بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، جهت پیاده سازی اسیلاتور حلقوی از یک ساختار بر پایه ترانزیستورهای , NMOS PMOS استفاده شده که تاکنون کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است. عدم نیاز به المانهای اضافی همانند مقاومت و خازن از مزایای این ساختار است. به منظور کاهش نویزفاز اسیلاتور حلقوی، از بین روشهای موجود، روش قفل تزریقی که یکی از موثرترین روشها است انتخاب شده است. به جهت شبیهسازی، یک سیگنال خارجی هم فرکانس با سیگنال اسیلاتور با دامنههای مختلف به طبقه اول اسیلاتور تزریق شده است. نتایج شبیهسازی اسیلاتور حلقوی 3 و 5 طبقه در نرمافزار ADS2008 در تکنولوژی 180nm CMOS و در آفست فرکانسی 1MHZ به ترتیب برابر 19.514 dB و 21.3 dB بدست آمد که حدود %20 بهبود در نویزفاز را نشان میدهد و این مقدار، مقدار قابل توجهی است.
-1 مقدمه
اسیلاتورها، مداراتی هستند که بدون آنکه سیگنال ورودی به آنها اعمال شود خروجی متناوب تولید میکنند. اسیلاتورها یکی از ضروریترین بلوکها در مدارات RF هستند که هم در مسیر ارسال فرستندهها و هم در مسیر دریافت گیرندهها وجود دارند. استفاده از تکنولوژی CMOS در مدارات رادیویی، موجب شده است که تمامی بخش های یک سیتم مخابراتی را بتوان در ابعادی کوجک روی چیپ، با کمترین هزینه و توان مصرفی پیاده سازی کرد.
با ادامه فرآیند کوچک سازی ابعاد در تکنولوژی CMOS، کاربرد آن در مخابرات بیسیم نیز افزایش یافته است بطوریکه دستگاههای مخابراتی نظیر تلفن همراه، شبکههای بیسیم محلی، سیستمهای موقعیت یابی جهانی - - GPS، سیستمهای شناسایی فرکانس بالا - - RFID و ... جزء جدائی ناپذیر زندگی روزمره تبدیل شده است. اما مسئلهای که با کاهش ابعاد تکنولوژی CMOS پر رنگتر شده است نویز ادوات الکترونیکی است. نویز در اسیلاتورها بسیار مهم است و بر دو مولفه دامنه و فاز سیگنال تاثیر میگذارد. از این دو، نویز در فاز که به نویزفاز معروف است اهمیت بیشتری دارد. اگر خروجی یک نوسان ساز ایدهآل به صورت رابطه Vout - t - A.cos - 0t - باشد آنگاه اثر نویز را میتوان با رابطه - Vout - t - A[1+α - t - ].cos - 0t t نشان داد.
این رابطه نشان میدهد در مدل واقعی که همراه با اثرات نویز میباشد، هم دامنه دچار نویز شده و هم فاز درگیر میشود.
امروزه طراحان آنالوگ، پیوسته درگیر مساله نویزفاز هستند ز یرا با مساله اتلاف توان ، سرعت و میزان خطی بودن مدار در ارتباط است. نویز فاز باعث می شود که طیف فرکانسی یک نوسانساز، از شکل ایدهآل خود که باید به صورت ضربه باشد خارج شود و پهن یا اصطلاحاً دامن شکل شود. این پدیده، اثر شدیدی در فرستنده و گیرندههای RF دارد بطوریکه در سیستمهای دارای چندین کانال فرکانسی مجاور، منشا ایجاد تداخل خواهد بود و همچنین بر نرخ انتقال اطلاعات، در سیستم های مخابراتی نیز اثر منفی می گذارد به همین علت، کاهش نویزفاز بخصوص در اسیلاتور حلقوی یکی از مهمترین چالشهای طراحان مدارات رادیویی است.
یه طور کلی دو ساختار در مورد اسیلاتورها وجود دارد - 1اسیلاتور - 2 LCاسیلاتور حلقوی که از این دو، اسیلاتور حلقوی به علت ویژگیهایی همچون قابلیت مجتمع سازی آسان، توان مصرفی پائین و مساحت کم در چیپ به شدت مورد توجه قرار گرفته است. مشکل اصلی اسیلاتور حلقوی، عملکرد ضعیف آن در برابر نویزفاز است که جهت کاهش آن، روشهای مختلفی مطرح شده است. در بین این روشها، روش قفل تزریقی یک روش کاملا مفید و موثر میباشد که میتواند نویزفاز را به مقدار قابل توجهی بهبود دهد.
