بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله، یک تقویتکننده فوق کمنویز با قابلیت سوئیچ باند فرکانسی مورد طراحی، شبیهسازی و ساخت قرار میگیرد. محدوده فرکانسی این تقویتکننده شامل باند 2.4GHz الی 2.5GHz و باند 3.1GHz الی 3.15GHz بوده و در کل پهنای فرکانسی مذکور باید دارای عدد نویز کمتر از 1dB، بهره کمینه 23dB و VSWR کمتر از 2 باشد. برای طراحی ابتدا با تکنیک سلفگذاری در سورس، ضریب پایداری تقویتکننده را افزایش داده و سپس مدارات تطبیق ورودی و خروجی برای باند فرکانسی اول طراحی شد. این فرایند با قرار دادن دو طبقه متوالی مشابه جهت دستیابی به بهره موردنظر تکمیل شد.
بهمنظور اجتناب از تکرار مدار در باند فرکانسی دوم، سوئیچزنی عناصر مدار تطبیق خروجی ایده مناسبی بود؛ چرا که علاوه بر عدم تأثیر روی عدد نویز، مقادیر قابلقبولی را برای سایر پارامترها بهدست میدهد. مقادیر ثانویه بهکمک نرمافزار ADS تحلیل و مقدار بهینه برای آنها انتخاب شدند. بهمنظور تغییر مقادیر مذکور از دو MOSFET برای اضافه کردن سلف و خازن اضافی در مدار تطبیق استفاده شد. در گام بعدی، با انتخاب مدار گرایش - بایاس - مناسب و اتصال آن به تقویتکننده طرح نهایی شبیهسازی و بهینهسازی شد و پس از ساخت یک نمونه آزمایشگاهی، نتایج مورد اندازهگیری قرار گرفت که انطباق قابلقبولی در نتایج تحلیل، شبیه-سازی و آزمایشگاهی مشاهده شد.
-1 مقدمه
گیرنده رادیویی است؛ چرا که از طرفی باید سیگنال ورودی کوچکی را که از آنتن دریافت میکند، بهمیزان مناسبی تقویت واحد تقویتکننده کمنویز - LNA - مهمترین بخش یک کند و از طرف دیگر، نویز این طبقه باید کم باشد، چون سهم بیشتری در عدد نویز کل سیستم گیرنده دارد. با اینحال در بسیاری از موارد نمیتوان بهطور همزمان به حداکثر بهره و حداقل "عدد نویز" دست یافت و باید بین بهره زیاد و نویز کم مصالحهای برقرار نمود. از پارامترهای مهم دیگری که در یک تقویتکننده کمنویز وجود دارد، میتوان به نسبت موج ساکن ورودی و خروجی و نیز نقطه فشردگی 1dB اشاره کرد.
در طراحی تقویتکنندههای کمنویز با توجه به باند فرکانسی، نوع کاربرد و اهمیت هرکدام از پارامترهای آن، کارهای مختلفی انجام شدهاست. اصول کلی طراحی این تقویتکنندهها در مرجع [1] آمدهاست. در مرجع[2]، یک تقویتکننده کمنویز یک طبقه در فرکانس 2.3GHz برای کاربرد در مخابرات سیار طراحی شده-است. روش طراحی به این ترتیب است که پس از انتخاب ترانزیستور - AFT-34143 - و پایدار نمودن آن توسط یک مقاومت شنت - موازی - ، با کمک نرمافزار ADS، مدارهای تطبیق ورودی و خروجی با گزینش S مناسب محاسبه شده و در نهایت مقدار بهره تقویتکننده در فرکانس 2.3GHz برابر با 17dB و عدد نویز آن برابر 0.73dB بهدست آمدهاست.
همچنین در مرجع[3]، برای طراحی تقویتکننده کمنویز از یکی از ترانزیستورهای خانواده ATF استفاده شدهاست. این تقویتکننده در باند S و بهصورت دوطبقه طراحی شدهاست. با انتخاب S مناسب، مدارات تطبیق بهکمک نرمافزار ADS طراحی شده که بهصورت دو تطبیق -L شکل در ورودی و خروجی ظاهر شدهاند. در فرکانس 3.1GHz، مقدار بهره برابر حدود 30dB و مقدار عدد نویز 1.25dB و مقدار VSWR ورودی و خروجی بهترتیب برابر 2.1 و 1.43 حاصل شدهاند.
در مرجع[4] نیز، یک تقویتکننده کمنویز در باند S و با تکنیک سوئیچزنی در مدار تطبیق ورودی طراحی شدهاست. این مدار در دو فرکانس 2.4GHz و 3.5GHz کار میکند و مقادیر بیشینه بهره برای این مدار برابر 21dB و کمینه عدد نویز برابر 2.6dB بهدست آمدهاند. در این مقاله با انتخاب ترانزیستور ATF-34143 شرکت agilent که دارای مشخصههای نویز و بهره مطلوب در باند فرکانسی موردنظر است[5] و پایدار نمودن آن با تکنیک سلف-گذاری در سورس برای محدودهی فرکانسی 2GHz تا 4GHz کار طراحی آغاز میشود.
