بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک ساختار جدید برای افزایش بهره و کاهش نویز المان تطبیق ورودی تقویت کننده توزیع شده پیشنهادشده است. که ساختار دیفرانسیلی با طبقات بهره کسکیدشده بهمنظور افزایش بهره است با تطبیق RL پیشنهاد میشود. بهمنظور اثبات روش پیشنهادی یک تقویتکننده توزیعشدهی 4 طبقه دیفرانسیلی با سلول های بهره کسکید شده با تطبیق پسیو در پروسه 180 نانومتر CMOS طراحی شد. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که در بازه فرکانسی 1 تا 15 گیگاهرتز، بهره بیشتر از 15 دسیبل و عدد نویز متوسط کمتر از 4/5 دسیبل است در این ساختار، در هیچ بازه فرکانسی در شرایط برابر عدد نویز بیشتر از 5 دسیبل نمیشود. بهمنظور اثبات روش پیشنهادی جدید یک تقویتکننده توزیعشدهی 4 طبقه وزن دهی شده، در پروسه 180 نانومتر CMOS طراحی و شبیهسازی شد. نتایج حاصل از جانمایی کامل نشان می دهد که در بازه فرکانسی 1 تا 15 گیگاهرتز عدد نویز متوسط در حدود 4/2 دسیبل و بهره در حدود 13/7 دسیبل بهبود حاصلشده است.
واژه های کلیدی: تقویتکننده توزیعشده، کسکید شده، ساختار دیفرانسیلی، نویز
-1 مقدمه
تقویتکنندههای پهن باند در بسیاری از سیستمهای مخابراتی ازجمله فرستنده گیرندههای ماهوارهای، رادارهای پالسی، گیرندههای نوری و سیستمهای مخابراتی با نرخ ارسال بالا مورداستفاده قرارگرفتهاند، تعداد زیادی از طراحان، روشهای متنوعی را برای افزایش پهنای باند تقویتکنندهها ابداع کردهاند. ازجمله این روشها میتوان به استفاده از فیدبک منفی، بهرهگیری از ایجاد پیک بهوسیله ی قطبهای مزدوج مختلط، تقویتکنندههای توزیعشده1 و استفاده از مقاومت و خازن منفی اشاره کرد. در این مقاله به دنبال ساختار کم نویزی هستیم که در محدوده وسیعی از پهنای باند، تطبیق و عدد نویز قابلقبولی را ارائه دهد. تقویتکننده توزیعشده دارای پهنای باند زیاد و مقاومت ذاتی در برابر تغییرات پروسه نسبت به سایر تقویتکنندهها است .[1]
بعضی از روشها به دنبال تغییر در مکانیسم تقویت سیگنال و بعضی دیگر به دنبال کاهش تلفات و تغییر در ساختار خط انتقال هستند. این روشها را در دو گروه خاص دستهبندی میکنند. دستهی اول شامل روشهایی است که از اثر تزویج متقابل سلفها در خط انتقال بهره گرفته است، دستهی دوم شامل روشهایی است که از تکنیک کاهش تدریجی عرض خط انتقال بهره بردهاند. در [2] از اثر تزویج سلفها استفادهشده است. در [3] نیز از خط انتقال با سلفهای تزویج شده استفادهشده است که از سلفهای تزویج شده، فقط در خط انتقال ورودی بهکاررفته شده است. ایدهی اصلی بهکارگیری این تکنیک در این مرجع به خاطر بهبود رفتار فرکانسی سلولهای تقویت سیگنال است.
در [4] با استفاده از خازن منفی در خط انتقال ورودی، توانسته است خازنهای پارازیتی ترانزیستورها را کاهش داده و درنتیجه بهره و پهنای باند را افزایش دهد.یکی از روشهای مرسوم به منظور پهن باند کردن تقویتکنندههای کم نویز استفاده از خطوط انتقال مصنوعی بهمنظور افزایش پهنای باند است، تقویتکننده توزیعشده تقویتکننده است که دارای خواص تطبیق مناسب در ورودی و خروجی، پهنای باند خیلی وسیع، خطینگی بالا، نویز متوسط و توان مصرفی مناسب است. اساس کار تقویتکننده توزیعشده براساس جذب خازنهای پارازیتی توسط خط انتقال است. یکی از دلایل محدودیت پهنای باند، وجود خازنهای پارازیتی است؛ بنابراین اگر بتوان به صورتی این خازنها را حذف کرد پس میتوان نتیجه گرفت که پهنای باند نامحدود است که این کار با استفاده از خط انتقال انجام میشود. ازاینرو روشهای زیر بهمنظور حل این مشکل پیشنهادشده است. بهطور خلاصه روشهای:
1. 2CMSDA
2. 3CSSDA
3.ماتریسی
4.ساختار تقویتکننده توزیعشده با سلولهای بهره کسکیدشده
.5 تقویتکننده توزیعشده کاملاً تفاضلی
در [5] ساختار تقویتکننده توزیعشده کسکیدشده 3 معرفیشده است. در این ساختار برای افزایش بهره، تقویتکننده متداول پشت سرهم قرار داده میشود، بهطوری که علاوه بر مکانیسم جمع شوندگی از مکانیسم ضرب شوندگی نیز استفاده شود. این ساختار در شکل 1 مشاهده میشود. علاوه بر مساحت اشغالی زیاد در سطح تراشه و توان مصرفی بالا، ایجاد تلفات خط انتقال، بین ورودی به خروجی، بزرگترین عیب این ساختار است.بهمنظور استفاده کامل از مکانیسم ضرب، در تقویت سیگنال در [6] ساختار تقویتکننده توزیعشده کسکیدشده پیشنهادشده است که در شکل 2 قابلمشاهده است. CSSDA دارای مصالحه بین بهره، توان مصرفی و پهنای باند است. بهمنظور دادن درجه آزادی به سیستم و کاهش مصالحه بین مصرف توان، پهنای باند و بهره در تقویتکننده شکل 3، در [7 , 5] ساختار تقویتکننده توزیعشده با سلولهای بهره کسکید شده ارائهشده است.
