طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم

دانشگاه صنعتی بابل
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
عنوان پایان‌نامه
طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم
جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی برق گرایش میکروالکترونیک
استاد راهنما:
دکتر حسین میار نعیمی
نگارش
محدثه نوذری میرارکلایی
تیر 1391
-384810264795
زندگی
صحنه یکتای هنرمندی ماست
هر کسی نغمهی خود خواند و از صحنه رود
صحنه پیوسته به جاست
خرم آن نغمه که مردم بسپارند به یاد
بیاد پدر
تقدیم به:
روح پرفتوح پدرم که آفتاب مهرش در آستانه قلبم، همواره پابرجاست و هرگز غروب نخواهد کرد
مادرم که وجودش شادی بخش و صفایش مایه آرامش من است
همسرم، همراه زندگیم، پناه خستگیم و امید بودنم

تشکر و قدردانی
اعتراف میکنم که نه زبان شکر تو را دارم و و نه توان تشکر از بندگان تو، و اما بر حسب وظیفه
سپاس از
استاد فرهیخته و فرزانه جناب آقای دکتر حسین میار نعیمی که با کرامتی چون خورشید ، سرزمین دل را روشنی بخشیدند و گلشن سرای علم و دانش را با راهنمایی های کار ساز و سازنده بارور ساختند.
پدرم که عاشقانه سوخت تا گرمابخش وجودم و روشنگر راهم باشد. پدر به خود میبالم که فرزند توام. امید به آنکه با رسیدن به این مرحله از من راضی و خشنود باشی.
مادر دلسوز و مهربانم که سجده ی ایثارش گل محبت را در وجودم پروراند و دامان گهربارش لحظه های مهربانی را به من آموخت.
همسرم که با وجود دوره کوتاه زندگی مشترک تاکنون همدلی و همگامی خود را به من اثبات نمود.
دوستانی که در انجام این پایان نامه از کمکهایشان بی دریغ نمانده ام.
کلیه اساتید ارجمندم در طول سالهای به یاد ماندنی شاگردیشان تشکر مینمایم.
در پایان از درگاه خداوند متعال برای تمامی این عزیزان سلامتی، موفقیت و توفیق روزافزون در همۀ عرصه های زندگی را مسئلت می نمایم.چکیده
نوسان‌سازها از جمله مهمترین اجزای تشکیل دهندهی سیستمهای مخابراتی میباشد. از آنجایی که نویز فاز یکی از پارامترهای مهم تعیین کنندهی کیفیت یک نوسان‌ساز میباشد، طراحی نوسان‌سازهایی با نویز فاز کمتر از اهداف مهم طراحان است. در میان اسیلاتورهای مختلف، نوسان‌سازهای Cross-Coupled LC بدلیل عملکرد نویز فاز بهتر، مصرف توان کمتر، ساختار تفاضلی و پیادهسازی آسان آن نسبت به سایر نوسان‌سازها نقش مهمی را در طراحی مدارات فرکانس بالا ایفا میکند. تلاشهای زیادی در راستای کاهش نویز فاز این نوسان‌سازها صورت گرفته است و تکنیکهای مختلفی نیز ارائه شده است. یکی از روشهای موثر کاهش اثر نویز ترانزیستور در فاز خروجی نوسان‌ساز، بهینه کردن فرم جریان آن میباشد. در این پایان نامه ابتدا به بررسی نوسان‌ساز LC و منابع نویز آن پرداخته و سپس تکنیک شکلدهی جریان ترانزیستورها و نقش آن در کاهش نویز فاز نوسان‌ساز بیان شده است. در ادامه ساختار جدیدی برای نوسان‌سازهای Cross-Coupled LC ارائه گردیده است که در آن جریان درین ترانزیستورهای زوج تفاضلی برای کاهش نویز فاز شکل دهی شدهاند. از آنجایی که وقتی خروجی ها در نقاط پیک خود قرار دارند منابع نویز کمترین سهم در نویز فاز را دارند، جریان درین ماکزیمم مقدار را دارد و در نقاط گذر از صفر خروجی که حساسیت فاز خروجی به نویز تزریق شده بیشترین مقدار خود را دارد، ترانزیستورها خاموش شده و یا حتیالامکان جریان ناچیزی را هدایت کنند. بدین طریق سهم نویز فاز ادوات فعال کاهش مییابد. در پایان معادله نویز فاز ساختار معرفی شده نیز استخراج گردیده است و نقش کاهش زاویهی هدایت ترانزیستورها در کاهش نویز فاز بررسی شده است.
برای ارزیابی تکنیک معرفی شده، یک اسیلاتورLC در فرکانس مرکزی 2GHz در تکنولوژی TSMC CMOS 0.18µm در نرم افزار Agilent ADS طراحی و شبیهسازی شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است نتایج آزمایش‌ها نشان میدهد اسیلاتور پیشنهادی علاوه بر کاهش قابل توجه نویز فاز از نظر FOM نیز بر اسیلاتورهای کلاسیک برتری دارد.
واژه‌های کلیدی
نویز فاز، نوسان‌سازهای LC، شکل دهی جریان ترانزیستور ، تابع حساسیت ضربه
فهرست مطالب