هدف اصلی طراحی این است که تقویت-کننده کم نویز در دو محدوده فرکانسی اول 2.4GHz - تا - 2.5GHz و دوم 3.1GHz - تا - 3.15GHz دارای عدد نویز کمتر از 1dB، بهره کمینه 23dB و VSWR کوچکتر از 2 باشد. با توجه به مشخصات مذکور، از یک تقویتکننده دوطبقه با شبکههای تطبیق ورودی و خروجی یکسان برای هر طبقه استفاده میگردد.
ابتدا طراحی برای محدوده فرکانسی اول انجام شده و شبیهسازی میشود. پس از آن تنها با تغییر مقادیر سلف و خازن شبکه تطبیق خروجی طبقه دوم که توسط تکنیک سوییچزنی اجرا میشود، مشخصات موردنظر در باند فرکانسی دوم نیز محقق خواهند شد. در ادامه نتایج شبیه سازی نهایی به همراه مدار تغذیه که همگی توسط نرمافزار ADS انجام شده، ارائه میشوند.
-2 روش طراحی برای محدوده فرکانسی اول
بهمنظور طراحی، ابتدا لازم است ترانزیستور را در پهنایباند کاری مورد نیاز پایدار نمود. پس از این کار، با انتخاب مناسب ضریب انعکاس، ، برای ورودی و خروجی، مدارات تطبیق -L شکل برای باند فرکانسی اول تحلیل و طراحی میشوند. برای دستیابی به میزان بهره موردنیاز از روش توالی دوطبقه مشابه استفاده شده [6] و سپس نتایج شبیهسازی ارائه میشوند.
1؛-2 پایداری
پایداری ترانزیستور بر طبق روابط - 1 - و - 2 - مورد تحلیل قرار میگیرد. نتایج ارزیابی پایداری نشان میدهند که با توجه به عدم دستیابی به > 1 و ∆< 1، این ترانزیستور در محدوده فرکانسی باند S پایدار نیست. یکی از راههای پایدارسازی، تکنیک سلفگذاری در سورس است. با اضافه نمودن سلف با مقادیر مختلف در محدوده قابل-قبول، محاسبه پارامترهای پراکندگی و بررسی پایداری در مقدار 0.6nH پایداری محقق میشود. شکل 1 مقادیر K را برحسب فرکانس، پس از پایدار نمودن ترانزیستور نشان میدهد.
2؛-2 دوایر بهره و نویز ثابت
بهمنظور طراحی مدار تطبیق ورودی و انتخاب مناسب ضریب برگشتی - انعکاس - ، ، دوایر نویز و بهره ثابت را میتوان مطابق شکل 2 رسم نمود. دراین شکل خطوط پُررنگ، دوایر بهره ثابت و خطوط کمرنگ، دوایر نویز ثابت را برای فرکانس 2.4GHz نشان میدهد. برای انتخاب مناسب، باید بین بهره و نویز مصالحه برقرار نمود، بهطوریکه مثلا اگر برای داشتن عدد نویز کمتر، مقدار از روی دایره با عدد نویز کمتر انتخاب شود، ناچار به از دست رفتن میزان بهره بیشتر خواهد شد.
3؛-2 شبکههای تطبیق ورودی و خروجی
شبکه تطبیق ورودی برای تطبیق امپدانس منبع و شبکه تطبیق خروجی برای تطبیق امپدانس بار با ترانزیستور استفاده میشود. شبکههای تطبیق با عناصر فشرده میتوانند توسط سه ساختار شبکه تطبیق-Lشکل، شبکه تطبیق Pi و شبکه تطبیق T محقق شوند. در طراحی شبکهی مدار تطبیق ورودی در فرکانس 2.4GHz، برای جبرانسازی S ، از یک مدار تطبیق-Lشکل سلفی-خازنی استفاده میشود. به همین ترتیب برای مدار تطبیق خروجی، باید مقدار L توسط مدار تطبیق -Lشکل جبرانسازی شود. مقادیری که برای المانها در مدارهای تطبیق ورودی و خروجی در فرکانس طراحی 2.4GHz حاصل میشوند، در شکل 3 آمدهاند.
شکل .3 المانهای بهدستآمده در مدار تطبیق
برای طراحی طبقه دوم تقویتکننده کمنویز، از مدار تطبیق طبقه اول با همان مقادیر برای المانها استفاده شده و بهطور متوالی با طبقه اول بسته میشود. بدین ترتیب، مدار تقویتکننده کمنویز دوطبقه در باند فرکانسی اول طراحی شده و نتایج حاصل از شبیهسازی آن در شکل 4 نشان داده شدهاست.
