مقاله طراحی و شبیه سازی یک تقویت کننده کم نویز درسیستم های فرا پهن باند با توان مصرفی کم و با استفاده ازتکنولوژی TSMC 0 . 18µm CMOS

بخشی از مقاله

چکیده

در سال های اخیر تکنولوژی های مخابراتی پیشرفت بسیار زیادی داشته است، رشد فوق العاده صنعت بی سیم، دسترسی جهانی به اینترنت و افزایش تقاضای انتقال اطلاعات با سرعت بالا، برداشتن گام های بزرگ در زمینه تکنولوژی های مخابراتی را ضرورتی اجتناب ناپذیر می نماید. یک گیرنده مخابراتی به عنوان یکی از ارکان سیستم های مخابراتی سیگنالی درحدود نانو ولت را دریافت می کند، بنابراین تقویت کننده کم نویز به عنوان دومین بخش این گیرنده ها برای اینکه سیگنال را بدون اعوجاج عبور دهد، باید بهره توان بالا و عدد نویز پایینی داشته باشد.

دراین مقاله یک تقویت کننده کم نویز، با توان مصرفی پایین در توپولوژی گیت مشترک1 مورد برسی قرارگرفته است و در باند فرکانس 3.1-10.6 GHz گیگا هرتز،که با استفاده از تکنولوژی TSMC CMOS 0.18ʽm شبیه سازی شده است. دراین مقاله برای کاهش مصرف توان از تکنیک استفاده مجدد جریان2 بهره گرفته ایم .

درطبقه ورودی از گیت مشترک برای بدست اوردن تطبیق ورودی خوب استفاده کردایم و درطبقه بعدی ازتوپولوژی سورس مشترک3 که نقش سازنده ای در افزایش بهره مدار دارد بهره برده و در نهایت درطبقه آخر از طبقه بافر استفاده کرده ایم. نتایج شبیه سازی مقدار گین18.5 4 تا 20.7 دسی بل، نویز فیگر - - NF برابر 2.8 تا 3.6 دسی بل5 و تطبیق ورودی وخروجی کمتراز منفی 10 دسی بل که مطلوب می باشد را نشان می دهد. به منظور کاهش توان مصرفی، ولتاژ تغذیه 1.4 ولت انتخاب شده است، که توان مصرفی برابر 3.9 میلی وات را داراست.

.1 مقدمه

در دهه اخیر سیستم های الکترونیکی و مخابراتی مخصوصا در فرکانس های بالا و باند فرکانسی پهن پیشرفت های چشمگیری داشته و به مدارهایی نیاز است تا بتواند اطلاعات را با سرعت بالا و با کم ترین نویز انتقال دهد. در سیستم های گیرنده نیز حساسیت بیشتر است. زیرا سیگنال دریافتی که ممکن است حاوی اطلاعات مهم باشد، نباید توسط آن تخریب شود و با کیفیت بالا به طبقات بعدی ارسال شود. از آنجایی که تقویت کننده کم نویز در یک گیرنده از نوع سیستم های پهن باند، اولین دریافت کننده سیگنال ورودی است از حساسیت ویژه ای برخوردار است.

در تقویت کننده کم نویز پهن باند، مقدار نویز و همچنین ضریب تقویت از مهم ترین پارامتر ها می باشد و نیاز است تا یک طراح تقویت کننده داشته باشد تا کمترین نویز و بیشترین گین را درباند فرکانسی مورد نظر تولید کند. همانند کلیه مدارات الکترونیکی پایداری یکی دیگر از پارمترهای مورد توجه در طراحی می باشد، که در قسمت انتهایی مورد بررسی قرار می دهیم. اخیرا طراحان سیستم های الکترونیکی سعی می کنند تا کم ترین مقدار تلفات را در مدار داشته باشند.

در سیستم های پهن باند گیرنده دارای یک Correlator می باشد که سیگنال دریافتی را با یک سیگنال الگو مقایسه می کند. درشکل 1، بلوک دیاگرام کلی یک گیرنده باند فراپهن ساده نشان داده شده است.

شکل 1، بلوک دیاگرام کلی یک گیرنده باند فراپهن

بنابراین به این حلقه می توان همانند یک PLL نگاه کرد. این مدار به خوبی داده ها را بازیابی و بازنشانی می کند و چالش برانگیزترین قسمت در سیستم های فراپهن باند بخش تقویت کننده کم نویز و میکسر1 موجود در Correlator می باشد، که دراینجا تقویت کننده کم نویز مورد بررسی واقع می شود. در شکل 2، ساختار داخلی یک Correlator فراپهن باند ساده نشان داده شده است.

شکل 2، ساختار داخلی یک Correlator فراپهن باند ساده

این ساختار از یک میکسر، تقویت کننده کم نویز، انتگرالگیر و قسمت نمونه گیری ونگهداری2 تشکیل شده است. برای طراحی تقویت کننده کم نویز و همچنین میکسر دریک سیستم فراپهن باند باید ورودی وخروجی این المان ها را درسیستم فراپهن باند به امپدانس 50Ω اهم منطبق کنیم. بنابراین نمی توان مانند سیستم های باند باریک از کاهش سلف امیتر ترانزیستور یا هر نوع تطبیق سلفی بهره برد و درعوض باید از المان های غیرفعال برای این تطبیق استفاده کرد.

