بخشی از مقاله
چکیده:
طراحی و شبیهسازی تقویتکننده کمنویز ارائه شده در این مقاله در محیط ADS انجام شده است. به دلیل این که سیستمهای بیسیم، تلفن همراه، شبکههای اینترنتی و بسیاری از وسایل مخابراتی در محدوده فرکانسی 2.4-2.5GHz کار میکنند، این فرکانس یک فرکانس بسیار پرکاربرد در بین سایر فرکانسهای رادیویی است به همین علت این تقویتکننده در فرکانس 2.45GHz طراحی شده است.
در طراحی این تقویتکننده از یک ترانزیستورBFP720 استفاده شده است. استفاده از تکنیک افزایش جریان ترانزیستور جهت کاهش اینتر مدولاسیون سبب شده تا مدار رفتار خطی خوبی داشته باشد اما همواره یک مصالحه بین توان مصرفی و خطی بودن وجود دارد. طراحی شبکه تطبیق ورودی و خروجی مناسب و استفاده از امیتر در سلف مدار جهت پایداری و انتخاب مناسب ترانزیستور سبب ایجاد بهره ولتاژ بالا برابر با 16.325dB ، عدد نویز کمتر از 1dB و برابر با 0.789dB و رفتار خطی خوب OIP3=17.44 dBm در فرکانس 2.45GHz شده است.
مقدمه
تقویتکننده کمنویز نوع خاصی از تقویتکننده های الکترونیکی است که در سیستم های مخابراتی برای تقویت سیگنالهای گرفته شده از آنتن بهکار میرود و اغلب درفاصلهی کمی از آنتن قرار میگیرد تا کاهش دامنهی سیگنال در خطوط به حداقل ممکن برسد. استفاده از این تقویتکننده سبب می شود که نویز طبقات بعد به وسیلهی بهرهی تقویتکنندهی کمنویز کاهش یابد ولی نویز این تقویتکننده بهطور مستقیم در سیگنال دریافتی تزریق میشود. یک گیرنده مخابراتی بهعنوان یکی از ارکان سیستمهای مخابراتی، سیگنالی در حدود نانو ولت را دریافت میکند، بنابراین طراحی تقویتکننده کمنویز بهعنوان اولین بخش این گیرندهها برای اینکه سیگنال را با حداقل نویز و حداکثر بهره تقویت کند، جزء بسیار مهمی است
سیستمهای بیسیم، تلفن همراه، شبکههای اینترنتی و بسیاری از وسایل مخابراتی در محدوده فرکانسی 2.4-2.5GHz کار میکنند، این فرکانس یک فرکانس بسیار پرکاربرد در بین سایر فرکانسهای رادیویی است و در اکثر این وسایل که در این محدودهی فرکانسی کار میکنند، تقویتکننده نقش بسیار پراهمیتی ایفا میکند، به همین علت طراحی تقویتکننده با حداقل نویز و حداکثر بهره و رفتار خطی خوب و توان مصرفی کم در محدوده فرکانسی 2.4-2.5GHz، در سالهای اخیر توجه بسیاری از طراحان را به خود جلب کرده است و این در صورتی است که معمولاً در تقویتکننده کم نویز مصالحه بین نویز، رفتار خطی و توان مصرفی وجود دارد. روشهای مختلفی برای طراحی تقویتکننده کم نویز وجود دارد.
برای مثال استفاده از ساختار پوشپول و کراسکوپل و استفاده از فیدبک مقاومتی برای کاهش اینتر مدولاسیون [2] اما در این ساختار وجود فیدبکهای مقاومتی سبب افزایش نویز شده است و تعداد ترانزیستورهای به کار رفته بسیار زیاد است و توان مصرفی بالایی دارد. توپولوژی سورس مشترک- گیت مشترک[3] در این ساختار تعداد ترانزیستور زیادی استفاده شده و این سبب اشغال فضای زیادی میشود و این ساختار بهرهی بسیار کمی دارد، استفاده از فیلتر میانگذر در مدار تقویت کننده[4] که این ساختار نویز بالایی دارد ، ساختار تفاضلی [5] این ساختار بهرهی کمی دارد و دارای تعداد زیادی ترانزیستور است.
بهجهت رفع مشکلات ساختارهای معرفی شده ، طرح پیشنهادی تقویتکننده کم نویز با بهرهی بالا و رفتار خطی خوب ارائه شده است. در این تقویتکننده پیشنهادی این مقاله، فقط یک ترانزیستور به کار برده شده و استفاده از شبکههای تطبیق مناسب در ورودی و خروجی و استفاده از سلف در امیتر جهت پایداری و انتخاب ترانزیستور مناسب سبب ایجاد بهره ولتاژ بالا، عدد نویز کم و رفتار خطی خوب شده است. برای پایدار کردن مدار روشهای مختلفی وجود دارد از جمله سری کردن مقاومت با بیس ترانزیستور[5]، سری کردن مقاومت با کلکتور ترانزیستور و قراردادن سلف در امیتر [6] ، که سه روش در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است و بهترین و مناسبترین روش برای طراحی این تقویتکننده استفاده شده است.
بدنه اصلی مقاله
طراحی تقویتکننده ارائه شده در این مقاله در محیط نرمافزار ADS انجام شده است، برای طراحی آن تنها از یک ترانزیستور BJT مدل BFP720 استفاده شده است. این ترانزیستور دارای رنج دینامیکی بالا، ولتاژ کاری 1 تا 4 ولت، بهره بالا در فرکانسهای بالا با جریان مصرفی کم و عددنویز کم است که این ویژگیها دلیل انتخاب آن در این طراحی بوده است. برای تعیین نقطهی کار ترانزیستور، مدار شکل 1 شبیه سازی شده و مشخصههای ولتاژ – جریان ورودی - شکل -2 - الف - - و ولتاژ- جریان خروجی - شکل -2 - ب - - بهدست آمدهاند.
نقطهی کاری که با استفاده از این مشخصهها برای این تقویتکننده انتخاب شده برابر با VCE= 3V و VBE= 0.836V و جریان کلکتور آن IC=13mA است. نقطهی کار ترانزیستور در جریان بالا، بهجهت کاهش اینترمدولاسیون و در نتیجه کاهش عددنویز و بهرهی بالاتر انتخاب شده است. انتخاب این نقطهی کار سبب میشود تا توان مصرفیDC مدار بسیار کم باشد. شکل - 3 - شماتیک شبکه بایاس DCمدار را نشان میدهد، خطوط انتقال TL1 و TL2 با اندازه طول موج و خازنهای C1 و C4 برای جداسازی حالت DC و ACمدار در فرکانسهای بالا قرار داده شدهاند.
