بخشی از مقاله
چکیده - هدف از این مقاله طراحی تقویت کننده پهن باند 3.1GHz - تا - 10.6GHz کم نویز با استفاده از فن آوری CMOS 0.18um است که قابلیت استفاده در مخابرات و ارتباطات ماهوارهای را دارد. در طراحی تقویتکننده از چهار سلول DLNA که هر سلول شامل ساختار آبشاری است، استفاده شده است. دلیل استفاده از این نوع توپولوژی کاربردهای پهن باند این سلولها میباشد. تطبیق در این نوع تقویت کنندهها به نحو مطلوبی انجام شده است به طوریکه تطبیق امپدانس ورودی و خروجی کمتر از -15dB در کل باند به دست آمده است همچنین تقویت کننده برای گین 12.5dBو ریپل 0.3dBدر محدوده باندی مورد نظر طراحی شده است. حداقل عدد نویز به دست آمده تقویتکننده 2.8dB است .
-1 مقدمه
تقویت کننده کم نویز یک بخش جدایی ناپذیر و ضروری در گیرنده های پهن باند می باشد. LNA1 سیگنال های کوچک را از کل باند دریافت نموده و آنها را با یک نسبت سیگنال به نویز مطلوب تقویت میکند.[1] این نوع تقویتکنندههای کم نویز جزء المانهای مهم در اکثر گیرنده های رادیویی بوده، چون باید یک گین هموار در محدوده باند فرکانسی داشته باشد و همچنین عدد نویز کمی را فراهم کند.
مزایای اصلی تقویت کنندههای توزیعی،2 تطبیق ورودی و خروجی بسیار مطلوب و پهن باند بودن آنها می باشند در مقالات مختلف روشهای نوینی برای طراحی تقویت کننده های پهن باند فرکانس بالا مبتنی بر CMOS ذکر شده است. از بین این روش ها، توپولوژی فیدبک مقاومتی دارای پهنای باند قابل قبول و تطبیق مناسبی است اگر چه عدد نویز بالا و گین ضعیفی دارند.[2]
توپولوژی دیگری هم برای تقویت کننده کم نویز کم مصرف در یک فرایند CMOS 0.18um مطرح شده است که امپدانس ورودی آن با استفاده از ایده فیلتر میان گذر چبی شف طراحی شده است . با استفاده از این روش، تطبیق ورودی در کل باند انجام شده و حداقل عدد نویز برابر با 4dB حاصل شده است.[3] این مقاله به طراحی تقویت کننده توزیعی پهن باند با استفاده از معماری آبشاری از فرکانس DC تا 12GHz و عدد نویز پایین در محدوده 3GHz تا 10.6GHzمیپردازد.
شماتیک مدار مربوط به تقویتکننده کم نویز در شکل 1 نشان داده شده است. از پیکربندی آبشاری به دلیل داشتن حداکثر گین در دسترس، پهنای باند وسیع، ایزولاسون ورودی - خروجی مطلوب و قابلیت کنترل گین متغیرش استفاده شده است، این نوع پیکربندی در بسیاری از کاربردها نظیر میکسرها، مالتی پلکسرهای فرکانس، و تقویت کنندههای توزیعی به کار رفته است .
-2 طراحی مدار
تقویت کننده های توزیعی در واقع مبتنی بر تطبیق مقاومتی پهن باند می باشند، با وجود این که امپدانس منبع با امپدانس خروجی تطبیق یافته است با این وجود کاهش عدد نویز و مصرف توان کمتر هم باید امکان پذیر گردد. مدار تقویت کننده کم نویز پیشنهادی مبنی بر یک بسط جدیدی از توپولوژی های مدار توزیعی برای دستیابی به عدد نویز مطلوب و گین توان بالاتر است.[4]
در جهت دستیابی به حداکثر گین و حداقل عدد نویز، مبادرت به طراحی تقویت کننده کم نویز توزیعی با 4 سلول ورزیده شد. هر سلول یک مدار آبشاری است. استفاده از ساختار آبشاری باعث میشود اثرات پارازیتی خازن گیت-درین را خنثی کند علاوه بر آن ترانزیستور آبشاری سبب بهبود ایزولاسیون نیز میشود. در شکل 1 تقویت کننده کم نویز توزیع شده متشکل از 4 طبقه، نشان داده شده است.
هر سلول از یک پیکربندی آبشاری برای تضمین پایداری در ورودی و خروجی استفاده می کند. و برابر 50 است. خطوط انتقال توسط یکپارچه سازی خازن های ذاتی گیت و درین ترانزیستورها با سلف های گیت و درین تشکیل می شوند . برای دستیابی به تطبیق امپدانس، خطوط به امپدانس مشخصه شان یعنی 50 ختم می شوند. با فرض اینکه اثر Cgscs قابل چشم پوشی باشد؛ گین تقویت کننده به صورت زیر خواهد شد: با فرض پورت های تطبیقی و فرکانس های قطع مختلف به ازای بایاس درین و گیت، گین یک تقویت کننده توزیعی -Nطبقه به صورت زیر معین می شود:[5] که در طراحی N=4 در نظر گرفته شده است.
gmcs نشان دهنده رسانایی متقابل یک طبقه سورس مشترک بوده و RL امپدانس مشخصه خط و معمولا برابر با 50 اهم است. در فرکانس های بالا، تعریف گین بسیار پیچیدهتر از فرکانسهای پایین بوده، اما در اینجا گین مستقیما متناسب با N و gmcs است. در تقویت کننده های توزیعی، تطبیق امپدانس ورودی به واسطه طراحی امپدانس مشخصه خط گیت به صورت مصنوعی بدست می آید.
-3 آنالیز نویز
منابع نویز غالب در تقویت کننده های توزیعی عبارتند از: نویز حرارتی ناشی از امپدانس منبع ورودی، نویز حرارتی کانال هر ترانزیستور MOS، نویز القاء شده در گیت و نویز فلیکر. در این مقاله دو نویز مذکور - نویز القایی و نویز فلیکر - را ناچیز در نظر می گیریم . با فرض امپدانسهای خطوط انتقال مساوی با امپدانسهای مشخصه آنها و ناچیز در نظر گرفتن نویز ZD و ZG، نویز یک تقویت کننده توزیعی N طبقه از رابطه زیر محاسبه می شود. که RL و Rout برابر با 50 و = 2/3 به ازای یک کانال بزرگ در نظر گرفته شده است.[6]
پس از مقایسه یک تقویت کننده توزیعی با یک تقویت کننده یک طبقه با تطبیق مقاومتی، آشکار میشود که تحت شرایط مشابهی از توان مصرفی، تقویتکنندههای توزیعی به عدد نویز کمتری در مقایسه با تقویت کننده های مقاومتی دست می یابند.[7] با در نظر گرفتن اثر پارازیتی در همه پارامترها در ساختار آبشاری، عدد نویز سلول از رابطه زیر محاسبه شود.