TOC \o “1-3” \h \z \uفصل اول : مقدمهPAGEREF _Toc318143262 \h11-1- مقدمهPAGEREF _Toc318143264 \h21-2- اهداف و ساختار پایاننامه6فصل دوم: نوسان‌سازها و تاثیر نویز بر عملکرد آنها72-1- مقدمه82-2- اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها82-2-1- مدل فیدبک نوسان‌ساز92-2-2- مدل مقاومت منفی نوسان‌سازها102-3- انواع نوسان‌سازهای CMOS112-3-1- نوسان‌سازهای حلقوی152-3-2- نوسان‌سازهای LC18- توپولوژی تک ترانزیستوری18- توپولوژی تفاضلی Cross-Coupled212-3-3- نوسان‌سازهایLC مناسبترین انتخاب برای کاربردهای مخابراتی252-4- شبکههای LC پسیو262-4-1- تانک RLC موازی262-4-2- تانک RLC سری282-5- ضریب کیفیت تانک282-6- نویزPAGEREF _Toc318143279 \h302-6-1- مقدار RMS نویز312-6-2- جمع منابع نویز312-6-3- چگالی طیف توان نویزPAGEREF _Toc318143282 \h322-7- منابع نویز در نوسان‌سازها332-7-1- نویز حرارتی332-7-2- نویز شاتکی352-7-3- نویز فلیکر372-8- تعریف نویز فاز392-9- مدلهای نویز فاز422-9-1- مدل لیسون: یک مدل تجربی برای نویز فاز422-9-2- مدل حاجی میری: مدل خطی متغیر با زمان44- اثبات فرض تغییر پذیر با زمان بودن نوسان‌ساز44- اثبات فرض خطی بودن نوسان‌ساز47- منابع نویز Cyclostationary48- مزایا و معایب مدل LTV512-10- منابع نویز در نوسان‌ساز LC522-11- روشهای کاهش نویز فاز532-11-1- روش فیلترینگ نویز دنباله532-11-2- موازی کردن خازن با ترانزیستور منبع جریان562-11-3- شکلدهی جریان ترانزیستورهای سوئیچ با ساختار کسکود602-11-4- تفکیک بایاس گیت از خروجی نوسان‌ساز642-11-5- شبکه بایاس آینه جریان بمنظور شکلدهی جریان ترانزیستورهای سوئیچ…662-12- صورت شایستگی( FOM )682-13- خلاصهی فصل68فصل سوم: طراحی یک نوسان‌ساز LC به منظور شکلدهی جریان ترانزیستورها693-1- مقدمه703-2- تحلیل و طراحی نوسانساز LC با جریان شکل دهی شده733-2-1- فرم جریان در نوسان‌ساز LC کلاسیک733-2-2- بررسی شرایط نوسان و محاسبه فرکانس نوسان743-2-3- تحلیل جریان ترانزیستورهای زوج تفاضلی ساختار پیشنهادی و بررسی نویز- فاز آن763-3- طراحی نوسان‌ساز LC جدید به منظور بهبود جریان شکلدهی شده ترانزیستورها783-3-1- بررسی شرایط نوسان ساختار پیشنهادی793-3-2- محاسبهی دامنهی نوسان803-3-3- محاسبه نویز فاز87منابع نویز نوسان‌ساز87محاسبه نویز فاز محاسبهی نویز فاز حاصله از تلفات تانک88محاسبهی نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای سوئیچ88محاسبهی نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای دنباله91محاسبهی نویز فاز حاصله از نویز فلیکر ترانزیستورها913-4- بهبود طراحی نوسان‌ساز پیشنهادی923-5- خلاصهی فصل94فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها954-1- مقدمه964-2- نتایج شبیه سازی964-3- نتایج شبیه سازی ساختار تکمیلی نوسان‌ساز LC پیشنهاد شده1024-4- مقایسه با کارهای انجام شده پیششین1044-5- خلاصهی فصل106فصل پنجم: جمع‌بندی و پیشنهادها 1075-1- جمع بندی1085-2- پیشنهاد برای ادامه کار108پیوست 110مراجع 114فصل اول
مقدمهمقدمه در سالهای اخیر مخابرات بیسیم بدون شک از رشد چشمگیری برخوردار بوده و هماکنون کاربران زیادی در دنیا از آن بهره میبرند. در واقع محصولات مخابرات نظیر تلفن همراه، سیستمهای موقعیتیاب جهانی(GPS)، شبکههای بیسیم محلی(WLAN)، سنتزکنندههای فرکانسی(FS) و غیره امروزه در سراسر جهان کاربرد گستردهای دارند. مدارات مجتمع آنالوگ و فرکانس بالا بخش مهمی را در سیستمهای مخابراتی به خود اختصاص دادهاند. به همین دلیل طراحی بهینه مدارات فرکانس بالا و دستیابی به سیستمهایی با عملکرد بالا، قیمت و توان مصرفی کمتر و اندازهی کوچکتر برای طراحی فرستنده-گیرندههای کمهزینه و کمحجم از اهمیت خاصی برخوردار است.
انتخاب تکنولوژی مناسب برای طراحی این مدارات اهمیت ویژهای دارد. بطور کلی کیفیت عملکرد، هزینه و مدت زمان مورد نیاز برای ارائه به بازار سه پارامتری است که در انتخاب تکنولوژی در صنعت فرکانس بالا تعیین کننده میباشد. با پیدایش تکنولوژی CMOS و ادامهی روند کاهش ابعاد ترانزیستور در آن پیشرفتهای زیادی در مجتمع سازی مدارات فرکانس بالا و آنالوگ ایجاد شده است. از جمله فواید استفاده از تکنولوژی CMOS، امکان قرار دادن بخشهای مختلف یک سیستم مخابراتی بر روی یک تراشه واحد است. به چنین سیستمی یک SOC گفته می شود و شامل مدارات آنالوگ، دیجیتال و فرکانس بالای سیستمهای مخابراتی می باشد. چنین سیستمهایی بدلیل مزایایی چون کاهش هزینههای ساخت و توان مصرفی از اهمیت فوق العادهای در محصولات بیسیم برخوردارند. البته استفاده از تکنولوژی CMOS محدودیتهایی نیز دارد ولی طراحان قادر به حل آن مشکلات شدهاند و امروزه این تکنولوژی به طور وسیع در مدارهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد [1].
یکی از مهمترین بلوکهای فرکانس بالا در سیستم های مخابراتی نوسان‌سازها هستند. کلیه فرستنده-گیرندههای فرکانس بالایی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، در داخل خود دارای یک سنتزکننده فرکانس میباشند که به آن نوسان‌ساز محلی گفته میشود. وظیفه این بلوک ایجاد یک سیگنال سینوسی است که مطابق شکل 1-1 به کمک آن عمل انتقال طیف فرکانسی سیگنالهای دریافتی و یا ارسالی به فرکانسهای به ترتیب پایین یا بالا انجام میشود.

