بخشی از مقاله
چکیده
هدف این مقاله طراحی مدار الکترونیکی تقویتکننده کم نویز با استفاده از تکنولوژی 0/18 میکرومتر سیماس بدون استفاده از سلف میباشد؛ تا علاوه بر قابلیت تجمیع پذیری بالا و کوچکتر شدن تراشه، پهنای باند آن بهبود یابد و در فرکانسهای بالا مورد استفاده قرار گیرد، به گونهای که با ایجاد بهره و پهنای باند مناسب، تا آنجایی که امکان دارد با استفاده از روش کاهش نویز و بازیابی جریان، توان مصرفی و نویز فیگر در دستگاههای مخابراتی کاهش یابد.
به منظور درستی روش طراحی تقویت کننده کم نویز، از نرمافزار طراحی سیستم پیشرفته1 به منظور شبیهسازی، مقایسه و تحلیل خروجیها استفاده میشود. در این تحقیق برای طراحی تقویتکننده از سلف استفاده نشده است، تا تقویت کننده برای کاربردهای مدار مجتمع با حجم کوچک مناسب باشد، و از تکنیک های کاهش نویز برای کاهش بیشتر عدد نویز استفاده شده و تلاش گردید که عدد نویز به کمتر از 2 دسیبل برسد. در نهایت با استفاده از چندین بازخورد، مدار حذف نویز و تکنیک بایاس بدنه، عدد نویز به مقدار 1/35 دسیبل کاهش یافته است.
مقدمه
هدف از دریافت کننده آنالوگ سر جلویی2 این است که شرایطی برای دریافت سیگنال آنالوگ به دیجیتال شدن مهیا شود تا بالاترین عملکرد بعد از آشکار شدن در دامنه دیجیتال قابل دستیابی باشد.
اولین و به احتمال زیاد ضروری ترین جزء از سیستمهای آنالوگ سر جلویی، تقویت کننده کم نویز است. تقویت کننده کم نویز، نوع خاصی از تقویت کننده های الکترونیکی است که در سیستم های مخابراتی، برای تقویت سیگنالهای گرفته شده از آنتن به کار می رود و اغلب در فاصله کمی از آنتن قرار میگیرد تا افت سیگنال در خطوط به حداقل ممکن برسد. استفاده از تقویت کننده کم نویز سبب میشود که نویز طبقات بعد بهوسیله بهره تقویت کننده کاهش یابد، ولی نویز تقویت کننده به طور مستقیم در سیگنال دریافتی تزریق میشود. لذا یک پیش شرط برای تقویت کننده کم نویز در حالی که سیگنال را تقویت میکند، آن است که نویز و اختلال بسیار کمی به آن بیافزاید، تا بازیابی سیگنال در طبقات بعد به نحو مطلوب صورت گیرد.
تقویت کننده کم نویز به عنوان اولین طبقه در مسیر گیرنده بیشترین سهم را در نویز گیرنده دارد و طراحی آن با توان کم و بهرهی بالا، می تواند راهگشای یک سیستم بسیار ارزان باشد که تمام اجزای آن روی یک تراشه قرار بگیرد. معیار عمومی بهکار برده شده برای تعیین عملکرد تقویت کنندههای کم نویز، نویز فیگر3 یا همان ضریب نویز است. که به عنوان نسبت سیگنال به نویز4 در ورودی تقویت کننده کم نویز، به نسبت سیگنال به نویز در خروجی تقویت کننده کم نویز تعریف میشود.
در[1] یک تقویت کنندهی کم نویز دیفرانسیلی با استفاده از تکنولوژی 0/18 میکرومتر سیماس طراحی شده است. برای افزایش میزان خطیت این تقویت کننده با استفاده از بازخورد مقاومت خازن5 در طبقهی گیت از تکنیک رد هارمونیک6 استفاده شده است.
در[2] یک تقویت کننده کم نویز گیت مشترک با مصرف توان پایین پیشنهاد شده است که در رنج فرکانسی3 - 5 گیگا هرتز کار میکند. در این مدار از یک طبقهی سورس مشترک استفاده شدهاست، که بعنوان طبقهی افزایش هدایت انتقالی کار میکند و جریان بایاس را با طبقهی گیت مشترک به اشتراک میگذارد . جزئیات تحلیل ریاضی این تقویت کنندهی پیشنهادی نیز ارائه شده است و موازنههای طراحی مختلف آنالیز شده است. تقویت کنندهی پیشنهاد شده در تکنولوژی 0/13 میکرومتر سیماس طراحی و ساخته شده است . بهرهی این مدار 13 دسیبل و عدد نویز آن 4/5 دسیبل میباشد. این مدار 3/4 میلی وات از منبع ولتاژ 1 ولت، توان مصرف میکند.
