بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ، یک میکسر نویز پایین باند پهن مبتنی بر سلول گیلبرت ارائه شده است ، که این دو میکسر بین 2 تا 10 گیگا هرتز و در فناوری 0/18 m Cmos کار می کنند. با ادغام تقویت کننده نویز پایین با میکسر سلول گیلبرت ، یک میکسر فعال نویز پایین ، می تواند حاصل شود . طبقه ترانسکانداکتور با تکنیک حذف نویز پیاده سازی می شود. در این طرح ، برای گسترش پهنای باند میکسر ، از تکنیک پیکینگ القایی سری استفاده می شود .
همچنین این طرح ، از مدار تزریق جریان ، برای جداکردن وابستگی جریان DC بین زوج سوئیچینگ و ترانسکانداکتور استفاده می کند.طبق شبیه سازی های انجام شده نویز فیگر میکسر پیشنهادشده در ابتدا 23 dB می باشد که با استفاده از روش استفاده مجدد از جریان این مقدار را به 2/37 dB می رسانیم. بهره تبدیل میکسر پیشنهاد شده در ابتدا 9 dB می باشد که با روش مذکور این مقدار به dB 16/3 می رسد.
با تغییر بهره تبدیل میکسر ، مصرف توان DC میکسر نیز تغییر خواهد کرد. این مقدار در ابتدا 2/4mw بود که با افزایش بهره تبدیل به 11/34mw می رسد. پهنای باند میکسر پیشنهادی 8GHz می باشد.IP1dB مدار پیشنهاد شده -4dBm بود که در نهایت با افزایش بهره تبدیل این مقدار به -5/4dBm می رسد. IIP3 میکسر در ابتدا +3/5 dBm داشت که در نهایت به 0/5 dBm می رسد.
مقدمه
یکی از مبحث های اصلی طراحی فرستنده - گیرنده های پهن باند با آن مواجه می شوند، نیاز به مدارات پهن باند ، شامل میکسرهاوتقویت کننده های نویز پایین می باشداخیراً. مدارات پهن باند به بلندی چندین گیگاهرتز در تکنولوژی CMOS نشان داده شده اند. از آن جایی که میکسر معمولاً در چند بلوک اولیه ی گیرنده قرار دارد ، عملکرد نویزش در تعیین محدوده دینامیکی سیستم و کاهش نرخ خطای بیت ، که به معنای بهبود عملکرد سیستم می باشد ، بسیار مهم است. که این باعث می شود ، که شرایط طراحی دقیقی برای طراحی تقویت کننده های کم نویز به کار رود. با کاهش نویز میکسر فعال ، از طریق ترکیب تقویت کننده نویز کم و میکسر به درون یک بخش ، مدارات یکپارچه می شوند و مصرف توان در کل ، بهبود می یابد.
یکی از مشهورترین میکسرها، میکسر سلول گیلبرت می باشد . این میکسر به طور گسترده در طراحی IC بکار می رود اما این میکسر ، عملکرد نویز بسیار ضعیفی دارد. بنابراین توپولوژی ارائه شده در این مقاله ، برای بهبود نویز فیگر میکسر سلول گیلبرت ارائه شده است.علاوه بر این ، این روش باعث می شود که طراحی سیستم ساده تر شود.
در[1] ،[2] و[3] یک میکسر پایین برنده سلول گیلبرت بکار رفته است که در آن از تکنیک تزریق جریان برای بهبود عملکرد نویز و بهره سیستم استفاده شده است. در[4] و [5]میکسر پایین برنده توان پایین برپایه سلول گیلبرت ارائه شده است . در این میکسر ها از توپولوژی دوباره استفاده کردن از جریان برای رسیدن به نویز فیگر مناسب و بهره تبدیل بالا استفاده شده است .
در [6] یک میکسر نویز پایین با ساختار سلول گیلبرت ارائه شده است که در این میکسر از تکنیک فیدبک مثبت -منفی برای رسیدن به یک نویز فیگر خوب استفاده شده است .با این وجود این مدارات از اتلاف توان رنج می برند.امروزه توسعه ی ارتباطات مدرن ، الزامات بیشتری در عملکرد اندازه و هزینه ی قطعات الکترونیکی را مطرح می کند. که این می تواند به معنای نویز پایین تر پهنای باند بیشتر، بهره مناسب تر ، خطی سازی بیشتر و ... باشد.