بلوک دیاگرام یک فرستنده – گیرنده ساده
پدیده نویز فاز در واقع خارج شدن طیف فرکانسی سیگنال نوسان‌ساز محلی از شکل ایدهآل خود (که یک سیگنال ضربه در فرکانس کار نوسان‌ساز میباشد) است. هنگامی که کاربران یک سیستم مخابراتی زیاد میشوند، با توجه به محدودیتهایی که بر روی پهنای باند وجود دارد، پهنای باندی که به هر کاربر اختصاص مییابد کاهش پیدا میکند. اما وجود پدیده نویز فاز باعث میشود که پهنای باند اختصاصی به هرکاربر را نتوان از یک مقدار حداقلی کمتر کرد. این مسئله باعث ایجاد محدودیت در افزایش تعداد کاربران یک سیستم مخابراتی با پهنای باند ثابت میشود. به همین علت در دهههای اخیر تحلیل نویز فاز و بررسی تکنیکهای بهبود طراحی مدارات برای VCOها علاقهمندیهای زیادی در دانشگاهها و صنعت بوجود آورد. اما به دلیل پیچیدگی زیاد این پدیده هنوز رابطهی دقیقی که بسادگی بتواند نویز فاز نوسان‌ساز را بررسی کند بدست نیامده است. دلایلی که رسیدن به یک تحلیل کامل از چگونگی ایجاد نویز فاز را دشوار میسازد، به طور خلاصه عبارتند از: الف- عملکرد سیگنال بزرگ نوسان‌ساز و صادق نبودن مدلهای خطی برای تحلیل عملکرد آن. ب- ثابت نبودن فرآیند ایجاد نویز فاز در طول یک دوره تناوب نوسان. این دو دلیل بدین معناست که در واقع بررسی نویز فاز معادل بررسی اثر نویز در یک سیستم غیرخطی متغیر با زمان است. عملکرد بسیاری از سیستمها به طرق مختلف از نویز تاثیر میپذیرند. بنابراین داشتن درک درستی از نویز در الکترونیک یکی از مهمترین مسائل در سیستمهای مجتمعشده است. بطور کلی نویز در سیستمهای الکتریکی را میتوان به دو مولفه تقسیم کرد: نویز دامنه و نویز فاز. نویز دامنه میزان تغییرات تصادفی سیگنال الکتریکی حول مقدار واقعی را نشان میدهد. این تغییرات شناسایی سیگنال مطلوب را مشکل میسازد و عملکرد سیستم را وقتی سیگنالهای دامنهی کار کوچک شود، کاهش مییابد. برای مشخص شدن نویز دامنه برای یک سیستم پارامتری با عنوان عدد نویز تعریف میشود که به صورت نسبت سیگنال به نویز در ورودی سیستم به سیگنال به نویز در خروجی تعریف میشود[2].
نویز فاز در یک سیستم نوسانی بصورت اندازهی تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسان‌ساز تعریف میشود. این تغییرات بدلیل منابع نویز مختلف موجود در مدار بوجود میآید. تعریف دقیقتر نویز فاز در فصل دوم آورده شده است. نویز دامنه و فاز عملکرد سیستمهای الکتریکی را به طرق مختلف تحت تاثیر میگذارد. شکل (1-2) عملکرد این دو مولفهی نویز را روی یک دستگاه گیرندهی بیسیم نشان میدهد. در این شکل بلوکهایی که نویز بیشترین تاثیر را روی آنها میگذارد، نشان داده شده است. نویز دامنه (به عنوان مثال نویز LNA(تقویت کننده با نویز کم) به سیگنال ورودی اضافه شده و نسبت سیگنال به نویز را در خروجی LNA و در نتیجه خروجی فیلتر IF کاهش میدهد. اثر نویز فاز روی نوسان‌ساز محلی نیز در این شکل نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود ناپایداری فرکانسی نوسان‌ساز محلی، به توان غیر صفر در بعضی افست فرکانسی از فرکانس اصلی (که در غیاب نویز فاز طیف LO یک تابع ضربه در بود) منجر شده است. توان سیگنال واقع شده در میتواند توسط سیگنال ناخواسته در مدوله شود و یک مولفهی نویز در بوجود آید. متاسفانه این مولفهی نویز نمیتواند توسط فیلتر IF از بین برود، زیرا در بازه فرکانسی فیلتر IF قرار ندارد. بنابراین نویز فاز مولفهی فرکانسی دیگری به نویز خروجی فیلتر IF ایجاد میکند. ترکیب این دو منبع نویز نسبت سیگنال به نویز را در خروجی فیلتر IF کاهش میدهد و نهایتا سیگنال ورودی خراب میشود.

