بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک پیش تقویتکننده باند پهن معرفی میشود که در آن از ساختار RGC و یک شبکه هماهنگ از نوع "7" استفاده شده است. نتایج شبیهسازیها نشان میدهد که این ساختار بهره 60dBرا در پهنای باند 9GHz ایجاد میکند. همچنین این نتایج نشان میدهد که در مقایسه با طراحیهای مشابه، این ساختار حاصل ضرب بهره در پهنای باند بالاتری را فراهم میکند، به طوری که نیازی به طبقات بهره اضافه که معمولا در طراحی تقویتکنندههای امپدانس انتقالی به دنبال ساختار RGC به کار گرفته میشوند نخواهد بود. بنابراین هم توان مصرفی و هم چگالی طیفی نویز ارجاع شده به ورودی تقویتکننده کاهش خواهد یافت. چگالی طیفی نویز ارجاع شده به ورودی در تقویتکننده پیشنهاد شده 13pAو توان مصرفی نیز 4mW در ولتاژ تغذیه 1/8V است.
-1 مقدمه
امروزه گیرندههای نوری با قابلیت دریافت داده با نرخ بیت ده ها Gb/s نقش عمده ای را در سیستمهای مخابرات داده امروزی ایفا می کنند . برای دستیابی به چنین نرخ بیت بالایی باید تمام تقویتکنندهها در مسیر سیگنال، پهنای باند کافی را برای تقویتکردن این سیگنالها با فرکانس بالا ایجاد کنند. تقویتکننده های امپدانس انتقالی به عنوان اولین طبقه تقویتکننده در مسیر دریافت سیگنال در گیرندههای نوری نقش عمدهای را در تقویت سیگنالهای ضعیف دریافتشده از آشکارساز نوری و رساندن دامنه آن به یک سطح قابل تشخیص برای طبقه بعد را بر عهده دارند. پهنای باند تقویتکننده های امپدانس انتقالی که با تکنولوژی CMOS ساخته شدهاند در اثر ظرفیت پارازیتی آشکارساز نوری و همین طور ظرفیت های ذاتی ترانزیستورهای MOS محدود میشود.
تاکنون تلاشهای گستردهای برای افزایش پهنای باند این تقویتکننده ها انجام شده است . ساختار جدید ارایه شده ، حاصلضرب بهره در پهنای باند بالاتری را فراهم میکند، به طوری که نیازی به طبقات بهره اضافه که به دنبال ساختار [1] RGC به کار گرفته می شوند، نخواهد بود. در واقع تقویتکننده RGC نوع بهبود یافتهای از تقویتکننده گیت مشترک[2] میباشد که برای افزایش حساسیت در این ساختار و خصوصا کمکردن اثر قطب در گره ورودی بر روی پهنای باند، پیشنهاد شد. حلقه فیدبک محلی ایجادشده در تقویتکننده RGC هم باعث افزایش پهنای باند و هم موجب کاهش جریان نویز ارجاع شده در ورودی میشود.
-2 طراحی مدار پیشنهادی
خنثیکردن اثر خازنهای پارازیتی در ورودی تقویتکنندهی نشاندادهشده در شکل - - 1 مستلزم ایجاد مقاومت ورودی بسیار پایین است که باید در گستره باند عبور تقویتکننده نیز ثابت باشد. براساس تحلیل انجام شده در بخش قبل احراز چنین شرایطی لازم می دارد تا حاصل ضرب بهره در پهنای باند تقویتکننده فیدبک به اندازه کافی بزرگ باشد. اگرچه فیدبکی که توسط تقویتکننده سورس مشترک در ساختار [1] RGC ایجاد می شود، مقاومت ورودی بسیار پایینی را در این ساختار ایجاد می کند اما این امپدانس کم به خاطر محدود بودن حاصلضرب بهره در پهنای باند تقویتکننده سورس مشترک ثابت نیست و با افزایش فرکانس افزایش می یابد. برای افزایش پهنای باند تقویت کننده فیدبک در ساختار RGC ،یک سلف مطابق شکل - - 1 میان گره X و گیت MB قرار می دهیم.
