بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله نوسانسازهای چند-فازه LC تحت تزریق سیگنالهای چندگانه مطالعه گردیدهاند. یکی از مهمترین ویژگی های این سیستمهای تزریق شده حداکثر فرکانسی می باشد که با تزریق آن فرکانس همچنان سیستم در حالت قفل باقی می ماند. به این بازهی فرکانسی محدوده قفل شدن می گویند. در این مقاله تمرکز اصلی بر روی محاسبه این محدوده از طریق روابط ریاضی و همچنین بررسی شرایطی است که باعث بیشینه شدن این محدوده میگردد.
برای به دست آوردن این محدوده از حل دستگاه معادلات دیفرانسیل ادلر در حالت دایمی پایدار استفاده شده است. پس از یافتن بیشینه فرکانس قابل تزریق به سیستم، محدوده قفلشدن از تفاضل این فرکانس و فرکانس آزادگرد نوسانساز حاصل گردیده است. علاوه بر آن، فازبندی مناسب برای تزریق سیگنال به منظور بیشینه شدن محدوده قفلشدن معرفی گردیده و یک اثبات ریاضی برای آن ارایه شده است. در پایان از طریق شبیه سازی برای یک نوسانساز چهارطبقه LC که با تکنولوژی CMOS 180 nm طراحی شده است و با استفاده از نرم افزار ADS، محدوده قفلشدن به دست آمده و نتایج شبیه سازی و تئوری با هم مقایسه گردیده اند. بررسی نتایج حاصله نشان می دهد که انطباق مناسبی بین جوابهای حاصل از شبیه سازی و تئوری در تزریقهای با دامنهی کوچک وجود دارد.
-1 مقدمه
برای ارتباطات بیسیم1و تجهیزات رایانهای در عصر حاضر یکی از نیازهای اساسی بشر گردیده است. از کاربردهای ساده خانگی تا ارتباطات فضایی همگی از دستاوردهای ارتباطات بیسیم و سیگنالهای رادیویی و رایانهها استفاده میکنند. شاید بتوان از مهمترین و محبوبترین کاربردهای این تکنولوژی را در تلفنهای بیسیم خانگی، تلفنهای سیار سلولی2، بیسیمهای پلیس و ارگانهای دولتی، سامانه های اویونیکی، بلوتوث، wifi ، GPS و غیره را نام برد.[1] درخواستهای روزافزون برای توسعه این صنعت فراگیر، باعث توجه پژوهشگران و مهندسان به توسعه بیشتر این صنعت شده است. مدارت مجتمع با حداقل فضا، جهت کاهش ابعاد تجهیزات و قیمت آنها بیشتر مورد توجه بوده است.
از اینرو با درجه بالایی از فشردهسازی مدارت فرستنده وگیرنده در سیستمهای مدرن امروزی روبرو هستیم، این موضوع چنان مورد توجه بوده است که پیادهسازی یک سیستم فرستنده یا گیرنده بر روی یک تراشه بدون نیاز به تجهیزات بیرونی و با حداقل تجهیزات داخلی در صدر تحقیقات و پژوهشها میباشد .[2] در طراحی مدارات "فرکانس رادیویی"3علاوه بر فضای اشغال شده توسط اجزاء و قیمت تمام شده، کاهش ولتاژ منبع تغذیه و توان مصرفی نیز از اهمیت زیاد برخوردار است. تکنیکهای پردازش اطلاعات دیجیتال اثر زیادی در کاربردهای بیسیم داشته است، بدین صورت که پردازش اطلاعات دیجیتال به همراه انتقال اطلاعات دیجیتال امکان استفاده از مدولاسیون و دمدولاسیون در سطح بالایی را فراهم ساخته است و باعث به وجود آمدن الگوریتمهای فشرده سازی، کشف و اصلاح خطا و غیره شده است.
همچنین با کمک این تکنیکها میتوان انواع روشهای پنهاننگاری اطلاعات را مورد استفاده قرار داد. در مجموع این موارد باعث بالاتر رفتن کیفیت ارتباطات گردیده است . [3] -[5] در این مقاله افزایش و تحلیل محدوده سنکرون سازی به عنوان یکی از مهمترین پارامترهای ارتباطات ایمن مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش دوم نوسانگرهای چند-فازه سنکرون شده بررسی می گردند . محدوده سنکرونسازی در بخش سوم محاسبه گردیده است. در بخش چهار نتایج شبیه سازی ارایه شده اند. در پایان، نتیجهگیری نهایی از این مقاله در بخش پنجم گنجانده شده است.