اثر نویز دامنه و فاز روی عملکرد یک گیرندهی RF
با توجه به اهمیت پدیده نویز فاز و تبعات منفی آن در سیستم های مخابراتی، در این پایان نامه سعی خواهد شد تا ضمن بررسی تئوریهای مختلف توصیف کننده نویز فاز، چگونگی ایجاد آن در نوسان‌سازهای CMOS نوع LC به عنوان مهمترین دسته از نوسان‌سازها که امروزه در مدارات مجتمع فرکانس بالا مورد استفاده قرار میگیرند، به طور کامل و جامع مورد بررسی قرار گیرد و ساختاری جدید با نویز فاز کم برای نوسان‌سازهای LC ارائه گردد.
اهداف و ساختار پایان نامه در این پایان نامه ابتدا به بررسی اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها و معرفی انواع نوسان‌سازهای CMOS پرداخته و دلایل انتخاب نوسان‌سازهای نوع LC در کاربردهای فرکانس بالا بررسی میشود. بعد از آشنایی با نوسان‌سازهای CMOS و نحوه عملکرد آنها به بررسی منابع نویز مختلف موجود در این نوسان‌سازها بخصوص نوسان‌ساز LC و ماهیت فیزیکی آنها پرداخته و سپس تعریف دقیق نویز فاز و مدلهای ارائه شده برای توصیف آن در نوسان‌ساز بیان میشود. در این رساله هدف طراحی نوسان‌ساز LC با نویز فاز کمتر است. به همین دلیل ابتدا به بررسی تکنیکهای کاهش نویز فاز ارائه شده در سالهای اخیر پرداخته و تکنیکهای مختلف را بررسی کرده و سپس تکنیک بهبود یافتهی پیشنهادی معرفی و ساختار تکمیلی در راستای بهبود تکنیک معرفی شده ارائه میشود. در انتها به منظور اثبات صحت ادعاهای مطرح شده، یک نوسان‌ساز CMOS LC در فرکانس مرکزی GHz 2 در تکنولوژی mμ 18/0 با ولتاژ تغذیه 8/1 ولت طراحی و با استفاده از شبیهساز ADS شبیهسازی شده و نتایج شبیهسازی با کارهای انجام شده پیشین مقایسه میشود.
فصل دوم
نوسان‌سازها
و تاثیر نویز بر عملکرد آنها
مقدمه همان طور که در فصل قبل اشاره شد، نوسان‌سازهای کنترل شونده با ولتاژ یکی از مهمترین اجزای فرستنده- گیرندههای فرکانس بالا به شمار میآیند. با توجه به مسائل و مشکلاتی که در اثر پدیده نویز فاز نوسان‌ساز محلی در سیستمهای مخابراتی ایجاد میشود، واضح است که طراحی نوسان‌ساز با نویز فاز کم دارای اهمیت بسیار زیادی میباشد. پارامترهای زیادی در طراحی یک نوسان‌ساز اهمیت دارند از جمله: نویزفاز، توان مصرفی، قابلیت مجتمع سازی، بهره. نوسان‌سازهای مختلفی وجود دارند که هرکدام قابلیتهای خاصی از موارد یاد شده را دارند ولی برآورده کردن تمامی قابلیتها در یک نوسان‌ساز خاص کار بسیار مشکلی است. بنابراین همواره تلاش بر این است تا با توجه به نیاز کاربران نوسان‌سازی با عملکرد بهتر ارائه شود. در این فصل به تشریح اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها به عنوان هسته سازنده سیستمهای مختلف و معرفی انواع نوسان‌سازهای CMOS و به خصوص نوسان‌سازهای LC به عنوان اصلی ترین گروه مورد استفاده در مدارات و سیستم های فرکانس بالا پرداخته میشود.
اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها نوسان‌ساز سیستمی است که بدون اعمال ورودی سیگنالی متناوب با فرکانس مشخص در خروجی تولید کند. بهطور کلی دو دیدگاه برای بررسی عملکرد نوسان‌ساز وجود دارد. در دیدگاه اول نوسان‌ساز به عنوان یک سیستم دارای فیدبک تلقی میگردد و شرایط ناپایدار شدن این سیستم به عنوان شرایط نوسان بیان میشود. در دیدگاه دوم نوسان‌ساز بر پایهی مفهوم مقاومت منفی استوار است. از هر دو دیدگاه برای بررسی و تحلیل نوسان‌سازها میتوان استفاده کرد، اما ممکن است با توجه به ساختار نوسان‌ساز استفاده از یک مدل برای تحلیل سادهتر باشد.
مدل فیدبک نوسان‌ساز اگرچه نوسان‌سازها بطور طبیعی غیرخطی هستند اما معمولا به صورت یک سیستم فیدبک دار خطی در نظر گرفته میشوند. شکل (2-1).