در [7]و [8] و [3]،یک میکسر سلول گیلبرت 0/18 um با یک تقویت کننده نویز پایین ادغام شده است. در هر دو طراحی از تکنیک حذف نویز برای حصول عملکرد نویز خوب استفاده شده است.در [9]دو مدار تقویت کننده نویز پایین که در آن از فیلتر استفاده شده است. عیب این تقویت کننده های نویز پایین این است که به شبکه های فیلتر پیچیده ای برای رسیدن به تطبیق پهن باند نیاز دارند. همچنین تعداد سلفها خیلی زیاد است که این به معنی قیمت بالاتر می باشد.
روش ارائه شده دراین مقاله به این صورت است که از طریق ترکیب تقویت کننده نویز کم و میکسر به درون یک بخش ،می توان نویز فیگر میکسر سلول گیلبرت تاحدقابل قبولی کاهش داد.این روش، نسبت به دیگر طرح های تقویت کننده نویز پایین چندین مزیت دارد. اولین مزیت آن این است که تطبیق ورودی پهن باند در این طرح وجود دارد. دومین مزیت آن این است که به دلیل اینکه در این طرح از سلف استفاده نشده است، پس مدار خیلی کم حجم می باشد.
بدنه اصلی مقاله
توپولوژی میکسر پایه ی بکاررفته در این طرح در شکل1نشان داده شده است.
شکل:1 توپولوژی میکسر پایه بکار رفته در این طرح
در این ساختار ، از کوپلینگ خازنی بین طبقه ی سوئیچینگ و ترانسکانداکتور استفاده شده است.شبیه سازی ها نشان می دهد که این میکسر دارای نویز فیگر 23 dB می باشد . همچنین بهره تبدیل میکسر 9 dB ،IP1dB مدار -4dBm ،IIP3 میکسر +3/5 dBm می باشد.همانطور که مشاهده می کنیم این میکسر دارای نویزفیگر بالایی می باشد .
همانطور که قبلاً ذکر شد ، اگر ترانسکانداکتور یک سلول گیلبرت را با یک تقویت کننده ی نویز پایین جایگزین کنیم، نویز فیگر سلول گیلبرت به طور قابل توجهی پایین خواهد آمد. همچنین با استفاده از یک سری روشهای خاص و همچنین تغییر در برخی قسمتهای مدار ، می توان به یک میکسر با عملکرد نویز ، پهنای باند ، بهره و خطی سازی قابل قبول رسید.
شکل 2 مدار پیشنهادشده دراین مقاله را نشان می دهد. میکسر باند پهن پیشنهاد شده ، بین 2 تا 10 گیگاهرتز کار می کند. ، این میکسر با استفاده از تکنولوژی 0/18 P ساخته شده است. در این ساختار ، از یک تقویت کننده کم نویز پهن باند به عنوان طبقه ترانسکانداکتور استفاده شده است. برخلاف دیگر تکنیک های پهن باند، این تکنیک نیازی به استفاده از سلف ندارد. این تکنیک به یک جریان DC بزرگ نیاز دارد.همچنین در این طرح ،مدار تزریق جریان بکاررفته است. به منظور حصول پهنای باند مورد نظر، پیکینگ القایی سری بکار رفته است.
شکل:2مدار میکسر حذف نویز پیشنهادی
شکل 3شماتیک ترانسکانداکتور حذف نویز باند پهن بدون مدارات بایاسینگ را نمایش می دهد .
شکل:3 طرح ترانسکانداکتور حذف نویز
شکل4 مکانیزم حذف نویز را نشان می دهد.که بااستفاده از آن می توانیم چگونگی حذف نویز در مدار را متوجه شویم.
شکل: 4 ولتاژهای نویز در مقاومت منبع و مقاومت تطبیق
در شکل 4 دو گره به نامهای x و y نامگذاری شده اند. ولتاژهای نویز Vx و Vy در این شکل به ترتیب ولتاژهای تولیدشده توسط جریان نویز درون امپدانس سورس - Rs - و مقاومت بار - Rl - M1 می باشند. مدار تطبیق ورودی ، یک تقویت کننده گیت مشترک می باشد، پس ولتاژ سیگنال در گره x و در گره y هم فاز هستند. با این وجود ، از آن جایی که جریان نویز تقویت کننده در سراسر تقویت کننده شارش می کند، ولتاژ نویز در گره های x و y ، 180 درجه اختلاف فاز پیدا می کند،.بنابراین اگر یک جمع کننده ولتاژ بعد از مدار تطبیق ورودی قرار بگیرد ، ولتاژ سیگنال دو گره x و y اضافه می شوند ، در حالی که ولتاژهای نویز به طور کامل حذف می شوند.
