بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله یک تقویت کننده گسترده CMOS برای کاربردهای ارتباطات بیسیم و گیرنده های نوری پهن باند شبیه سازی خواهد شد.این تقویت کننده دارای فرکانس بهره واحد 15GHz می باشد و شامل ُ طبقه با ترکیب cascode می باشد . بهره ثابت در رنج وسیعی از فرکانس از مهمترین ویژگی های تقویت کننده گسترده می باشد . از دیگر فاکتورهای مهم این تقویت کننده تطبیق امپدانس ورودی و خروجی مناسب و توان مصرفی نسبتا کم ان می باشد . این ساختار دارای بهره 13.7dB و تطبیق امپدانس ورودی و خروجی به ترتیب -9.5dB , -11.5dBمی باشد این مواد از تغذیه 1.8 ولت توان 30mw را مصرف می کند.
ٌ - مقدمه
تقویت کننده های گسترده - DA - ، کاربردهای متنوع در سیستم های رادار ، ارتباطات نوری ، مخابرات ماهواره ای ، ارتباطات بیسیم و تجهیزات تست شبکه دارد . تقویت کننده های گسترده معمولا به عنوان یک تقویت کننده پهن باند مناسب در مخابرات نوری استفاده می شوندو چون دارای بهره ثابتی در محدوده پهنای باند وسیع خود هستند ، از پراکندگی سیگنال دریافتی جلوگیری می کند .
همچنین در ارتباطات بیسیم پهن باند - UWB - ، به تقویت کننده سیگنال در محدوده فرکانسی 3.1 GHz تا 10.6GHz نیاز می باشد که یک انتخاب مناسب برای پیاده سازی آن با توجه به پهنای باند وسیع آن تقویت کننده های گسترده می باشد . DA های اولیه با استفاده از لامپ های خلاء و MESFET های GaAS سرعت بالا ساخته شدند . [1] در سال های اخیر توسعه تکنولوژی VLSI ما را قادر به ساخت قسمت های آنالوگ و دیجیتال یک فرستنده و گیرنده ارتباطی پهن باند به صورت مجتمع بر روی یک تراشه - SoC - کرده است. [2] لذا از تکنولوژی CMOS بجای تراشه های MMIC ، GaAs یا تکنولوژی دو قطبی SiGe بیشتر استفاده می شود که هم قیمت تمام شده آن کمتر بوده و هم امکان مجتمع سازی را خواهد داشت .
تکنولوژی های CMOS زیرمیکرون جدید با ترانزیستور هایی با فرکانس قطع بیش از 100GHz امکان پیاده سازی مدارهای RF فرکانس بالا را فراهم کرده اند . به علاوه افزایش تعداد لایه های فلزی برای اتصالات در تکنولوژی های جدید CMOS امکان پیاده سازی عناصر مجتمع غیر فعال از قبیل سلفها ، خطوط انتقال و خازن های خطی با ضریب کیفیت مناسب را به وجود اورده است. [3]
یک مشکل پیاده سازی تقویت کننده های گسترده پهن باند در CMOS به مشکل مخرب تزویج بدنه مربوط می شود مخصوصا در پروسه CMOS دیجیتال جدید ، میزان ناخالصی بالای بدنه و مقاومت کم آن ، موجب تلفات بالایی در سلف های مجتمع در فرکانس های بالای چند گیگا هرتز می شود . مشکلات دیگر در پیاده سازی این تقویت کننده ها سطح زیاد مورد نیاز برای پیاده سازی سلف ها و همچنین توان مصرفی بالای آن می باشد .
توجه به این نکته در طراحی مدارهای مجتمع RFدر تکنولوژی CMOS حائز اهمیت است که عناصر پارازیتیک ترانزیستورها و عناصر غیرفعال از جمله سلف های مجتمع کارآیی مدار را به شدت محدود می کند . در بخش ٍ، به بررسی ساختار و عملکرد تقویت کننده گسترده می پردازیم و ساختار پیشنهادی ارایه میشود.در بخش َ ، شبیه سازی نتایج و در بخش ُ ، نتیجه گیری از کل کار ارائه خواهد.
-نحوه عملکرد تقویت کننده های گسترده:
به طور معمول DA ها از دو خط انتقال که پایه های درین و گیت ترانزیستورهای FET را به یکدیگر وصل می کنند . تشکیل شده اند - شکل - a-1 اما در مدارهای مجتمع چون اتصالات از چند صد میکرومتر خیلی کمتر است ، این اتصالات نمی تواند برای فرکانس های زیر 40GHz به عنوان خط انتقال محسوب می شود لذا خط انتقال با ترکیب نردبانی از سلف ها و خازن های فشرده مدل می شود که خازن های داخلی ترانزیستور ها نقش خازن های خط انتقال را خواهند داشت - .[4] شکل - b-1 در این ساختار اثر محدود کننده پهنای باند خازن های داخلی ترانزیستور حذف شده لذا پهنای باند وسیعی خواهیم داشت ولی چون بهره به صورت جمع بهره طبقات موازی می باشد ، بهره کمتری خواهیم داشت .
