بخشی از مقاله

خلاصه:

در این مقاله، یک تقویت کننده کمنویز برای باند 3.1GHz-10.6GHz طراحی و شبیهسازی شده است. تطبیق امپدانس باند وسیع و گین تخت و هموار دو تا از مهمترین فاکتورهای این تقویتکننده فراپهن باند میباشد. علاوه بر این دو پارامتر مهم، مقدار نویز فیگر پائین، خطسانی بالا، و مصرف توان کم دیگر فاکتورهای مورد علاقه میباشند. در طرح ارائه شده از یک توپولوژی گیت مشترک به همراه یک فیلتر پسیو باترورث مرتبه 3 برای دستابی به پهنای باند بالا و تطبیق امپدانس باند وسیع استفاده شده است.

برای به دست آوردن گین بالا و تخت و هموار از ترکیب سری سلف و مقاومت در درین طبقات استفاده شده است. تقویتکننده مذکور در استاندارد 0.13um CMOS طراحی و توسط نرمافزار ADS2009 شبیه سازی شده است. گین حاصله برای تقویتکننده برای کل پهنای باند برابر با 12~15 dB ، مقدار نویز فیگر برابر با 3~4.5 dB و مصرف توان به دست آمده برابر با 16 mW میباشد.

- 1 مقدمه

تکنولوژی UWB توسط FCC در فوریه سال 2002 به عنوان یک طرح بیسیم که معادلهی - - BW/fc > %20 را برآورده سازد، معرفی شد.[1] در این رابطه، fc فرکانس مرکزی باند است. در یک سیستم UWB پهنای باند کل باید بیشتر از 500 مگاهرتز باشد. پهنای باند تعیین شده برای UWB برابر 3.1~10.6 گیگاهرتز است. اگر کل باند 7.5گیگاهرتز به طور بهینه مورد استفاده قرار بگیرد، بیشترین توان قابل دسترس فرستندههای UWBتقریباً 0.556 mW و یا کمتر خواهد بود این مقدار تنها بخش کوچکی از توان انتقالی مورد استفاده در باندهای صنعت علوم پزشکی و - ISM - مثل استانداردهای WLAN IEEE 802.11a/b/gمیباشد.

این خصوصیت باعث میشود که UWB برای کاربردهای کوتاه برد داخل سالن و با نرخ بیت بالا و مصرف کم، گزینه ی بسیار مناسبی باشد. برای فواصل بین1~4 متری نرخ بیت می تواند به چندصد مگاهرتز هم برسد. برای فواصل بیشتر از20 متر، نرخ بیت قابل دسترس برای UWB نسبت به سیستمهای WLAN موجود و مثل 802.11 a/b/g ، کمتر خواهد شد

تقویت کننده های کم نویز پهن باند - LNA - ، امروزه در کاربردهای مخابراتی متنوعی چه آنها که پهنای باند وسیعی دارند وچه آنها که از سیگنال های باندباریک چندگانه که به طور همزمان پردازش می شوند، استفاده می کنند، نقش اساسی دارند.

یک مثال برای کابردهایی که دارای باند وسیع می باشند، تکنولوژی جدید فرا پهن باند - UWB - می باشد که در مخابرات کوتاه برد، کم مصرف با نرخ دیتای بسیار بالا به کار میرود. به عنوان مثالی برای کاربردهای از نوع دوم میتوان به سیستم های چند حالته -چند استانداردی، اشاره کرد. تامین گین به اندازه کافی در عین حالیکه نویز اندکی به تقویت کننده، در کل باند فرکانسی وسیع وارد شود، یکی از چالشهای پر دردسر طراحی تقویت کنندههای فرکانس رادیویی می باشد، بویژه اگر تقویت کننده کم نویز در تکنولوژی CMOS طراحی شود.

در این پروژه، روشی برای طراحی یک تقویت کننده کم نویز باند وسیع در تکنولوژی CMOS ارایه خواهد شد. هسته اصلی این مدار، یک تقویت کننده گیت مشترک به همراه یک فیلتر مرتبه 3میباشد. به خاطر اینکه تقویت کننده های گیت مشترک به طور ذاتی دارای پهنای باند وسیعی می باشند، امروزه به عنوان یکی از گزینه های پر طرفدار و موثر در طراحی مدارات تقویت کننده باند وسیع می باشد. این نوع تقویتکنندهها، این قابلیت را دارند که بتوانند تطبیق امپدانس ورودی را در یک محدوده فرکانسی وسیع تری، برآورده سازند.

این ساختارها توانستند گزینه مناسبی برای سیستمهای UWB باشند

. هر چند که به دلیل برخی مشکلات مربوط به ساختار داخلی بیس مشترکها، این توپولوژی به اندازه توپولوژیهای سورس مشترک مورد استفاده قرار نمیگیرند. ولی ساختارهای گیت مشترک همچنان یکی از انتخابهای محبوب مدارات باند وسیع می باشد.

- 2 ساختار تقویتکننده کمنویز فراپهنباند
بلوک دیاگرام ساختار LNA پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل:1 ساختار بلوکی تقویت کننده پیشنهادی

همانطور که در شکل بالا دیده می شود ساختار پیشنهادی از 4 طبقه اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:

طبقه - 1 شبکه فیلتر ورودی است که برای ایجاد تطبیق امپدانس باند وسیع و همچنین برای تنظیم کردن عملکرد LNA برای کار در باند UWB به کار میرود. برای طراحی فیلتر از ساختارهای متداول چبیشف و باترورث استفاده کردهایم. ولی در این مدار به دلیل اینکه فیلتر باترورث پهنای باند تخت و هموارتری دارد، از این نوع فیلتر استفاده شده است.