در ساختار تقویتکننده توزیعشده با سلولهای بهره کسکید محدودیت تقویت سیگنال به دلیل مکانیسم ضرب است. علاوه بر این محدودیت، به علت کم بودن تعداد خطوط انتقال در ورودی، به نظر میرسد که تطبیق ورودی نیز دچار مشکل شود[1]، همچنین سهم نویز مقاومت تطبیق در ورودی، نیز در عدد نویز خیلی بیشتر میشود. چون سهم نویز مقاومت تطبیق در عدد نویز با تعداد طبقات یا تعداد خطوط انتقال رابطه عکس دارد.در [8] یک تقویتکننده کاملاً تفاضلی پیشنهادشده است، در طبقهی اول این تقویتکننده یک مدار پهن باند فعال سهطبقهی تبدیل سیگنال تک سر به سیگنال تفاضلی4 قرارگرفته است.
استفاده از تکنیک تبدیل سیگنال تک سر به تفاضلی، شش دسیبل بهرهی کل تقویتکننده را افزایش داده است. در ضمن با استفاده از ساختار تفاضلی کامل در این تقویتکننده، اثر نویز حالت مشترک نیز تا حد زیادی تضعیفشده است. یکی از معایب استفاده از بالن در این ساختار، دو برابر شدن نویز مقاومت تطبیق در ورودی است.ما در این مقاله به دنبال سه پارامتر افزایش بهره و حصول نویز کم و کاهش مساحت مصرفی در سطح آی سی در تقویتکنندههای توزیعشده هستیم.در این مقاله در بخش دو به بررسی عدد نویز تقویتکننده توزیعشده میپردازیم، بخش سه ساختار پیشنهادی پیاده سازی ساختار پیشنهادشده در تکنولوژی 180 نانومتر CMOS و نتایج شبیه سازیها، بخش چهار نتایج حاصل پست لایوت و در قسمت 5 نتیجهگیری ارائه و جدول ارائه خواهد شد.
-2 بررسی عدد نویز تقویتکننده توزیعشده متداول
در این قسمت به بررسی روشهایی می پردازیم که عدد نویز این نوع تقویت کننده را، با در نظر گرفتن تمامی منابع نویز محاسبه کردهاند . در شکل 5 کلیه منابع نویز موجود در تقویتکننده ی توزیعشده را نشان میدهد. نکته بسیار مهم در محاسبات مرجع [9]، در نظر گرفتن همبستگی بین نویز درین با نویز گیت است. اهمیت و تأثیر همبستگی بین نویز درین و گیت، در فرکانسهای بالا بر عدد نویز قابلتوجه است .[10] مسئلهی مهمتر، به منابع نویزی برمیگردد که خط انتقال گیت را تحریک میکنند. هر منبعی که در گیت وجود دارد از دو مسیر پیشرو و پس رو به خروجی میرسد. این موضوع در شکل 5 نشان دادهشده است.بهمنظور سهولت در انجام محاسبات نویز، همچنین تسهیل در فهم معادلات موجود در [6]، تابع انتقال ولتاژ خروجی به جریان تست وارده، به یک نقطهی دلخواه از خط انتقال گیت را، به دست خواهیم آورد.
هدف به دست آوردن ولتاژ خروجی، در اثر اعمال منبع جریان تست، به گیت r مین طبقه است. شرایط حاکم برمدار عبارت است از:اگر منبع جریان تست، دقاًی در دو سر مقاومت تطبیق ورودی به مدار اعمال شود، مسیر پیشرونده برای این منبع تست ایجاد نشده و فقط سیگنال از مسیر پسرو به خروجی راه مییابد، پس از سادهسازی معادله - 1 - ، به معادلهی حائز اهمیت - 2 - دست پیدا خواهیم کرد. با به توان دو رساندن قدر مطلق رابطهی - 2 - تابع انتقال نویز مقاومت تطبیق خط انتقال ورودی حاصل میشود. فرم جالب سینک مانند این تابع، در معادلهی - 2 - دیده میشود.