بلوک دیاگرام سیستم فیدبک منفی
سیستم فیدبک منفی شکل (2-1) را در نظر بگیرید، تابع تبدیل حلقه بسته آن به صورت زیر خواهد بود

چنانچه یک تقویت کننده دارای شیفت فاز زیادی در فرکانس های بالا باشد به نحوی که فیدبک مثبت شود، در خروجی آن نوسان ایجاد شده و تقویت کننده ناپایدار میشود. بنابراین برای ایجاد نوسان اولا باید فیدبک کلی حلقه مثبت شود و گین حلقه بسته نیز در فرکانسی بینهایت شود. بعنوان مثال اگر به ازای ، ، گین حلقه بسته در فرکانس بینهایت شده و شرایط نوسان فراهم میشود. در چنین شرایطی مدار کوچکترین تحریک دریافتی در فرکانسکه میتواند ناشی از نویز باشد را به صورت نامحدود تقویت میکند. در واقع همان طور که در شکل (2-2) مشخص است، نویز واقع در فرکانسکه در ورودی سیستم قرار دارد، در مجموع بهره بینهایت را دریافت میکند و در نتیجه این سیگنال تقویت شده و در داخل حلقه خود را تکرار میکند. بنابراین در مجموع مولفهی نویز واقع در فرکانس در داخل حلقه اجازه تقویت و رشد پیدا میکند.

تغییرات سیستم نوسانی با زمان ]3[
بنابراین بطور کلی دو شرط لازم برای ایجاد نوسان که با نام معیارهای “بارک هاوزن” از آن یاد میشود با روابط زیر بیان میشود

برای تضمین نوسان و بازسازی سیگنال ورودی در مقابل تغیرات ناشی از درجه حرارت و پروسه مورد استفاده، دامنه گین حلقه باید بزرگتر از یک باشد (در نوسان‌سازهای عملی معمولا 2~3 در نظر گرفته میشود) این سیگنال ورودی با هر نویز یا تغییرات در نوسان‌ساز مانند تغییرات دمایی و سایر فرایندهای محیطی ممکن است ساخته شود، بنابراین شرایط بارک هوزن شرایط لازم برای نوسان میباشند ولی کافی نیستند[3].مدل مقاومت منفی نوسان‌سازها در بعضی از انواع نوسان‌سازها مناسبتر است که مدل فیدبک برای مدل نوسان‌ساز بکار برده شود. همانند نوسان‌سازهای رینگ. برای نوسان‌سازهای مبنی بر تشدیدگر پدیده نوسان برمبنای مفهوم مقاومت منفی راحتتر بررسی میشود. همانطور که در شکل (2-3) نشان داده شده است تشدیدگر را میتوان معادل با یک تانک RLC موازی درنظر گرفت که در آن Rp تلفات اجتنابناپذیر انرژی در تانک را نشان میدهد.
اگر تانک با یک جریان ضربه تحریک شود (شکل a(2-3)) و یا یک شرایط اولیه روی آن قرار داده شود، بدلیل تلفات ناشی از Rp، تانک بصورت نوسانی میرا پاسخ میدهد زیرا در هر چرخه، قدری از انرژی که بین خازن و القاگر جابجا میشود، بصورت گرما در مقاومت تلف میشود. حال فرض شود مقاومتی به اندازه –Rp به موازات مقاومت تانک قرار داده شود و آزمایش فوق تکرار شود( شکل b(2-3))، از آنجایی که ، تانک بطور نامحدود در فرکانس نوسان میکند. بنابراین همانند شکل c(2-3) اگر یک مدار تک قطبی که مقاومت منفی ایجاد میکند به موازات تانک قرار گیرد، ترکیب حاصل میتواند نوسان کند زیرا عامل اتلاف انرژی وجود ندارد. یک چنین توپولوژی مدل مقاومت منفی نوسان‌ساز نامیده میشود. قابل توجه است که در فرکانسهای خیلی بالا و مایکروویو، امپدانس دیده شده از مدار اکتیو دارای فیدبک مثبت فقط به صورت یک مقاومت منفی نخواهد بود و دارای یک جزء موهومی نیز میباشد که در این حالت به منظور ایجاد نوسان باید مجموع امپدانس دیده شده از مدار اکتیو و امپدانس شبکه مورد نظر برابر صفر باشد.
انواع نوسان‌سازهای CMOS دسته‌بندی نوسان‌سازها این آگاهی را به طراح میدهد که با توجه به مشخصات مطلوب آن بتوان مکان نوسان‌ساز را در دسته بندی پیدا کرد. نوسان‌سازها را میتوان از جنبههای مختلف دستهبندی کرد. به عنوان مثال این دستهبندی میتواند بر اساس یکی از مشخصههای اساسی مانند فرکانس نوسان، مصرف توان و عملکرد فرکانسی و یا بر اساس عملکرد نوسان‌ساز مانند شکل موج خروجی باشد. در ادامه دو نمونه از تقسیمیندی نوسان‌سازها نشان داده شده است.

