بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک نوسانساز کولپیتس کنترل شده با ولتاژ با نویزفاز پایین، مصرف توان کم و محدوده تیونینگ گسترده برای کاربردهای سیستم های مخابراتی طراحی و شبیه سازی شده است. در طرح پیشنهادی از تکنیک فیلترینگ برای بهبود نویز فاز و کاهش توان مصرفی مدار استفاده شده است. مدار پیشنهادی در تکنولوژی CMOS 0.18 ʽm طراحی و با ولتاژ تغذیه 1.5v در نرم افزار ADS شبیه سازی شده است. نویز فاز خروجی در فرکانس 2.4GHz برابر با - 135.6 dBc/Hz و -144.8 dBc/Hz به ترتیب برای فرکانس های آفست 1MHz و 3MHz بدست آمده است. همچنین محدوده تیونینگ 2.04~2.79 GHz و توان مصرفی مدار 0.81mW میباشد.
.1 مقدمه
امروزه تکنولوژی CMOS برای پیادهسازی مدارات مجتمع RF، بطور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد. نوسان سازهای کنترل شده با ولتاژ1 یکی از مهمترین بخش های یک سیستم فرستنده-گیرنده رادیویی میباشد. در بسیاری از کاربردها مانند حلقههای قفلشده فاز2 نیاز به یک VCO میباشد. یکی از قسمت های ضروری یک سیستم فرستنده مخابراتی، حلقههای قفلشده فاز میباشد که عملکرد آنها به شدت تحت تاثیر نوسانسازهای کنترل شده با ولتاژ می-باشد .[1] امروزه با افزایش روزافزون تقاضا برای طراحی و ساخت مداراتی با فرکانس بالاتر، نویزفاز کمتر، و مصرف توان پایین تر مواجه هستیم.
زیرا عملکرد نویزفاز به طور مستقیم روی میزان اطلاعاتی که میتوان در یک ارتباط، ارسال یا دریافت کرد، تاثیر میگذارد. کاهش نویزفاز مدار همیشه با افزایش مصرف توان همراه است و برعکس [2]، [3]، [4]، .[5] بنابراین نویزفاز و مصرف توان در طراحی VCO دو نقطه مقابل یکدیگر خواهند بود. به همین دلیل طراحی نوسان-سازهایی با نویزفاز کم و مصرف توان پایین قابل توجه خواهد بود. دووپولوژیت که عموماً در طراحی نوسانسازها استفاده میشود، نوسانسازهای تزویج ضربدری3 و کولپیتس4 میباشد. نوسانسازهای کولپیتس به دلیل عملکرد در کلاس C، بالقوه نویزفاز بهتری دارند.
علیرغم این مزیت نوسانساز کولپیتس تک سر5 به دلیل خروجی غیر تفاضلی، شرایط راه اندازی غیر قابل اطمینان، دامنه نوسان نسبتا پایین و ساختار تک سر که آن را به تغییرات پارامترها و منابع نویز مد مشترک مانند نویز منبع و نویز زیرلایه6 بسیار حساس میکند به ندرت مورد استفاده قرار میگیرد [2]، [6]، .[7] در عوض نوسان-سازهای تزویج ضربدری به دلیل پیادهسازی آسان، شرایط راه اندازی مطمئن و تفاضلی بودنشان ترجیح داده میشوند. اخیراً نوسانسازهای کولپیتس تفاضلی زیادی که از تکنیک های سوئیچینگ جریان و افزایش استفاده کرده اند تا مشکلات ذکر شده در بالا را رفع کنند گزارش شده است [8]، [9]، [6]، [10]، .[11] با این حال هنوز ساخت نوسان-سازهایی با نویزفاز کم و مصرف توان پایین مشکل خواهد بود.
