بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک تقویت کننده توزیع شده CMOS که در سلول بهره آن از ترکیب دو ساختار کسکود تنظیم شده استفاده شده ارائه و در تکنولوژی 0.13 ʽm CMOS شبیه سازی شده است. توپولوژی ارائه شده در این مقاله باعث می شود تا پهنای باند این تقویت کننده به صورت چشمگیری افزایش یابد.
از مزیت های مهم دیگر این طراحی می توان به بهره بالا، نویز خیلی کم و حفظ کامل تطبیق امپدانس ورودی و خروجی اشاره نمود که در مقایسه با کارهای انجام شده در این تکنولوژی برتری آن کاملاً محسوس می باشد. تعداد طبقات تقویت کننده در بهینه ترین حالت محاسبه شده و تعداد آن سه طبقه می باشد. بهره تقویت کننده پیشنهادی 16/7 0/6 و پهنای باند 3-dB آن 26/5 گیگا هرتز می باشد.
تطبیق امپدانس ورودی و خروجی و ایزولاسیون معکوس بسیار خوب از مزیت های دیگر آن بوده که باعث پایداری بیشتر تقویت کننده گردیده است. نویز این تقویت کننده نیز دارای مقدار میانگین dB 2/86 می باشد و توان مصرفی آن 51/54 میلی وات می باشد.
.1 مقدمه
با توجه به نیاز روز افزون در زمینه ارسال داده ها با حجم زیاد و سرعت و کیفیت مناسب، برای تعداد زیادی از کاربران به صورت همزمان، مهمترین عامل در سیستم های ارتباطی مدرن، نو آوری در ارتباطات بی سیم و RF است. همچنین افزایش نیاز به سرعت انتقال داده در مدارهای مجتمع، سیستم های ارتباطی را به داشتن پهنای باند وسیع تر مجبور می کند. بطوریکه در طراحی به عنوان یک اولویت مهم در نظر گرفته میشود.
طراحی و یکپارچه سازی مدارات آنالوگ سرعت بالا برای کاربرد هایی از قبیل شبکه های بی سیم در محدوده فرکانس های بالا نیازمند تطبیق دادن مشخصات ضد و نقیض از جمله فرکانس کاری، بهره، توان، نویز و تطبیق امپدانس می باشد. بنابراین طراحی تقویت کننده های فرا پهن باند یکی از مهمترین مسائل در شبکه های بیسم می باشد. تا به حال شیوه های مختلفی از جمله Inductive Peaking، Capacitive Peaking، فیدبک منفی و تقویت کننده توزیع شده مطرح گردیده است. تقویت کننده های توزیع شده با پهنای باند وسیع، راهکار تازه ای برای تکنولوژی بیسیم،
با قابلیت انتقال حجم بالایی از اطلاعات به صورت دیجیتال با توان کم می باشند. این تقویت کننده ها توانایی انتقال حجم بالای داده در طیف وسیعی از باند فرکانسی را دارا می باشند و همچنین مشخصات خوبی از قبیل ظرفیت بالای ارسال اطلاعات، تفکیک زمان و مکان خوب و اعوجاج چندمسیری کمتر را دارند. این سیستم ها سیگنالهایی را که در بعد زمان فشرده و در بعد فرکانس گسترده هستند را دریافت و ارسال می کنند. امروزه سعی می شود تا تقویت کننده های توزیع شده با بهره و محدوده فرکانسی بالا، نویز کم و ایزولاسیون معکوس و تطبیق امپدانس خوب طراحی گردد.
تقویت کننده های توزیع شده در مداراتی به کار می روند که در آنها بهره مسطح و تطبیق امپدانس خوب در ورودی و خروجی، در طیف وسیعی از فرکانس مد نظر باشد. سیستم های ارتباطی بی سیم با نرخ انتقال داده بالا، تعیین موقعیت مکانی دقیق، رادارهای تعیین موقعیت و رادارهای عکس بردار از عمق اهداف، تعدادی از کاربردهای این نوع تقویت کننده ها می باشد.
.2 بررسی تقویت کننده CMOS توزیع شده متداول
تقویت کننده های توزیع شده از دو بخش اصلی تشکیل شده اند: سلول های بهره و خطوط انتقال. سلول های بهره، نقش تقویت کنندگی و افزایش بهره را در تقویت کننده های توزیع شده بر عهده دارند و خطوط انتقال، شامل دو خط انتقال گیت و درین می باشند که از ترکیب خازن های پارازیتی سلول های بهره با سلف های روی تراشه تشکیل شده اند . شکل1 ساختار تقویت کننده توزیع شده متداول را نشان میدهد. سیگنال ورودی در طول خط گیت منتشر میشود و هر ترانزیستور قسمتی از سیگنال ورودی را دریافت میکند.