-2 نوسانگرهای چند-طبقهی سنکرونشده
نوسانسازهای حلقهای به مانند تمامی انواع دیگر نوسانسازها باید شرط بارک-هاوزن را برای نوسان برآورده سازند. با نوسانسازهای حلقهای دستیابی به شیفتفازی مورد نظر و همچنین بهرهی مورد نیاز به راحتی مهیا می شود. با یک ساختار از معکوس کنندههای دیجیتال گین در فرکانسهای پایین می تواند خیلی زیاد گردد. به این ترتیب ولتاژ به سرعت محدود شده و گین مؤثر به صفر میرسد. نکته مشترک در نوسانسازهای حلقهای برای لحظه شروع نوسان این است که باید همگی در نقطه سوئیچیگ بایاس شوند و گین حلقه در فرکانس مورد نظر باید بزرگتر از یک باشد. یک نوسانساز حلقهای معمولاً از N طبقه معکوس کننده یا سلولهای تأخیری با یک فیدبک از خروجی به ورودی ساخته میشود که N عددی فرد میباشد. بلوک دیاگرام این نوسانساز در شکل - 1 - دیده می شود.[3]
زمانی که تغذیه به مدار وصل میگردد فرض می شود ورودی معکوس کننده اول، صفر است و خازن خروجی C1 شارژ میشود و زمانی که طبقه بعدی "1" را میبیند، خازن C2 را دشارژ میکند و به همین ترتیب وقتی طبقه سوم "0" میبیند C3 را شارژ میکند و همین روند دائماً در این حلقه تکرار میشود. از این رو f وابسته به I/C است که I جریان شارژ یا دشارژ و C مقدار ظرفیت خازن است. بنابراین فرکانس توسط جریان قابل کنترل است. این مدار میتواند در فرکانسهای بالا نیز کار کند حتی در صورتیکه از معکوس کنندههای ساده استفاده شده باشد. این مدار معمولاً توسط ترانزیستورهای CMOS یا دوقطبی ساخته میشود. نوسانسازهای حلقهای معمولا دارای سلف نمیباشند ولی این موضوع باعث بالا رفتن نویز در مدار میشود، در صورتیکه نوسانسازهای سلفی-مقاومتی از نویز کمتری برخوردار هستند.[3]
-3 اسیلاتورهای چند فازه
کاربردهای گوناگون مدارات نوسانساز در طراحی مدارات مجتمع و روشهای به کار رفته در کاهش مساحت تراشه و توان مصرفی، نسل تازهای از نوسانسازها را به وجود آورده است. در ابتدای پیدایش و استفاده از نوسانسازها هدف دستیابی به مداری پایدار بود تا بتواند بخشی از فاکتورهای شایستگی یک نوسانساز را به فراخور کاربرد تأمین نماید. ولی با پیشرفت تکنولوژی و لزوم مجتمع سازی مدارات الکترونیک، انتظارات دیگری نیز از نوسانسازها مطرح گردید و مطالعات بدانجا رسید که می توان با ترکیبات خاصی از نوسانسازها کاربردهای بیشتری را ایجاد کرد. به طور مثال با تولید دو سیگنال مشابه ولی با اختلاف فاز 90 درجهای میتوان سیگنال تصویر را حذف کرد. مدار دیجیتال نیز با کمک همین خروجیها می تواند یک مدار تقسیم فرکانسی بر N را تحقق بدهد. مدار ضرب کننده فرکانسی که بر اساس ترکیب لبهای به سیگنال ساعت چند فازه نیاز می باشد.[4]
از این رو یکی از مباحث پر کاربرد در طراحی مدارات نوسانساز، نوسانسازهایی با قابلیت تولید خروجیهای یکسان ولی با فازهای مختلف است. رینگ اسیلاتورها قابلیت تولید خروجی چند فازی را دارند اگر چه نویز فازی ضعیفی دارند. در نسل نوسانسازهای متعامد از تکنیکهای تقسیم فرکانسی و فیلترهای پیچیدها استفاده میشود. در هر مورد دقت فاز بدست آمده میتواند ضعیف یا توان مصرفی بالایی در فرکانسهای بالا داشته باشد. نوسانساز LC متقاطع نیز میتواند خروجی چند فازی داشته باشد که کاربردهای بسیار دارد که در مرجع [1] به تفصیل توضیح داده شده است.
-4 محدوده سنکرونسازی
وقتی یک نوسانگر حلقوی تحت تزریق سیگنال خارجی قرار می گیرد، محدوده قفلشدگی4 یا محدوده سنکرونسازی یکی از مهمترین پارامترهای سیستم به شمار می آید و این محدوده نشانگر این می باشد که نوسانساز تا چه اندازه می تواند بین سیگنال تزریقی و سیگنال آزادگرد5خودش اختلاف فرکانس را تحمل کند. نوسانسازهای چندفازه 6برای تولید سیگنالهایی با اختلاف فازهای معین پیشنهاد شدند. در این نوسانسازها که از N طبقه مشابه ساخته می شوند، N سیگنال قابل تولید میباشند که سیگنال خروجی هر طبقه با طبقهی قبلی خودش به اندازه /N اختلاف فاز دارد.[1]
در حالت کلی نوسانگرهای حلقوی در این گروه از نوسانگرها قرار می گیرند و وقتی تعداد طبقات زوج دارند، مثلا از طریق تغییر سیم بندی، شیفت فاز 180 درجه را در حلقه خود احساس می کنند. از طرف دیگر، وقتی تعداد طبقات فرد باشد، هر طبقه با طبقه قبلی خودش اختلاف فاز 2 /1 پیدا می کند. در ادامه روشی مشابه با نوسانگرهای حلقوی سنکرونشده برای یافتن محدوده قفلشدگی در نوسانگر های LC چند-فازه ارایه می گردد.