در این مقاله، در آخر با استفاده از چندین بازخورد، مدار حذف نویز و تکنیک بایاس بدنه، عدد نویز به مقدار 1/35 دسیبل کاهش یافته است، و پهنای باند تقویت کننده در دامنهی فرکانسی 3/1 -10/6 گیگا هرتز میباشد. در واقع عدم استفاده از سلف به منظور کاهش حجم تراشه، و استفاده همزمان از تکنیک چندین حلقهی بازخورد و تکنیک بایاس بدنه برای بهبود هم زمان پهنای باند و عدد نویز، از نوآوریهای این تحقیق میباشد.
بدنه اصلی مقالات
تقریبا تمام تقویت کنندههای کم نویز ارائه شده بر اساس ساختار گیت مشترک و سورس مشترک هستند.[3] ساختار سورس مشترک در شکل 1 نشان داده شده است. در فرکانسهای بالا خازنهای داخلی ترانزیستور که ناشی از ساختار ترانزیستور است فعال میشوند. به طور کلی ماسفت به کمک ترارسانایی خود، تغییرات ولتاژ گیت - سورس خود را به تغییرات کوچکی در جریان درین تبدیل میکند، که میتواند از یک مقاومت عبور کند و یک ولتاژ خروجی ایجاد کند که میتوان گفت آرایش سورس مشترک اینکار را انجام میدهد.
شکل :1 ساختار سورس مشترک این ساختار دارای بهره بالایی است و همچنین در افزایش پهنای باند
نیز موثر است. ساختار سورس مشترک دارای امپدانس ورودی نسبتا بالایی است. بر همین اساس برای کاهش تلفات ورودی از طبقه گیت مشترک استفاده میشود. زیرا دارای امپدانس ورودی پایین و سوئینگ خروجی مطلوبی است. ساختار گیت مشترک در شکل 2 نمایش داده شده است.
شکل :2 ساختار گیت مشترک
همچنین باید گفت که تقریبا تمام تقویت کنندههای کم نویز از ساختارهای زیر پیکربندی شدهاند که در شکل های 3 الی 5 نشان داده شده است.
شکل :3 تقویت کننده سورس مشترک
شکل :4 تقویت کننده فیدبک موازی
شکل :5 تقویت کننده گیت مشترک
با توجه به آنچه گفته شد، در ورودی مدار ارائه شده از اعمال تکنیک استفاده مجدد از جریان در تقویت کننده فیدبک موازی و تقویت کننده گیت مشترک استفاده میکنیم.[5] از این روش برای کاهش توان مصرفی استفاده میشود. این ساختار در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل :6 اعمال تکنیک استفاده مجدد از جریان در تقویت کننده فیدبک موازی و تقویت کننده گیت مشترک
همانطور که در شکل نشان داده شده بهره انتقال کلی از gmn به gmn+gmp بهبود یافته است.
ساختار تقویت کننده کم نویز بدون استفاده از سلف پیشنهادی در شکل شماره 7 ارائه شده است.
شکل شماره :7 شماتیک تقویت کننده کم نویز بدون سلف طراحی شده
این ساختار از سه طبقه تشکیل شده است. طبقه اول یک تقویت کننده گیت مشترک است و دو طبقه دیگر تقویت کننده فیدبک موازی است. در هر سه طبقه از تکنیک استفاده مجدد از جریان در تقویت کننده استفاده شده است. این ساختار تطابق ورودی خوبی را فراهم کرده است. در طراحی با استفاده از فیدبک مقاومتی عدد نویز بهتری خواهیم داشت. مقاومتهای فیدبک محلی RF1 و RF2 برای بایاس سرخود و پایداری نقاط کار دیسی استفاده شده است.
از طریق RF2 خروجیهای تفاضلی در مد مشترک قرار دارند. طبقه اول به صورت بایاس معکوس با شبکه فیدبک است. RB1 ، RB2 و CB سطح بایاس خروجی را تعیین میکنند.این ساختار به علت استفاده از فیدبک منفی به نوسانات منبع ولتاژ حساس نیست. خازن CF1 برای ایزوله کردن بایاسهای گیت MP1 و MN1 استفاده شده تا نقطه بایاس را بهینه کند.طبقه دوم مسئولیت بهره ولتاژ کلی را بر عهده دارد که از کاهش پهنای باند که در اثر ترانزیستورهای طبقه اول بهوجود میآید جلوگیری میکند. طبقه سوم نقش بافر به منظور حفظ بهره و فاز را دارد.
همچنین در این ساختار از تکنیک بایاس بدنه استفاده کرده ایم و بدنهی ترانزیستورها را با مقاومت به درین متصل کردهایم.
شکل شماره :8 نمودار عدد نویز تقویت کننده طراحی شده
شکل شماره :9 نمودار بهره تقویت کننده طراحی شده همچنین جدول شماره 1 مقایسه تقویت کننده طراحی شده با کارهای پیشین را مقایسه میکند.