ولتاژ اعمال شده به گیت هر ترانزیستور توسط هدایت انتقالی ترانزیستور تقویت شده و باعث ایجاد جریانی در ترمینال درین می شود. در هر نقطه از خط انتقال درین، توان موج تقویت شده توسط ترانزیستور در حال منتشرشدن در جهت مستقیم به سمت بار و یا معکوس است. جهت تولید یک بهره مناسب لازم است که جریان های هر یک از ترانزیستورها در طول خط انتقال درین به سمت خروجی تقویت کننده به طور همفاز با یکدیگر جمع شوند - اصطلاحاً امواج خط درین به صورت تداخل سازنده با یکدیگر ترکیب شوند - . این بدین معنی است که اختلاف فاز بین ترانزیستورها در طول خط درین بایستی دقیقا برابر با اختلاف فاز بین ترانزیستورها در طول خط گیت باشد. این امر با انتخاب مناسب ثابت انتشار و طول مناسب خطوط انتقال گیت و درین برای رسیدن به حالت هم فازی مناسب سیگنال های خروجی به دست می آید.
شکل -1 تقویت کننده توزیع شده متداول
در سلول بهره از ساختارهای مختلفی می توان استفاده کرد که یکی از آنها ساختار کسکود می باشد. تقویت کننده کم نویز توزیع شده با ساختار کسکود،اثرات منفی را که ترانزیستور سورس مشترک به تنهایی دارد، کاهش می دهد. ساختار کسکود از ترکیب دو ترانزیستور گیت مشترک و سورس مشترک تشکیل می شود. ترانزیستور گیت مشترک در هر سلول موجب بهینه شدن عدد نویز در فرکانس های بالا می شود.
معادلات طراحی تقویت کننده های توزیع شده در [2] و [3] آورده شده است. بهره ولتاژ تقویت کننده توزیع شده متداول را می توان به صورت - - 1 نوشت :
که N تعداد طبقات، gm هدایت انتقالی، ωc فرکانس قطع خطوطانتقال و θ ثابت انتشار است. از - 1 - چنین به نظر می آید که می توان باافزایش N - تعداد طبقات فعال - بهره تقویت کننده های توزیع شده را برای یک پهنای باند ثابت افزایش داد اما این حالت فقط برای خطوط انتقال ایده آل و بدون تلفات صادق است. در عمل در اثر تلفات خطوط انتقال گیت و درین، بهره مستقیم تقویت کننده های توزیع شده با افزایش N به صورت یکنواخت زیاد نمی شود. تعداد بهینه سلول های بهره که به ازای آن می توان به بیشترین بهره در یک پهنای باند مشخص دست یافت معمولاً بین 3 تا 5 می باشد [3] و به همین علت نمی توان بهره را تا هر حد دلخواه با افزایش N افزایش داد.
در سال های اخیر تقویت کننده های CMOS توزیع شده به سبب پهنای باند وسیعشان مورد توجه قرار گرفته اند و ساختارهای متنوعی برای بهبود پارامترهای مختلف آن ها پیشنهاد شده است که در اینجا به معرفی برخی از این ساختار های ارائه شده می پردازیم. در مقاله [4] با استفاده همزمان از ساختار دو فیلتر در خطوط انتقال تقویت کننده توزیع شده بدین صورت که در خط انتقال گیت فیلتر چبی شف و در خط انتقال درین فیلتر باترورث بکار گرفته شده، توپولوژی نوینی را معرفی کرده است.
همچنین در مقاله [5] با استفاده از ساختارهای فیلترهای [4] و ترکیب نمودن تکنیک های دیگر مانند سلف تزویج، باعث شده است تا پهنای باند تقویت کننده افزایش و تطبیق امپدانس ورودی بهبود یابد. در مقاله [6] یک تقویت کننده پهن باند، کم مصرف و با بهره بالا ارائه شده است. سلول های بهره این تقویت کننده از ساختار کسکید و کسکود به صورت متوالی ساخته شده است. در مقاله [7] یک تقویت کننده کم نویز و با بهره بالا با استفاده از ساختار کسکود تنظیم شده اصلاح شده در سلول بهره ارائه شده است.