میرا شدن پاسخ ضربه شبکه RLC و جبران آن با اضافه کردن مقاومت منفی
در یک تقسیمبندی نوسان‌سازها را بر اساس نوع تشدیدگر و نوع شکل موج خروجی آن تقسیمبندی میکنند [4]. در این تقسیمبندی شکل موج نوسان‌سازهای بناشده بر اساس تشدیدگرها سینوسی است در حالیکه خروجی نوسان‌سازهایی که بر اساس غیر تشدیدگر بنا شدهاند، میتوانند خروجیهایی به فرم مربعی و مثلثی و غیره داشته باشند. شکل (2-4).
Oscillators
Resonator-based
Waveform-based
RC
Oscillators
SC
Oscillators
LC
Oscillators
Crystal
Oscillators
Relaxation
Oscillators
Ring
Oscillators
Oscillators
Resonator-based
Waveform-based
RC
Oscillators
SC
Oscillators
LC
Oscillators
Crystal
Oscillators
Relaxation
Oscillators
Ring
Oscillators

دسته بندی نوسان‌سازها
در تقسیم بندی دیگر ابتدا نوسان‌سازها به دو نوع کلی “زمان گسسته” و “زمان پیوسته” تقسیم شدهاند. سپس بصورت نشان داده شده در شکل (2-5) نوسان‌سازهای مختلف را با توجه به ویژگیهایشان در این تقسیم بندی جای گرفتهاند[5]. در ادامه برخی از نوسان‌سازهای نام برده شده در شکلهای (4-2) و (5-2) به طور خلاصه تعریف شدهاند.
Electronic Oscillator
Continuous -time
Discrete- time
Resonator based
Non-resonator based
Relaxation
Oscillators
LC
Oscillators
Crystal
Oscillators
Ring
Oscillators
Digital
implimentation
Phase shift
oscillator
DRO
Distributed
stripline
oscillator
Lumped
Electronic Oscillator
Continuous -time
Discrete- time
Resonator based
Non-resonator based
Relaxation
Oscillators
LC
Oscillators
Crystal
Oscillators
Ring
Oscillators
Digital
implimentation
Phase shift
oscillator
DRO
Distributed
stripline
oscillator
Lumped

دسته بندی نوسان‌سازها بر اساس ویژگیهایشان
نوسان‌سازهای شیفت فاز
نوسان‌ساز شیفت فاز مداری است شامل یک المان تقویت کننده منفی همانند ترانزیستور یا آپ امپ که توسط یک شبکه فیلتری تشکیل شده از مقاومت و خازن به ورودی فیدبک شده است. شبکهی فیدبک فاز خروجی تقویت کننده را در فرکانس نوسان 180 درجه شیفت داده تا فیدبک مثبت حاصل شود. یک راه معمول دستیابی به این شیفت فاز استفاده از سه طبقه RC کسکود شده است که هر کدام 60 درجه شیفت فاز ایجاد کنند. در شکل (2-6) یک نمونه از نوسان‌ساز شیفت فاز با شبکهی فیدبک RC نشان داده شده است. نوسان‌ساز شیفت فاز در فرکانسهای پایین، اغلب در محدوده فرکانس صوتی استفاده میشوند.

نوسان‌ساز شیفت فاز
نوسان‌سازهای Relaxation
نوسان‌سازی است که رفتار یک سیستم فیزیکی در حال برگشت به حالت تعادل خود را نشان میدهد. به عبارت دیگر هر بار که سیستم به حالت تعادل خود نزدیک میشود، مجددا عاملی عامل تحریک آن را فراهم میکند و این رفتار متناوبا تکرار میشود. فرکانس نوسان این نوسان‌سازها نیز با مدت زمانی که نوسان‌ساز تحریک میشود تا به حالت تعادل خود برسد، تعیین میشود. یک نمونه از این نوسان‌سازها میتوان به مولتی ویبراتوهای آستابل اشاره کرد که با شارژ و دشارژ خازنی و به قطع و اشباع رسیدن ترانزیستورها نوسان ایجاد میشود. شکل (2-7) مدار یک مولتی ویبراتور آستابل را نشان میدهد. این نوسان‌ساز دو حالت پایدار دارد و خروجی آن به صورت متناوب و با تحریک خارجی بین دو حالت پایدار تغییر میکند. فرکانس این تغییر توسط عناصر زمانی مدار که غالبا عناصر R و C میباشند تعیین میشود. به زبان ساده سیگنال خروجی یک مولتی ویبراتور آستابل یک سیگنال مربعی است که فرکانس آن به عناصر مدار وابسته است.

نوسان‌ساز مولتی ویبراتوهای بیآستابل
نوسان‌سازهای کریستالی
اسیلاتور کریستالی مداری الکترونیکی است که از رزونانس مکانیکی یک کریستال در حال لرزش بهره میبرد تا سیگنال الکتریکی با فرکانس مشخصی بوجود آورد. این فرکانس معمولا برای هدف زمانسنجی (مانند ساعتهای مچی کوارتز) استفاده میشود تا سیگنال ساعتی پایدار برای مدارت مجتمع دیجیتال فراهم کند. کریستالهای کوارتز برای محدوده فرکانسی چند ده کیلوهرتز تا چند ده مگاهرتز و برای مصرف کنندههایی چون ساعت، کامپیوتر، تلفن همراه و غیره ساخته میشوند. شکل (2-8) شمایی از دو نمونه کریستال کوارتز و نماد الکترونیکی آن را نشان میدهد. وقتی که یک کریستال کوارتز در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، باعث خم شدن آن میشود. این ویژگی به نام پیزوالکتریک بودن معروف است. وقتی میدان برداشته شود، کوارتز با بازگشت به شکل اولیه اش یک میدان الکتریکی تولید میکند که میتواند یک ولتاژ تولید کند. این رفتار کریستال کوارتز شبیه مداری متشکل از یک سلف، خازن و مقاومت با فرکانس رزونانسی دقیق است. سرعت خم و راست شدن کوارتز فرکانس رزونانس است و توسط برش اندازه کریستال تعیین میشود. شکل (2-9) مدار معادل یک کریستال کوارتز در یک نوسان‌ساز را نشان میدهد.