-2 قفل تزریقی
پدیده قفل تزریقی1، اولین بار توسط دانشمندی هلندی به نام کریستین هایگنز، مطرح شد. او که مخترع ساعتهای پاندولی است، مشاهده کرد پاندول های دو ساعتی که در کنار هم و بر روی دیوار آویخته شدهاند با سرعتی یکسان و با اختلافی 180 درجه نسبت به هم حرکت کنند1]؛.[5 در واقع، پدیده قفل تزریقی بیان میکند که سیستمهای نوسانی در محیط که فرکانسی نزدیک به هم دارند میتوانند اثر متقابلی در فرکانس و فاز یکدیگر ایجاد کنند از این رو، قفل تزریقی می تواند در کاربردهای الکتریکی، در جهت کاهش نویز فاز و جیتر اسیلاتورها مفید باشد.
به منظور کاهش نویزفاز میبایستی سیگنال تزریقی، هم فرکانس با سیگنال اسیلاتور و یا در محدوده قفل شوندگی باشد و همچنین دامنه آن، به اندازه کافی بزرگ باشد. حال اگر دامنه به اندازه کافی بزرگ نباشد اسیلاتور دوم، اسیلاتور اول را مختل میکند و توانایی تغییر فرکانس و فاز را ندارد که در اینحالت، کشش تزریقی2 اتفاق افتاده است. قفل تزریقی در اسیلاتورهای هارمونیک - خطی - در کاربردهایی همانند ضرب فرکانسی[6]، تولید شیفت فازهای متغیر[7] استفاده میشود. قفل تزریقی در اسیلاتورهای حلقوی برای تقسیم فرکانسی [8] و همچنین تولید دقیق ربعی[9] استفاده میشود.
-3مدل حوزه زمان قفل تزریقی
برای اسیلاتورهای غیرهارمونیک که شدیدا غیرخطی هستند مدل حوزه فرکانس، کاربردی ندارد اما مدل حوزه زمان شکل 1 قابل استفاده است. در شکل 1، اینورتر ایدهآل فرض شده است - تاخیر اینورتر 0 در نظر گرفته شده است - و المان تاخیر D، یک تاخیر Td دارد. تاخیر حلقه Td پریود نوسان T0=2Td تنظیم میکند. بعبارت دیگر برای تغییر پریود نوسان توسط قفل تزریقی باید برابر Tinj= T0+2d باشد.
مقایسه سیگنال تزریقی اضافه شده با تاخیر با سیگنال نوسان ، یک تاخیر اضافی d را در حلقه موجب میشود. تغییر منجر به تغییر d میشود. برای یک داده شده در محدوده قفل، قفل تزریقی به صورت پویا
را تنظیم میکند بطوریکه d مناسب تولید شود.
شکل:1 - الف - مدل حوزه زمان بر پایه تاخیر اسیلاتور غیرهارمونیک - ب - فرکانس آزاد نوسان - ج - با فرض محدود بودن شیب گذرا سیگنال، اضافه شدن سیگنال تزریق به اسیلاتور منجر به ایجاد تاخیر d در حلقه میشود بطوریکه
-4 مدار پیشنهادی
مدار ارائه شده در این مقاله که در شکل2 نشان داده شده است، فاقد هر گونه المان اضافی همانند مقاومت و خازن است. در این مدار، هر طبقه یا هر سلول تاخیر از یک NMOS و یک PMOS تشکیل شده است و خازن پارازیتی و مقاومت خروجی هر سلول تاخیر، تشکیل یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع را می دهد.
شکل:2 اسیلاتور حلقوی n طبقه تک خروجی - الف - بلوک دیاگرام - ب - سلول تاخیر
شیفت فاز در هر طبقه از رابطه - - 1 بدست میآید. در این رابطه n تعداد طبقات و شیفت فاز هر طبقه است که شیفت فاز در هر طبقه برابر است با 120 درجه برای اسیلاتور حلقوی 3 طبقه، و برای 5 طبقه نیز، 72 درجه میباشد.
