بخشی از مقاله
خلاصه: در این مقاله یک تقویتکننده کم نویز - LNA - با پهنای باند وسیع، با استفاده از سلف فعال، برای کاربردهای WiMAX بر مبنای تکنولوژی 0/18 میکرومتر CMOS طراحی شده است. در این طراحی از تکنیک حذف نویز در ساختار گیت مشترک جهت کاهش فاکتور نویز تقویتکننده استفاده شده است. در این کار با توجه به کارهای مشابه قبلی، سلف مارپیچی - غیر فعال - سری با ورودی طبقه آخر به ساختار LNA اضافه شده تا باعث کمتر شدن تغییرات گین در پهنای باند مورد نظر شود و از سلفهای مارپیچی اضافی که جهت بهبود تطبیق امپدانس و بالا بردن گین استفاده می شود، صرفنظر شده است.
در این کار از بار القایی بجهت کاهش نویز استفاده شده، که بار القایی با بکارگیری سلف فعال پیاده سازی شده است. سلف فعال به این دلیل که اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا و مساحت روی تراشه کمی را اشغال میکند، جایگزین سلفهای مارپیچی شده و همچنین باعث بالا بردن گین و کمتر شدن تغییرات گین در پهنای باند مورد نظر شده است. قابل ذکر است که این تقویتکننده قابل استفاده در تکنولوژی 0/18میکرومتر CMOS، دارای گین سیگنالی بین 23/2-26 dB، عدد نویز زیر 2/2 dB در پهنای باند کاربردی WiMAX می باشد، همچنین از منبع 1/8 v تغذیه میکند.
- 1 مقدمه
سرعت پیشرفت تکنیکهای طراحی مدارهای RF CMOS در سالهای اخیر امکان مجتمعسازی همه عناصر یک فرستنده گیرنده را بر روی یک تک تراشه میدهد. همچنین پیشرفت سریع تکنولوژی ارتباطی، ناشی از بهبود عملکرد سیستمهای ارتباطی از نظر، امکان کارکرد در فرکانسهای بالاتر و پهنای باند بیشتر - مانند سیستم های UWB و - WiMAX که منجر به افزایش نرخ انتقال داده سیستمهای مخابراتی میشود.
این پیشرفتها ضرورت وجود ارتباطات بیسیم و عرضه سیستمهای ارتباطی نسل چهارم - 4G - و همچنین ارائه سرویسهای مختلف ابزارهای ارتباطی را ایجاب میکند. WiMAX یک تکنولوژی ارتباطات از راه دور است، که به خانواده IEE802.16 تعلق دارد. نرخ تبادل اطلاعات تا 70Mbps در پهنای-باند 20MHz را فراهم میکند، که نسبت به UWB سطح پوشش بزرگتری را ایجاد میکند.[1]
یکی از استانداردهای معرفی شده WiMAX، استاندارد IEEE 802.16e می باشد که به عنوان WiMAXسیار شناخته میشود، که میتواند در کامپیوترهای کیفی و در محدوده فرکانسی 2 تا 6 گیگا هرتز مورد استفاده قرار گیرد. این باند فرکانسی به سه زیر باند کوچکتر:2/5 - 1 تا 2/9، 3/4 - 2 تا 3/6، - 3 5/2 تا 5/9 تقسیم شده است. تقویتکننده کمنویز - LNA - جزء حتمی گیرندهی بیسیم برای فراهم کردن گین کافی، تطبیق ورودی و خروجی پهنای باند و عدد نویز کم - NF - مورد نیاز است. علاوه بر این، محدودیتهای عمر باتری طراحان را مجبور کرده تا LNAهای بسیار کم توان را عرضه کنند.
در این مقاله، یک LNA پهنباند با تکنولوژی CMOS طراحی شده است. این LNA یک تقویتکننده گیت مشترک را برای تطبیق ورودی در طبقه اول بکار میبرد، که تطبیق ورودی مطلوبی را ارائه - داده است. و عددنویز پایینی را بدست آورده است 6 ]، 5،.[4 در ساختار 6]،[4 از سلف L سری با گیت ترانزیستور طبقه آخر استفاده شده، تا با خازنهای پارازیتی رزونانس کرده و باعث کاهش تغییرات گین و افزایش گین در فرکانسهای بالا شود. LNA پهنباند دیگری با به کارگیری روش حذف نویز در 3]،[ 2 بیان شده است.
قابل توجه است که در این دو مقاله از به کارگیری سلف مارپیچی در ساختار LNA صرفنظر شده است. در نتیجه عدم استفاده از سلف مارپیچی در طراحی باعث کاهش سطح اشغال شده توسط تراشه میشود. ساختار LNAپیشنهادی به این صورت است که با ماکزیمم شدن مقدار بار RL در ترانزیستور طبقه اول مقدار فاکتور نویز مینمم میشود. اما برای کاربردهای پهنای باند بالا RL بزرگ مجاز نمیباشد، در نتیجه به جهت بالا بردن بار مقاومتی ورودی، RL طبقه ورودی با بارالقایی سری شده است.