الف ب
الف : کریستال کوارتز . ب : نماد الکتریکی کریستال

مدار معادل یک کریستال کوارتز در یک نوسان‌ساز
در ادامه چند نمونه از نوسان‌سازهای CMOS با جزئیات بیشتر بررسی میشود.
نوسان‌سازهای حلقوی نوسان‌سازهای حلقوی از قرار دادن چند طبقه بهره به صورت متوالی و پشت سر هم در یک حلقه تشکیل شدهاند. چنانچه این طبقات بهره متوالی (سیستم حلقه باز) بتوانند بهره کافی را به ازای شیفت فاز صفر ایجاد نمایند، نوسان اتفاق میافتد. برای تحقق چنین نوسان‌سازی میتوان در ساده ترین حالت از تقویت کنندههای سورس- مشترک به عنوان طبقات بهره ذکر شده استفاده نمود. برای این کار لازم است که حداقل سه طبقه تقویتکننده سورس- مشترک را به صورت متوالی قرار داد تا امکان نوسان وجود داشته باشد. (شکل (2-10)). در چنین شرایطی شیفت فاز حلقه از صفر تا 270- درجه (به ازای تغییر فرکانس از صفر تا بینهایت) تغییر میکند و در نتیجه فرکانسی که در آن شیفت فاز 180- درجه میشود کوچکتر از بی نهایت بوده و در صورت کافی بودن حاصلضرب بهره سه طبقه در آن فرکانس، نوسان اتفاق میافتد.

نوسان‌ساز حلقوی سه طبقه
یک نوسان‌ساز حلقوی N طبقه در شکل (2-11) نشان داده شده است.

نوسان‌ساز حلقوی N طبقه
با توجه به اینکه بهره همهی طبقات یکسان است، میتوان تابع تبدیل از ورودی به خروجی مدار را بصورت رابطهی (2-3) نوشت.

که در آن R و L به ترتیب مقاومت و خازن خروجی هر طبقه می‌باشند.
در رابطه فوق ترارسانایی ترانزیستور میباشد. میتوان کل شیفت فاز حلقه را به صورت زیر نوشت

رابطه (2-4) بیانگر این است که نوسان‌ساز به ازای تعداد طبقات زوج دارای فرکانس نوسان صفر بوده، یعنی نوسان نمیکند و برای نوسان باید تعداد طبقات فرد باشد. برای اینکه بتوان یک نوسان‌ساز حلقوی با تعداد طبقات زوج داشت، باید از تقویتکنندههای تفاضلی برای ایجاد سلول تأخیر استفاده کرد. همانطور که در شکل (2-12) مشاهده میشود برای تحقق نوسان باید یکی از طبقات را طوری بست که گین مثبت داشته باشد.

نوسان‌ساز حلقوی تفاضلی با تعداد طبقات زوج
شماتیک ساده مداری نوسان‌ساز حلقوی تفاضلی در شکل (2-13) نشان داده شده است.

شماتیک مدار نوسان‌ساز حلقوی
نوسان‌ساز های LC با پیدایش تدریجی سلفهای یک پارچه و امکان ساخت آنها در تکنولوژیهای Bipolar و CMOS در سالهای گذشته، امکان طراحی نوسان‌ساز با استفاده از شبکه تشدیدکننده پسیو برای مدارهای مجتمع ایجاد شده است[6]، [7] و [28]. این نوع از نوسان‌سازها که به نوسان‌سازهای LC معروفند، به دلایلی که در ادامه توضیح داده خواهد شد، پراستفادهترین نوسان‌سازها به عنوان نوسان‌سازهای کنترل شونده با ولتاژ در مدارات فرکانس بالا و سیستمهای مخابراتی میباشند. در ادامه چند نمونه از ساختارهای مختلف نوسان‌ساز LC معرفی میشوند.
توپولوژی تک ترانزیستوری
با توجه به مدل فیدبک ارائه شده برای بیان عملکرد نوسان‌ساز در بخش 2-2 با استفاده از یک ترانزیستور، یک تانک LC و ایجاد یک مسیر فیدبک میتوان یک نوسان‌ساز طراحی کرد. به منظور این طراحی ابتدا تانک LC را در درین ترانزیستور قرار داده و سپس برای برقرای شرط فاز بارک هوزن و ایجاد شیف فاز 360 درجه باید فیدبکی از درین به سورس ترانزیستور ایجاد کرد. لازم به ذکر است که این فیدبک را نمیتوان بین درین و گیت ترانزیستور ایجاد کرد زیرا در این حالت کل اختلاف فاز حلقه 180 درجه خواهد شد و نوسان رخ نمیدهد. تا این قسمت از طراحی در شکل (2-14) نشان داده شده است.