دراین تقویت کننده نیز طراحی با هدف توان مصرفی پایین انجام داده ایم . از آنجایی که تقویت کننده درسیستم های گیرنده بکار می رود لازم است، برای دریافت و ارسال سیگنال، تطبیق در ورودی و خروجی رعایت شود، اما نکته قابل توجه این است که پارمترهای تقویت کننده می بایست در کل باند فرکانسی پابدار باشند و یا کم ترین تغییرات را داشته باشند.

کاربردهای زیادی می توان برای سیستم های پهن باند نام برد که بطور خلاصه عبارتند: کاربردهای شبکه های بی سیم محلی3 ، سیستم های تصویری، سیستم های مخابراتی جهت استفاده در منازل و مکان های عمومی، کاربردهای برخی از سنسور ها ، رادارها، کاربردها در حالت مجتمع که نویز و توان مصرفی کم دارند مانند سیستم های موبایل، دوربین های دیجیتال و غیره.

.2 ساختار تقویت کننده کم نویز توپولوژی های مختلفی را می توان برای تقویت کننده کم نویز استفاده کرد. تقویت کننده توزیعی4 دارای گین مناسب می باشد،

اما به دلیل زیاد بودن تعداد ترانزیستورهای بکار رفته، سطح چیپ آن زیاد بوده و همچنین توان مصرفی بالایی دارد..[5][4] توپولوژی سورس مشترک دارای نویز کمتری می باشد و تطبیق مناسب را در ورودی دارد[6] و توپولوژی گیت مشترک که در کل باند فرکانس عملکرد خطی داشته و تطبیق ورودی و خروجی مناسبی دارد[7] ، مدارهای متفاوتی تا کنون بر اساس توپولوژی گیت مشترک مورد بررسی قرار گرفته اند.

شکل 3، شماتیک کامل مدار تقویت کننده کم نویز پیشنهادی را نشان می دهد. در این مدار نیز همانند مقاله های ذکر شده از توپولوژی گیت مشترک استفاده شده است، با این تفاوت که بیشتر مشخصه های یک تقویت کننده کم نویز نظیر بهره، عدد نویز، توان مصرفی و تطبیق ورودی در طرح موجود بهبود یافته اند.

شکل 3، شماتیک کامل مدار تقویت کننده کم نویز پیشنهادی

این تقویت کننده ازدو طبقه که شامل تقویت کننده گیت مشترک - M1 - و طبقه بعدی ازنوع تقویت کننده سورس مشترک - M2 - بهره برده است. درطبقه اول، امپدانس ورودی سیگنال RF آنتن - 50Ω - را به تقویت کننده فراهم می کند. طبقه گیت مشترک مانند یک سیستم میان گذر1 رفتار می کند که مشخصات امپدانسی ورودی کمی دارد، با از بین بردن اثرات میلر، ضریب بازگشت ورودی بهتری را ارائه می دهد. طبقه سورس مشترک مانند یک طبقه بهره عمل می نماید، که سیگنال های ضعیف 2 RFرا تا حد زیادی تقویت می کند. این دو طبقه با بهره گیری ازساختار استفاده مجدد جریانی سبب افزایش بهره وکاهش بهره معکوس درسیستم شده است.

ترانزیستور M4، که یک طبقه سورس فالوور3 می باشد، با ترانزیستورM3 بصورت کاسکود متصل شده است، و سبب کاهش توان مصرفی در کل سیستم می گردند، به عنوان بافر4 با طبقه سورس مشترک ترانزیستور M2 ، بصورت کسکید5 متصل گردیده و به منظور بهبود ایزولاسیون بین ورودی و خروجی بهینه سازی شده است. سورس فالورها اغلب به عنوان بافر یا انتقال دهنده سطح ولتاژ بکار می روند و برکل پاسخ فرکانسی اثر می گذارند. ترانزیستور M2، که یک منبع جریان است، یک جریان بایاسی را به ترانزیستور M3 فراهم می آورد.. خازن های Cs11,Cs12 و سلف های Ls11,Ls12 برای شبکه تطبیق ورودی بهره گرفته است.

از خازن وسلف های Cg22، Ld11,Lg21 که بصورت کوپل بسته شده اند، مسیر سیگنال را ازطریق ترانزیستور M2 منتقل می کند. با اضافه کردن خازن پس خورد Cs22 یک جریان AC با فرکانس بالا را از پایه سورس ترانزیستور M2 به زمین منتقل میکند، که از برگشت سیگنال تداخلی مدار کوپل شده به ترانزیستورM1 جلوگیری می کند. سلف Lg55، باعث هموار ترشدن بهره وثانیا فرکانس رزونانس باند بالا را نیز درسیستم فراهم می آورد. خازن ومقاومت Cs55،Cs44,Rs44 بخشی از شبکه تطبیق خروجی می باشند. سلف های Lg23,Ld22 برای هموار سازی بهره درکل باند فرکانسی مورد استفاده قرار گرفته است.

.2 تطبیق امپدانس ورودی هدف از تطبیق ورودی این است که بتوانیم در کل باند فرکانسی مورد نظر، تقویت کننده دارای امپدانس ورودی ثابت و نزدیک به امپدانس 50Ω را داشته باشد.