اما با توجه به عدم وجود سلفهای غیر فعال با ضریب کیفیت Q بالا در پروسههای پیشرفته CMOS، در ساختار پیشنهادی به جای استفاده از سلف مارپیچی از سلف فعال بدلیل، اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا استفاده شده است. که به معنی سایز کوچکتر و هزینه کمتر است. در نتیجه یک LNA پهن باند با سلف فعال با گین و نویز مطلوب در پهنای باند کاربردی WiMAX طراحی شده است.
بخش2 با معرفی مدار LNA مورد نظر شروع میشود. در بخش 1-2 و2-2 تکنیکهای به کار رفته در مدار LNA بیان شده است. و در بخش 3-2 طراحی مدار LNA پیشنهادی با سلف شرح داده شده و نتایج حاصل از شبیهسازی در بخش 4-2 و نتیجه گیری در بخش 3 آورده شده است. با توجه به کارهای انجام شده قبلی [4] با اضافه کردن طبقه آخر و سلف L سری با ورودی طبقه آخر M4، باعث افزایش گین و کمتر شدن تغییرات گین شده است. که با بهینه کردن L میتوان گین بزرگتری با پهنای باند بزرگ را، بدست آورد.
- 2 توپولوژی LNA پیشنهادی
مدار شکل 1 توپولوژی LNA مورد نظر را نشان میدهد. ترانزیستور گیت مشترک طبقه اول، شبکه تطبیق ورودی میباشد. ساختار M3یک تقویتکننده CS است، که امپدانس ورودی آن بدلیل Cgs بزرگ میباشد. بنابراین امپدانس ورودی مدار در فرکانس های پایین وابسته به M1 میباشد. نویز ناشی از شبکه تطبیق CG زیاد است، بنابراین مدار حذف نویز بعد از شبکه تطبیق، جهت حذف نویز و بالا بردن گین قرار گرفته است. امپدانس ورودی و ترارسانایی - gm - مدار LNAبیان شده، بدست آورده شده است.
الف- تکنیک حذف نویز در LNA
LNA با تکنیک حذف نویز در شکل 1 نشان داده شده است. مدار حذف نویز شامل دو تقویتکننده M2 و M3 با ساختار سورس مشترک میباشد. دو گره X و Y در ساختار شکل 1 مشخص شدهاند. با توجه به اینکه مدار شبکه تطبیق یک تقویتکننده CG میباشد، سیگنالهای ولتاژ در دو گره X وY علامت یکسان دارند، یا همفاز میباشند. ولتاژ نویز را در گره ورودی X و گره خروجی Y نسبت به زمین بررسی میکنیم. اگر جریان نویز ترانزیستور M1 را In,M1 در نظر بگیریم، این جریان دو ولتاژ نویز لحظهای را در گرههای X و Y با علامتهای مخالف یا 180 درجه اختلاف فاز ایجاد میکند. ولتاژ گره Y توسط M2 به جریان تبدیل شده است و با جریان خروجی طبقه سورس مشترک M3 - که ضریبی از ولتاژ گره X است - مقایسه می- شود.
از مزایای استفاده از روش حذف نویز، علاوه بر حذف نویز ترانزیستور ورودی، نویز RL1 را کاهش میدهد. با توجه به اینکه برای کاربردهای پهنای باند بالا RL1 بزرگ مجاز نمیباشد، تکنیک حذف نویز، نویز RL1 را به طور قابل ملاحظهای کاهش میدهد. با توجه به رابطه - 13 - مقدار RL1 باید ماکزیمم باشد تا مقدار فاکتور نویز را مینمم کند. البته مقدار ماکزیمم RL1 با این شرایط محدود شده است که ولتاژ درین M1باید نسبت به - VGS1+VGS3-VT - بزرگتر باشد تا M1 را در حالت اشباع نگهدارد. پس ماکزیمم بودن مقدار RL1 تا اندازهای، مجاز میباشد.[4]
د- بکارگیری سلف فعال در LNA پیشنهادی
با توجه به اینکه سلفهای مارپیچ روی تراشه، سلفهای غیر فعال مناسبی میباشند ولی به علت تلفات مقاومتی و خازنهای پارازیتیک نمیتوان سلفهایی با اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا بدست آورد. برای برطرف کردن این معایب در این کار از سلفهای مارپیچی - غیر فعال - صرفنظر کرده و از سلفهای فعال جهت بهبود عملکرد تقویتکننده در محدوده وسیع فرکانسی استفاده شده است، که علاوه بر افزایش گین در فرکانسهای بالا موجب یکنواختی گین هم میشوند. شکل 3 مدار LNA پیشنهادی با استفاده از سلف فعال را نمایش میدهد.
سلفهای فعال که با ترانزیستور ساخته میشوند به علت اندوکتانس و فاکتور کیفیت بالا و مساحت روی تراشه کم بسیار مورد توجه می-باشند. این سلفها که امپدانس خروجی آنها خصوصیات سلفی بارزی را نشان میدهد. با انتخاب مناسب ابعاد ترانزیستورها و ولتاژهای کنترلی سلف، تقویتکننده بهترین فاکتور کیفیت را در فرکانس مورد نظر می-تواند داشته باشد.[7]