شکل.1 استفاده از یک شاخه رزونانسی جهت افزایش حاصلضرب بهره در پهنای باند تقویت کننده فیدبک
شکل.2 مدار معادل تقویت کننده امپدانس انتقالی پیشنهادی
ZT - s - در مدار معادل تقویتکننده، از رابطهی زیر بدست میآید که در این روابط ،Ayx ، بهره ولتاژ در گره y نسبت به گره x است. حداکثر دامنه جریان قابل اعمال به ورودی که تقویتکننده به ازای آن می تواند کماکان به صورت خطی عمل کند را شرایط بایاس ترانزیستور M1 مشخص میکند. افزایش جریان ورودی موجب افزایش ولتاژ سورس این ترانزیستور و کاهش ولتاژ گیت آن می شود . بنابراین حداکثر جریان قابل اعمال به ورودی تقویتکننده، جریانی است که باعث کاهش ولتاژ گیت-سورس تا ولتاژ آستانه می شود.
نتایج شبیه سازیها نشان میدهند که حداکثر جریان قابل اعمال به ورودی تقویتکننده پیشنهادی که ولتاژ گیت-سورس M1 به ازای آن تا ولتاژ آستانه کاهش می یابد حدودا 200µA است. حداکثر دامنه جریان قابل اعمال به ورودی که تقویتکننده به ازای آن می تواند کماکان به صورت خطی عمل کند راشرایط بایاس ترانزیستور M1 مشخص می کند.
افزایش جریان ورودی موجب افزایش ولتاژ سورس این ترانزیستور و کاهش ولتاژ گیت آن می شود. بنابراین حداکثر جریان قابل اعمال به ورودی تقویت کننده جریانی است که باعث کاهش ولتاژ گیت-سورس تا ولتاژ آستانه می شود. نتایج شبیه - سازیها نشان میدهند که حداکثر جریان قابل اعمال به ورودی تقویت کننده پیشنهادی که ولتاژ گیت-سورس M1 به ازای آن تا ولتاژ آستانه کاهش می یابد حدودا 200µA است.
با توجه به روابط بدست آمده در فوق، می توان مدار پیشنهاد شده در شکل بالا را برای دستیابی به بهره و پهنای باند مطلوب طراحی کرد. شکل - - 3 مدار کامل تقویتکننده پیشنهاد شده را نشان می دهد.
شکل .3 تقویت کننده امپدانس انتقالی پیشنهادی
-3 تحلیل نویز
یکی از معیار های مهم شایستگی در تقویتکنندههای امپدانس انتقالی چگالی طیفی نویز ارجاعشده به ورودی5]،[4 میباشد که به طور مستقیم بر نرخ خطای بیت در سیستمهای نوری تاثیر می گذارد.
مقاومتهای RD و RS عامل اصلی تولید نویز در فرکانس های پایین می باشند. اما در فرکانس های بالا ترانزیستور های M1 و MB عمدهترین عوامل تولیدکننده نویز در ساختار RGC هستند. ظرفیت های پارازیتی، نویز ارجاع شده به ورودی ساختار RGC را افزایش میدهند. در واقع نرخ افزایش چگالی نویز در ورودی در فرکانس های بالا به اندازه ظرفیتهای پارازیتی که در ورودی ساختار ایجاد میشوند بستگی دارد.
جداسازی ظرفیتهای پارازیتی با استفاده از شبکههای هماهنگ، سهم نویز تولیدشده توسط M1 و MB در داخل پهنای باند مطلوب را به طور موثری در ورودی کاهش می دهد.
استفاده از شبکه پیشنهادی در ورودی ساختار RGC، هم پهنای باند را افزایش می دهد و هم کاهش چگالی نویز در ورودی را در داخل پهنای باند مطلوب به دنبال خواهد داشت.
-4 نتایج شبیه سازی
تقویت کننده امپدانس انتقالی پیشنهاد شده در بخش قبل در تکنولوژی 0/18µm طراحی شده است. به منظور مقایسه معقول با نتایج عملی گزارش شده در مراجع، علاوه بر استفاده از مدلهای شبیهسازی مربوط به شرکت TSMC ، پروسه شبیهسازی مدار RGC، هم در حالتی که از مدار هماهنگ نردبانی و هم در حالتی که از شبکه هماهنگ پیشنهادشده در ورودی استفاده شده، انجام شده است. نتایج شبیه سازی پاسخ فرکانسی در شکل - - 4 نمایش داده شده است.
شکل .4 پاسخ فرکانسی تقویت کننده امپدانس انتقالی پیشنهادی