در حالت ایده آل فرض می کنیم سیگنال ورودی بدون هیچ انعکاسی منتشر می شود. هر ماسفت، یک جریان به خط انتقال خروجی تزریق می کند، اگر فاز جریان مربوط به دو خط با هم برابر باشند، جریان آنها در خروجی با یکدیگر جمع می شود و سیگنال های خارج از فاز، در درین ترانزیستورها، هرز می رود. ماکزیمم فرکانس کاری یک تقویت کننده گسترده ، به وسیله فرکانس قطع خطوط انتقال ورودی وخروجی تعیین می شود.[7]
انتقال ورودی وخروجی به امپدانس مشخصه ختم شده اند به دست آمده است. دوم این که امپدانس ورودی و خروجی ترانزیستور کاملا خازنی و سلف ها بدون تلفات در نظر گرفته شده اند. سوم این که ترانزیستور ها کاملا یک طرفه در نظر گرفته شده اند .اگر تلفات مربوط به خط انتقال ورودی وخروجی را در نظر بگیریم، دیگر نمی توان گفت با افزایش تعداد طبقات، بهره الزاما زیاد می گردد چون به نقطه ای خواهیم رسید که سیگنال رسیده به گیت ترانزیستور به قدری کوچک خواهد بود که بهره ایجاد شده توسط طبقه فوق و تلفات خط انتقال خروجی اثر یکدیگر را جبران خواهند کرد..با تعریف دو کمیت d , g به عنوان ضریب تضعیف خطوط انتقال ورودی وخروجی، می توانیم تعداد طبقات بهینه برای رسیدن به بهره ماکزیمم را محاسبه نماییم.[6]
یکی دیگر از فرض هایی که در محاسبه روابط تقویت کننده فوق در نظر گرفتیم یک طرفه بودن ترانزیستور مورد استفاده در ساختار فوق می باشد. در واقع، در ساختار سورس مشترک در اثر وجود خازن گیت- درین، ایزولاسیون کمی بین ورودی وخروجی وجود دارد، در نتیجه ترانزیستور فوق یک طرفه نخواهد بود، این امر طراحی تقویت کننده فوق را بسیار پیچیده تر خواهد نمود. یک روش برای بهبود ایزولاسیون بین خروجی و ورودی استفاده از ساختار کسکود می باشد.
در این مقاله از ترکیب Cascode برای ترانزیستورها استفاده شده است که مزیت آن نسبت به ترکیب سورس مشترک با توجه به اثر خازن Cgd است چون در ترکیب سورس مشترک کم شدن اثر میلر این خازن بهره طبقه ضرب شده و در گیت ظاهر می شود و پهنای باند را محدود می کند. مزیت دیگر ترکیب Cascode اینست که خطوط انتقال درین و گیت از هم مجزا شده و هر خط را با تنظیم ابعاد ترانزیستور های M2 , M1 به صورت مستقل از دیگری می توان طراحی کرد .
در طراحی مدار شکل ٍ ، توجه به این نکات ضروریست هر چه ابعاد ترانزیستور M2 بزرگتر باشد بهره بیشتر ولی پهنای باند کمتر می باشد . ولتاژ بایاس ورودی جریان ترانزیستورها را مشخص می کند که هر چه جریان بیشتر باشد بهره افزایش می یابد ولی از طرف دیگر توان مصرفی و سویینگ ولتاژ خروجی بدتر می شود . ولتاژ بایاس ترانزیستور M1 بایستی طوری انتخاب شود که ترانزیستور ها در ناحیه فعال باشند و مقادیر سلف ها به شکلی به دست می آید که امپدانس مشخصه خطوط انتقال درین و گیت ًِ اهمی باشد .
َ- شبیه سازی نتایج:
شبیه سازی مدار با Hspice RF با تکنولوژی 0.18ʽmصورت گرفته است این مواد با تغذیه 1. 8 v و توان مصرفی 30 mw می باشد . شکل - َ - نشان دهنده بهره تقویت کننده و شکل - ُ - و - ِ - نشان دهنده تطبیق امپدانس ورودی و خروجی که به ترتیب دارای مقدار -9.5dB , -11.5dB می باشد . عدد نویز این تقویت کننده کمتر از 4.5dB می باشد . مجموع مقایسه این مدار با دیگر مدارات در جدول - ٌ - آورده شده است .