مدار جمع کننده یا همان مدار حذف نویز در شکل5 نشان داده شده است. . دراین مدار از دو تقویت کننده ی سورس مشترک استفاده می شود. سیگنالها در گره های x و y ، در گره Z باهم جمع می شوند،برعکس ولتاژهای نویز که دارای اختلاف فاز می باشند در گره z از هم کم می شوند.
شکل:5 مدارجمع کننده ولتاژ - مدار حذف نویز -
معادله 3 یک دستورالعمل طراحی برای این مدار را ارائه می دهد. چون RS ثابت است، تنها مقادیر R1 و gm3 را می توان تغییر داد. طبق این معادله مشخص است که R1 بزرگ و gm3 بزرگ ترجیح داده می شود.
نتایج
میکسر سلول گیلبرت پیشنهاد شده با استفاده از استاندارد nm 180 cmos ساخته شده است و شبیه سازی های موجود با استفاده از نرم افزار ADS ، انجام شده است. میکسربرای داشتن یک توان LO برابر با-40dBm طراحی شده است. برای همه ی نتایج شبیه سازی و اندازه گیری ،IF همیشه در 250MHZ ثابت می ماند. در حالی که فرکانس های RF و Lo باهم تغییر می کنند، به طوری که همیشه Lo به میزان 250MHZ ، از RF کمتر می باشد..
شکل6 ، بهره تبدیل شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی شکل2 را نشان می دهد. فرکانس قطع 3 dB در 11/3GHz می باشد.
بهره به طور منطقی صاف است که با یک کاهش تدریجی به فرکانس قطع 3dB می رسد. بهره تبدیل در 2GHz بیشترین مقدار خود،یعنی 17/3 dB را دارد و در 10GHz کمترین مقدار خود یعنی dB 15/3را دارد، در نتیجه این مدار در طول کل پهنای باند، دارای مقدار متوسط 16/3dB می باشد.برای شبیه سازی بهره تبدیل ، فرکانس ورودی با یک اندازه گام1، 200 MHz، در نظر گرفته شده است. این اندازه گام، برای این انتخاب شد تا طرح شبیه سازی شده رزولوشن فرکانسی بالایی داشته باشد چراکه این نمودار یکی از مهمترین نمودارهای پهن باند می باشد.
حذف، تأثیر می گذارند.که این به خاطر Cgs و Cgd و نیز هر پارازیت دیگری که درون محاسبه در نظر گرفته نشده است می باشد. . با همه ی این تفاسیر، عملکرد نویز این مدار بسیار عالی می باشد. در واقع در این مدار، نویز فیگر یک مقدار متوسط 2/37 dB در طول کل پهنای باند دارد.
شکل:7 نویز فیگر شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی اول
به منظور آزمودن IIP3 میکسر،یک آزمایش دو تن در کل پهنای باند انجام شده است. دو سیگنال با اختلاف 1 MHZ به میکسر تزریق شده است. این دو فرکانس ورودی RF روی7000/5MHz و 6999/5MHZ تنظیم شده انددر شکل8 دو نمودار برحسب این دو فرکانس ،رسم شده اند و سپس مقدار IIP3 محاسبه شده است. با توجه به شکل می بینیم که مقدارIIP3 در این مدار برابر 0/5 dBm می باشد.
شکلIIP3 : 8میکسر پیشنهادی اول در7GHZ
با توجه به شکل9 ،P1dB میکسر را می توانیم بدست آوریم. برای بدست آوردن P1dB ، یک تن منفرد تزریق شده است و توان خروجی برحسب توان ورودی رسم شده است. از شکل9 مشاهده می کنیم که P1dB برای این مدار برابر با -5/4 می باشد.
شکل 6 :بهره تبدیل شبیه سازی شده میکسر پیشنهادی اول
شکل7نویز فیگر شبیه سازی شده میکسر را نشان می دهد. از این شکل مشاهده می شود که در اوایل طیف فرکانسی، نویز نسبتاً صاف تر و پایین تر قسمتهای دیگر می باشد. در واقع این ناحیه ای است که حذف نویز قابل توجهی اتفاق می افتد.