منابع عمده نویز در مدار، نویز حرارتی7، نویز فلیکر8، نویز منبع و نویز زیرلایه میباشد. برای کاهش نویزفاز میتوان ضریب کیفیت القاگرها را بالا برد و یا هارمونیک های فرکانس بالای نویز فلیکر را که توسط ترانزیستورهای تزویج ضربدری تولید میشوند، حذف کرد. بدلیل پایین بودن ضریب کیفیت سلف یکپارچه و همچنین محدود شدن محدوده تیونینگ توسط ورکتور9، نوسانسازهای کنترل شده با ولتاژ یکی از سخت ترین مدارات، برای مجتمع کردن میباشد .[12] روشهای متعددی برای بهبود نویزفاز وجود دارد.
یکی از این روش ها اتصال گیت های ترانزیستورها به هم میباشد .[13] از اهداف مهم در طراحی VCO، تلفات توان پایین، نویز فاز کم و محدوده تیونینگ گسترده1 میباشد. در این مقاله با استفاده از تکنیک فیلترینگ و انتخاب مناسب برای مقادیر سلف، خازن و ورکتور، یک LC-VCO با توان پایین - 0.81mW - ، نویز-فاز کم - -135.6 dBc/Hz - و باندگسترده طراحی و شبیهسازی شده است. در بخش 2 روش فیلترینگ نویز منبع جریان دنباله مورد بررسی قرار خواهد گرفت. جزئیات مدار طراحی شده در بخش 3 بیان شده است. در بخش 4 نتایج شبیهسازی و مقایسه نوسانساز طراحی شده با کارهای قبلی ذکر شده است. در انتها، در بخش 5 نتیجه گیری مختصری از مقاله ارائه شده است.
.2 روش تکنیک فیلترینگ نویز منبع جریان دنباله
روش فیلترینگ2 نویز یکی از مهمترین تکنیک ارائه شده برای کاهش نویزفاز نوسانسازهای CMOS نوع LC می-باشد .[14] این روش برپایهی فیلتر کردن نویز منبع جریان دنباله3 که از منابع مهم تولید نویزفاز در نوسان ساز LC برشمرده میشود، بنا شده است. قبل از ارائه تکنیک فیلترینگ نویز ابتدا باید نقش منبع جریان دنباله در نوسانساز LC بررسی شود.
. 1 .2 نقش منبع جریان دنباله
برای بررسی نقش منبع جریان دنباله در نوسانساز LC دو حالت را باید درنظر گرفت. در حالت اول فرض میشود منبع جریان واقع در سورس مطابق شکل -1 - الف - با یک اتصال کوتاه جایگزین شود .[17] ابتدا دقت کنید که ساختار نوسانساز ایجاب میکند که ولتاژ دو ترانزیستور هم اندازه با ولتاژ خروجی دیفرانسیلی نوسان ساز اما با علامت مخالف یکدیگر باشند.
در لحظه گذر از صفر ولتاژ دیفرانسیلی خروجی، هر دو ترانزیستور در ناحیه اشباع به سر میبرند و هدایت دیفرانسیلی منفی که توسط زوج دیفرانسیل ایجاد میشود باعث تحریک و شروع نوسان میشود. هنگامی که ولتاژ خروجی نوسانساز از مقدار عبور میکند، ولتاژ یکی از ترانزیستورها از بیشتر شده و در نتیجه وارد ناحیه تریود میشود و ولتاژ ترانزیستور دیگر از کمتر شده و عمق قرار گرفتن آن در ناحیه اشباع بیشتر میشود.
مقدار - عکس مقاومت ناحیهی تریودی ترانزیستور - ترانزیستوری که وارد ناحیه خطی میشود متناسب با ولتاژ خروجی شروع به افزایش میکند و باعث افزایش تلفات شبکه LC میشود. در نیم سیکل بعدی ترانزیستور دیگر باعث ایجاد تلفات در تشدیدگر4 میشود و در نتیجه میتوان گفت که دو ترانزیستور باعث کاهش ضریب کیفیت متوسط شبکه LC در یک دوره تناوب میشوند. حال فرض کنید منبع جریان مطابق شکل - 1 -ب - در مدار قرار گیرد. در نزدیکی نقاط گذر از صفر هر دو ترانزیستور هدایت کرده و یک مقاومت منفی در دو سر شبکه LC ایجاد میشود.
