.در [8] و [9] و [10] ، تکنیک فیدبک موازی مقاومتی بکار برده شد تا تطبیق ورودی پهن باند و نویز فیگر پایین فراهم شود.در [11] و [12] چندین تقویت کننده نویز پایین فوق باند پهن و پهن باند پیشنهاد شده است.تزریق جریان همچنین در [13]و[14] به کاررفته است.
در این مقاله، دو مدار میکسر نویز پایین باند پهن ارائه شد، که در هردو آنها از تکنیک حذف نویز و تکنیک تزریق جریان استفاده کردند ، که استفاده از این دو تکنیک باعث شده است که مدارات موردنظر بهره بالا و عملکرد نویز خوبی را داشته باشند. از مزایای این توپولوژی ، این است که ، اجازه بایاس مجزای طبقه ی سوئیچینگ و ترانسکانداکتور را می دهد. در این طراحی ، جریان DC طبقه سوئیچینگ، خیلی کمتر از جریان طبقه ی ترانسکانداکتور در نظر گرفته شده است.در این طراحی در هر دو مدار ، برای کاهش نویز علاوه بر روش تزریق جریان ، یک مدار تقویت کننده کم نویز باند پهن ، در ترانسکانداکتور قرار می گیرد. در واقع نویز ترانسکانداکتور با پیاده سازی دو تکنیک حذف نویز و تزریق جریان ، بهبود یافته است
. در نتیجه نویز مدار به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد
بدنه اصلی مقاله
در شکل 1 و 2 دو میکسر پیشنهادشده در این مقاله نمایش داده شده است. میکسر باند پهن پیشنهاد شده ، بین 2 تا 10 گیگاهرتز کار می کند و با استفاده از تکنولوژی 0/18 P ساخته شده اند.
شکل:1مدار میکسر حذف نویز پیشنهادی اول
شکل:2 مدار میکسر حذف نویز پیشنهادی دوم
در هردو مدار برای کاهش نویزاز تکنیک حذف نویز و تکنیک تزریق جریان استفاده شده است.در مدارپیشنهادی اول تزریق جریان با استفاده از ترانزیستورهای nmos انجام گرفت. سپس مدار دیگری پیشنهاد شد که ساختار آن مشابه مدار پیشنهادی اول بود با این تفاوت که در این مدار تزریق جریان بااستفاده از ترانزیستورهای pmos انجام گرفت.
مدار تزریق برای اینکه بتوانیم جریان DCدرون سوئیچ ها را کاهش دهیم تا سهم نویزشان کاهش یابد استفاده می شود. دلیل دیگر استفاده از مدار تزریق جریان ، این است که این مدار باعث افزایش بهره می شود. چراکه مقاومت بار بزرگتری می تواند استفاده شود.ترانزیستورهای تزریق ، تا آنجا که ممکن است کوچک نگه داشته می شوند. در واقع با فراهم کردن تنها نیمی از جریان DC ، ترانزیستورها می توانند کوچک نگه داشته شوند در حالی که در همه ی زمانها در حالت اشباع باقی بمانند.شکل 3 یک مدار تزریق می باشد که با دو ترانزیستور PMOS ساخته شده است که جریان DC درون ترانسکانداکتورها را تأمین می کند.
شکل:3 مدار تزریق جریان
تزریق جریان باید به گونه ای طراحی شود تا یک بهره بالا یا حتی متوسط حاصل شود.در این طراحی ، مدار تزریق به گونه ای طراحی شده است تا 80 درصد از جریان ترانسکانداکتور را به منظور فراهم کردن بهره بالای 15dB تأمین کند.شکل4 چگونگی قرارگیری مدار تزریق در مدار را نشان می دهد
شکل:4 مدار تزریق جریان و زوج های سوئیچینگ
در طرح پیشنهادی ، از یک تقویت کننده کم نویز به عنوان طبقه ترانسکانداکتور استفاده شده است. تقویت کننده ی کم نویز پهن باند، توسط تکنیک حذف نویز طراحی شده است.رابطه ترارسانایی مؤثر در مدار در زیر آمده است:
طبق معادله2 مشخص است که R1 بزرگ و gm3 بزرگ ترجیح داده می شود. R1 باید تا آنجا که ممکن است بزرگ انتخاب شود تا سهم نویزش کاهش یابد.
نتایج
هر دو میکسر باند پهن پیشنهاد شده ، بین 2 تا 10 گیگاهرتز کار می کند.در این مقاله هر دو میکسرپیشنهادشده با استفاده ازتکنولوژی0/18 P cmos ساخته شده است. برای همه ی نتایج شبیه سازی و اندازه گیری ،IF همیشه در 250MHZ ثابت می ماند. در حالی که فرکانس های RF و Lo باهم تغییر می کنند، به طوری که همیشه Lo به میزان 250MHZ ، از RF کمتر می باشد. شبیه سازی های موجود در این مقاله با استفاده از نرم افزار ADS ، انجام شده است.