طبقه - 2 این طبقه، ورودی اصلی مدار است که به صورت گیت مشترک طراحی شده است که 50 اهم ورودی را تنظیم میکند.

طبقه - 3 این طبقه برای جبران گین پایین طبقه گیت مشترک به کار میرود وهمچنین باعث ارتقا پهنای باند وبهبود ایزولاسیون معکوس - - S12جهت جلوگیری از امکان نوسان در کل مدار، مورد استفاده قرار میگیرد.

طبقه - 4 از این طبقه معمولا در همه LNA ها جهت اهداف اندازه گیری پس از ساخت به کار میرود و به عنوان یک طبقه اصلی محسوب نمیشود ولی در این ساختار علاوه بر کاربرد بالا برای ایجاد تطبیق امپدانس باند وسیع در خروجی به کار میرود. در واقع میتوان از آن به عنوان یک بخش اصلی یاد کرد. شکل اصلی مدار نیز در زیر آورده شده است، البته منابع بایاس این مدار در شکل زیر هنوز در نظر گرفته نشده است.

شکل :2 ساختار کلی LNA - بدون بایاس -

- 3 طراحی فیلتر ورودی

فیلتر ورودی چنین مداراتی اصولا از المانهای غیر فعال تشکیل میشود. چرا که اینگونه فیلتر ها بر نویز مدار اضافه نمی کند و همچنین باعث افت توان ورودی نمی شوند. فیلتر انتخابی برای این مدار یک فیلتر میانگذر مرتبه سوم است که برای دو حالت چبیشف و باترورث طراحی و شبیهسازی میشود و یکی از این مدلها که بهتر جواب بدهد به عنوان فیلتر ورودی انتخاب میشود. شکل زیر فیلتر مورد نظر برای این مدار را نشان میدهد .[3]

در شکل زیر یک نوع فیلتر پایینگذر همراه با روابط مربوط به آن آمده است:

شکل:3 فیلتر پایین گذر

تابع تبدیل فیلتر باترورث پایین گذر به صورت زیر می باشد :
که در آن n مرتبه فیلتر H0 نیزتضعیف dc است که کوچکتر یا مساوی 1 است. در شکل 3 پاسخ فرکانسی فیلتر باترورث نشان داده شده است.

شکل:4 پاسخ فرکانسی فیلتر پایین گذر باترورث

حال اگر این فیلتر به جای اینکه باترورث باشد به صورت چیبیشف باشد آنگاه تابع تبدیل به صورت زیر خواهد شد.در روابط  بالا هماندامنه ریپل و c نیز فرکانس قطع 3dBاست.                                        

پاسخ فرکانسی فیلتر چبیشف نیز به صورت زیر است.        

شکل :5 پاسخ فرکانسی فیلتر پایین گذر چیبیشف
از شکلهای 4 و 5 مشاهده میشود که فیلتر باترورث داری پهنای باند تخت و همواری است.

روش عمده در طراحی فیلترهای میانگذر این است که ابتدا فیلتر را به صورت پائین گذر طراحی میکنند و سپس با استفاده از روابط زیر مقادیر به دست آمده برای فیلتر پائینگذر را به حوزه میانگذر میبرند.

که در این روابط Lk و Ck مقادیر سلف و خازن مربوط به فیلتر میانگذری است که در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل :6 فیلتر میان گذر

وبه طور خلاصه نتایج حاصل از هر دو فیلتر را درجدول زیر می نویسیم. تمام مقادیر برای باند 3.1~10.6 GHz محاسبه شده است.

جدول : - 1 - مقادیر المانهای فیلتر طراحی شده برای دو حالت

- 4 مدار تقویت کننده کم نویز

سیگنال عبور کرده از فیلتر وارد یک ترانزیستور گیت مشترک می شود. ورودی این گیت مشترک امپدانس ورودی برابر با 1/gm دارد. این امپدانس در واقع بار فیلتر ورودی محسوب میشود. البته مقدار دقیق این امپدانس از رابطه زیر حساب می شود :

شکل : 7 مدار مربوط به طبقه گیت مشترک با فرض اینکه کل فیلتر ورودی را با سمبل Ls نشان داده ایم

جهت افزایش پهنای باند طبقه دوم ، از روش shunt-peak که متشکل از یک سلف و مقاومت سری می باشد، در درین M1 استفاده می شود. کم بودن مقاومت خروجی CG عموما به خاطر این است که ادوات کانال کوتاه امروزی دارای rds کوچکتری هستند مثلا این مقدار برای تکنولوژی 180 نانومتر برابر 500 اهم است. کم بودن rds باعث کاهش گین و افزایش نویز میشود. [4] برای دستیابی به گین بالا و همچنین ایزولاسیون معکوس بهتر، خروجی طبقه گیت مشترک وارد یک ساختار کاسکود میشود. از سلف Lp به این دلیل استفاده شده است که در فرکانسی برابر با مرکز پهنای باند، با خازنهای پارازیتی گره مذکور، به حالت تشدید درآمده و اثرات آنها را خنثی کنند و با این کار باعث بهبود پهنای باند و گین مدار میشود. برای ایجاد کل ولتاژهای بایاس از ساختار زیر استفاده شده است.

شکل:8 مدار بایاس ترانزیستورها

خازن C-DC که مقداری در حدود چند ده پیکوفاراد دارد در کل باند فرکانسی UWB اتصال کوتاه می شود. با این کار خازن های پارازیتی ترانزیستور بایاس نمی توانند درNF و پهنای باند اثر تخریبی بوجود بیاورند، البته این خازن CB فقط برای بایاس M1 مورد نیاز میباشد

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید