مقاله طراحی یک تقویت کننده کم نویز فوق پهن باند CMOS با توان کم

بخشی از مقاله

خلاصه

این مقاله، طرحی را برای یک تقویت کننده کم نویز فوق پهن باند CMOS و با توان کم ارائه می دهد که از یک تکنیک حذف نویز با فرآیند 760& 0.18 P 5 - استفاده می کند. UWB LNA پیشنهادی از یک ساختار استفاده دوباره از جریان استفاده می کند تا به جای استفاده از یک طبقه آبشاری، مصرف توان کل را کاهش دهد.

این ساختار، همان مقدار جریان DC برای اجرای همزمان دو ترانزیستور را مصرف می کند. استفاده از تکنیک تنظیم یک در میان، برای دستیابی به یکنواختی بهره در فرکانس موردنظر گزارش شده است تا نقاط فرکانس تشدیدی پایین و بالا را روی کل پهنای باند از 3,1 تا 10,6 گیگا هرتز داشته باشیم. نقاط تشدید از 3 گیگا هرتز تا 10 گیگا هرتز تنظیم شدند تا یکنواختی بهره کافی و اتلاف بازتابشی - برگشتی - را موجب شوند. بعلاوه، تکنیک حذف نویز برای حذف منبع غالب نویز استفاده شد که توسط اولین ترانزیستور تولید می شود.

نتایج شبیه سازی یک بهره تخت و یکنواخت - 10 dB <S21 - را با یک امپدانس ورودی خوب کمتر از -10 دسی بل و نیز یک مینیمم رقم نویز 2 دسی بل روی کل باند نشان می دهند. UWB LNA پیشنهادی، 15,2 میلی وات از یک منبع توان1,8 ولتی را مصرف می کند.

.1 مقدمه

ریشه پیدایش تکنولوژی پهنای باند گسترده به سالهای 1960 بر میگردد ،زمانی که کارهایی در زمینه بعد زمانی الکترومغناطیس انجام میشد . البته در عمل ریشه پهنای باند گسترده به سالهای 1890 زمانی که مارکنی از جرقه برای انتقال اطلاعات استفاده کرد، بر میگردد. پهنای باند گسترده ابتدا برای کاربرد های نظامی به کار برده شد و کاربرد اولیه آن در رادارها بود .

ولی بعداً در سال 1998 توسط FCC جنبه تجاری پیدا کرد . واژه پهنای باند گسترده یا همان UWB توسط - DARPA - در مطالعات راداری در سال 1990 بوجود آمد. این واژه در حقیقت برای ایجاد تمایز بین رادارهای مرسوم اولیه و رادارهای با شکل موجهای پالس کوتاه با پهنای باند نسبتا بزرگتر - بزرگتر از - %25 تعریف شد. اولین کارهای بنیادی مربوط به سیستمهای ارتباطی پهنای باند گسترده مربوط به تکنولوژی پالس باند پایه در سال 1973 میباشد .

در اوایل پیدایش ، پهنای باند گسترده به نامهای Carrier free ، باند پایه یا ضربه رایج بود که در حقیقت بیانگر این نکته بود که تولید سیگنال نتیجه یک پالس با Rise time بسیار سریع و یا یک ضربه میباشد که یک آنتن پهن باند را تحریک میکند. در اوایل سال 2002 میلادی تکنولوژی پهنای باند گسترده برای کاربردهای تجاری تصویب شد. این تکنولوژی جدید شیوه جدیدی در ارتباطات بدون سیم ابداع کرد که همان استفاده از حوزه زمان به جای حوزه فرکانس بود.

FCC پهنای باند -10 دسی بل یک سیگنال پهنای باند گسترده را بزرگتر از %25 فرکانس مرکزی یا بزرگتر از1,5 گیگاهرتز تعریف کرد. چندین دهه بود که پهنای باند گسترده در زمینه های راداری بکار می رفت، اما با تصویب یک آیین نامه جدید، کاربرد پهنای باند گسترده در مخابرات بدون سیم در پهنای باند فرکانسی 3,1 گیگاهرتز تا 10,6 گیگاهرتز آشکار شد. چندین ساختار برای LNA های پهن باند ارائه شده است. تقویت کننده گسترده، خطی بودن خوب، انطباق ورودی پهن باند و تقویت کنندگی خوبی ارائه میکند. اگرچه، این تقویت کننده نمی تواند به بهره بالا و نویز کم دست یابد. از طرف دیگر، مصرف توان بالا و اشغال فضای زیاد، این تقویت کننده گسترده چندان برای وسایل باتری خور قابل حمل و نقل پهن باند مناسب نیست.

علاوه بر آن، به خطوط انتقال با کیفیت نیاز دارد که برای کاربرهای کم هزینه مسئله خوبی نیست. استفاده از تقویت کننده های ترانزیستوری چند طبقه متداول که از ساختار سورس مشترک در طبقات آبشاری استفاده میکنند یا طبقات بازیابی جریان و آبشاری راه حل دیگری برای دریافت کننده های فوق پهن باند است. ولی واحدهای اضافه شده توان بیشتری مصرف میکند و خطی بودن را تضعیف میکند. یک طبقه بازیابی جریان سورس مشترک که از طریق تکنیک پشخور بدنه بایاس میشود سبب کاهش مصرف توان و کاهش خطی بودم و افزایش فضای اشغالی میشود.ساختارگیت مشترک بیشتر در تقویت کننده های پهن باند و فوق پهن باند مورد استفاده قرار میگیرد. به خاطر شبکه رزونانسی انطباقی ورودی، این تقویت کننده به راحتی و بدون سایر اجزا انطباق پهن باند ورودی را میسر میسازد. مشکل اصلی ساختار گیت مشترک، مشخصه نویز بالای آن است.

.2 پیشینه پژوهش

در مقاله [1] نقویت کنندههای کم نویز پهن باند در کاربردهای چند استاندارده که از چندین اسناتدارد پشتیبانی میکند، به طور همزمان مورد استفاده قرار میگیرد - مانند ارتباطات سلولی در پهنای باند 900 و 1800MHz، سیستم موقعیت یابی جغرافیایی، - - GPS در پهنای باند 1.2 و 1.5GHz، Wi-Fi در 2.4GHz و ... - . راه حل متداول برای دریافت کننده های چند بانده، بکارگیری چند تقویت کننده مبتنی بر سلف و خازن به صورت موازی است. این رویکرد سطح زیادی را در بر میگیرد.

در مقاله [2] در طول سالیان اخیر، رشد روز افزون برای نرخ تبادل اطلاعات بالا در ارتباطات وایرلس و همجنین قابلیت آدرس دهی با دقت بالا، استفاده از فرستنده/ گیرندههای فوق پهن باند با سرعت بیشتری مورد استفاده قرار گرفته است. تقویت کننده کم نویز - LNA - یک بلوک سازنده و شاخص در دریافت کنندههای فوق پهن باند است، به خاطر اینکه باید چندین نیازمندی از جمله انطباق خوب در ورودی و مشخصه نویز کاهش یافته در پهنای باند چندین گیگاهرتزی را فراهم میکند در حالی که توان کمتری مصرف و فضای کمتری را اشغال میکند.

در کاربردهای پهن باند، هم نقطه حائل مرتبه دوم ورودی - IIP2 - و هم نقطه حائل مرتبه سوم ورودی - - IIP3 برای کنترل تداخلات قوی مانند WLAN و استاندار GSM مهم هستند. از طرف دیگر ، عملکرد خطی آن با تغییرات تکنولوژی به دلیل اثر تحرکات میدانی بالا و کاهش مقدار منبع ولتاژ خراب می شود. بنابراین، خطی سازی فوق پهن باند در یک پروسه زیر میکرونی CMOS خیلی پیچیده است و تکنیک های بهبود خطی سازی باند باریک متداول برای LNA های فوق پهن باند موثر نیست. تکنیک های مختلفی در مرجع [3] برای بهبود خطی سازی LNA ها گزارش شده است.

شبکههای با سنسور وایرلس - - WSN، به عنوان یکی از مهمترین تکنولوژیهای سالهای اخیر در نظر گرفته میشوند که در مواردی مانند؛ کنترل و پایش سلامتی، اتوماسیون کارخانه و در سیستم نظارت امنیتی مورد استفاده قرار میگیرند.[4] استاندارهایی که برای این سیستمها در نظر گرفته شده است مثل IEEE802.15.4، این سیستمها را ملزم میکند که ساده، کمهزینه و از لحاظ توان، کم مصرف باشند و علاوه بر آن بتواند برای ماهها یا حتی سالیانی عملکرد مطلوب داشته باشد.

بیشتر این مدارات که بر اساس استاندار Zigbee هستند به وسیله باتری تغذیه میشوند. مهمترین شاخصه این مدارات بحث کممصرف بودن آنها است که قادر است برای چندین سال و فقط با استفاده از یک باتری عملکرد داشته باشد. استاندارد IEEE 802.15.4 از سه باند فرکانسی آزاد 860MHz، 920 MHz و 2400MHz استفاده میکند که در میان آنها فرکانس 2.4GHz متداولتر است. در مقاله [6] یک مدار بدون سلف CGLNA با فیدبک شنت و تکنیک DCCC ارائه شده است.

اگرچه این مدار برای عملکرد در فرکانس - 2.4GHZ علمی، پزشکی، صنعتی - طراحی شده است ولی این قابلیت را دارد که از باند فرکانسی 1MHZ تا 3.3GHz در استانداردهای چند منظوره به دلیل ماهیت بدونسلف بودنش، عملکرد داشته باشد. نتایج شبیه سازی درتکنولوژی 0,18 میکرومتر TSMC CMOS نشانگر این است که این تکنیک میتواند منجر به کاهش توان مصرفی میشود و سبب کاهش 967 میکرو واتی در LNA تفاضلی گیت مشترک میشود.

.3 روش پژوهش

شکل 1 نشان دهنده نمودار شماتیک UWA LNA پیشنهادی است. این مدار پیشنهادی از توپولوژی گیت مشترک در طبقه ی ورودی برای ویژگی های تطبیق امپدانس ورودی گسترده تشکیل شده است، و یک ساختار لغو نویز برای کاهش منبع نویز برجسته از M1، و یک ساختار بازیابی-جریان casecode برای توان مصرفی کم و یک بافر خروجی هم دارد. علاوه براین، پیک سری های-القاگر برای بسط پهنای باند در طبقه ی خروجی به کار رفت. مفاهیم طراحی LNA به صورت زیر آورده شده است.

شکل-1نمودار شماتیکی از UWB LNA پیشنهادی.