شکل5 ، بهره تبدیل شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی شکل1 را نشان می دهد. فرکانس قطع 3dB در 11/3GHz می باشد. بهره به طور منطقی صاف است که با یک کاهش تدریجی به فرکانس قطع 3dB می رسد. بهره تبدیل در 2GHz بیشترین مقدار خود، یعنی 17/3dB را دارد و در 10GHz کمترین مقدار خود یعنی dB 15/3را دارد، در نتیجه این مدار در طول کل پهنای باند، دارای مقدار متوسط 16/3dB می باشد.برای شبیه سازی بهره تبدیل ، فرکانس ورودی با یک اندازه گام1، 200 MHz، در نظر گرفته شده است. این اندازه گام، برای این انتخاب شد تا طرح شبیه سازی شده رزولوشن فرکانسی بالایی داشته باشد چراکه این نمودار یکی از مهمترین نمودارهای پهن باند می باشد.
دو فرکانس ،رسم شده اند و سپس مقدار IIP3 محاسبه شده است. با توجه به شکل می بینیم که مقدارIIP3 در این مدار برابر dBm 0/5 می باشد.
شکل: 5 بهره تبدیل شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی اول
شکل 6 نویز فیگر شبیه سازی شده میکسرپیشنهادی شکل1 را نشان می دهد. از این شکل مشاهده می شود که در اوایل طیف فرکانسی، نویز نسبتاً صاف تر و پایین تر قسمتهای دیگر می باشد. در واقع این ناحیه ای است که حذف نویز قابل توجهی اتفاق می افتد. اما در فرکانس های بالاتر، پارازیت ها در مسیرهای بالایی و پایینی ترانسکانداکتور ، و قابلیت حذف، تأثیر می گذارند.که این به خاطر Cgs و Cgd و نیز هر پارازیت دیگری که درون محاسبه در نظر گرفته نشده است می باشد.
در واقع اثر این پارازیت ها به رابطه gm2 وgm3 تأثیر می گذارد. به طوری که دراین مدار حذف نویز بسیار خوبی در حد پایین طیف و نه چندان خوب در حد بالای طیف اتفاق می افتد. در واقع همانطور فرکانس افزایش می یابد عدم تطبیق بیشتری بین دو مسیر بوجود می آید که منجر به افزایش نامحدود در نویز فیگر می شود. با همه ی این تفاسیر، عملکرد نویز این مدار بسیار عالی می باشد. در واقع در این مدار، نویز فیگر یک مقدار متوسط 2/37 dB در طول کل پهنای باند دارد. به خاطر حذف نویزمیکسر، پارازیتیک های نامطلوب بر قابلیت حذف نویز اثر می گذارند بنابراین مشخص است که در فرکانس های بالا ، افزایش شیب داریم.
شکلIIP3 : 7میکسر پیشنهادی اول در7GHZ
با توجه به شکل8 ، P1dB میکسر را می توانیم بدست آوریم. برای بدست آوردن P1dB ، یک تک فرکانس تزریق شده است و توان خروجی برحسب توان ورودی رسم شده است. از شکل8 مشاهده می کنیم کهP1 dB برای این مدار برابر با -5/4 می باشد.
شکلP1dB : 8 میکسر پیشنهادشده شکل1 در7GHZ
شکل9، بهره تبدیل مدار میکسر پیشنهادی دوم را نشان می دهد. با توجه به شکل9 مشاهده می کنیم که بهره تبدیل میکسر تقریبا صاف، می باشد بیشترین مقدار بهره تبدیل در2GHz اتفاق می افتد که در این فرکانس ، مقدار بهره تبدیل برابر 17/9dB می باشد. سپس نمودار با یک شیب کم ، کاهش پیدا می کند. تا اینکه در 10GHZ به کمترین مقدار خود یعنی16/3dBمی رسد. در واقع مدار پیشنهادی در طول کل پهنای باند، دارای بهره تبدیل متوسط 17/1 dB می باشد.
شکل: 6 نویز فیگر شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی اول
به منظور آزمودن IIP3 میکسر،یک آزمایش دو تن در کل پهنای باند انجام شده است. دو سیگنال با اختلاف 1 MHZ به میکسر تزریق شده است. این دو فرکانس ورودی RF روی 7000/5 MHZ و 6999/5MHZ تنظیم شده انددر شکل7 دو نمودار برحسب این توان مصرفی این مدار برابر 11/34mw می باشد.
شکل:9 بهره تبدیل شبیه سازی شده مدار میکسر پیشنهادی دوم
شکل10، نویز فیگر شبیه سازی شده میکسر را نشان می دهد. با توجه به شکل مشاهده می کنیم که در فرکانس های پایین تر، نویز فیگر تقریبا ثابت است.