فیدبک مستقیم از درین به سورس
برای ایجاد نوسان باید شرط دوم بارک هوزن که شرط بهره حلقه بزرگتر از یک است، نیز برقرار باشد. فیدبک ساده از درین به سورس نمیتواند این شرط را تامین کند، زیرا با اعمال ورودی و محاسبهی بهرهی حلقه بسته مشاهده میشود که در هیچ فرکانسی بینهایت نمیشود و مدار نوسان نمیکند[3]. از طرفی با ایجاد این فیدبک ساده مقاومت دیده شده از سورس ترانزیستور که برابر با است، اثر بارگذاری در تانک خواهد داشت و ضریب کیفیت آن را کاهش میدهد. بنابراین برای تامین بهرهی حلقهی کافی و ایجاد نوسان در این ساختار از فیدبکهای خازنی و سلفی استفاده میشود. ساختارهای حاصل به ترتیب به نوسان‌ساز کولپیتس و هارتلی مشهورند.
نوسان‌ساز کولپیتس
همانطور که اشاره شد نوسان‌سازکولپیتس با اعمال ساختار فیدبک خازنی در طراحی نوسان‌ساز تک ترانزیستوری ایجاد میشود. شکل (2-15) یک نوسان‌ساز کولپیتس را نشان میدهد. در این ساختار با تحریک ورودی در سورس میتوان تابع انتقال از ورودی به خروجی را محاسبه کرد که در رابطهی (2-5) نشان داده شده است.

با فرض به عنوان فرکانسی که در آن شرط حلقه تحقق مییابد، میتوان معادله

شماتیک نوسان‌ساز کولپیتس
(2-5) را تحلیل کرد و به روابط زیر را برای نوسان‌ساز کولپیتس رسید

که در آن R مقاومت موازی معادل با سلف می‌باشد. توجه به رابطهی (2-6) به سادگی ثابت میشود که در نوسان‌ساز کولپیتس، شرط لازم برای نوسان برابر است با: .
نوسان‌ساز هارتلی
نوسان‌ساز هارتلی از طریق ایجاد مسیر فیدبک با استفاده از سلفها و موازی کردن خازن تانک ایجاد میشود. ساختار یک نوسان‌ساز هارتلی در شکل (2-16) نشان داده شده است. در این ساختار همانند آنچه در نوسان‌ساز کولپیتس اشاره شد، با اعمال ورودی و محاسبه تابع تبدیل از ورودی و خروجی فرکانس نوسان محاسبه میشود. در اینجا فقط نتایج نهایی ذکر میشود.

شماتیک نوسان‌ساز هارتلی
که R مقاومت موازی و Leq سلف معادل تانک می‌باشد که برابر L1+L2 است. ساختارهای کولپیتس و هارتلی معرفی شده بدلیل خروجی تکسر در برابر منابع نویز مد مشترک از جمله نویز منبع تغذیه و بستر حساسیت زیادی دارند. بنابراین امروزه بیشتر از ساختارهای تفاضلی ضربدری نوسان‌سازهای LC استفاده میشود که در بخش بعد به توصیف آن پرداخته شده است.
توپولوژی تفاضلی تزویج ضربدری (Cross-Coupled)
برای طراحی نوسان‌ساز LC تفاضلی میتوان از دو ساختار تک ترانزیستوری با تانک LC موازی استفاده کرد و آنها را بگونهای بههم وصل کرد که شرایط نوسان بارک هوزن برای ایجاد نوسان برقرار باشد. شکل (2-17) بخش Cross-Coupled یک نوسان‌ساز LC را نشان میدهد.

قسمت Cross-Coupled نوسان‌ساز LC
در نوسان‌ساز LC این ساختار به عنوان بخش تولیدکننده مقاومت منفی به منظور جبران تلفات تانک استفاده میشود. با رسم مدل سیگنال کوچک برای این ساختار و استفاده از یک منبع تست میتوان مقاومت دیده شده از دو سر آن را محاسبه کرد. شکل (2-18) مدل سیگنال کوچک آن را نشان میدهد.

مدل سیگنال کوچک شکل (2-17)
با استفاده از قوانین KVl و KCl به شیوهی نشان داده شده در زیر مقدار مقاومت دیده شده از دوسر V1 و V2 محاسبه میشود.

با ترکیب معادلات (2-8) و (2-9) معادلهی (2-10) حاصل میشود

رابطهی (2-10) بیان میکند که ساختار ضریدری شکل (2-17) مقاومت منفی با اندازه ایجاد میکند. حال اگر این مقاومت بتواند تلفات ناشی از تانک را خنثی کند، نوسان میتواند رخ دهد. به عبارت دیگر اگر تلفات تانک با Rp نشان داده شود، برای برقراری نوسان با ساختار کراسکوپل شرط زیر باید برقرار باشد.

در ادامه چند مدل از توپولوژی تفاضلی نوسان‌ساز LC ارائه میشود، که در آنها برای ایجاد مقاومت منفی از ساختار Cross-Coupled استفاده شده است. در این ساختارها عملکرد پارامترهایی چون فرکانس مرکزی، توان مصرفی، نویز فاز و سطح اشغال شده مورد بررسی قرار میگیرد. در یک دسته بندی، نوسان‌سازهای LC Cross-Coupled با توجه به نوع ترانزیستورهای بکار برده شده در آنها به سه نوع NMOS ، PMOS و نوع تکمیلی NMOS-PMOS LC OSC تقسیم بندی میشوند[8]. نوسان‌سازهای بیان شده به ترتیب در شکلهای (2-19) و (2-20) و (2-21) نشان داده شدهاند. هر ساختار مزایا و معایبی نسبت به دیگر ساختارها دارد که در ادامه به آنها اشاره میشود.
در شکل (2-19) نمونه NMOS LC OSC که با ترانزیستورهای NMOS طراحی شده است، نشان داده شده است. این ساختار شامل دو سلف، دو خازن و یک طبقه سوئیچهای Cross-Coupled شده میباشد. بخش مقاومت منفی این نوسان‌ساز با ترارسانایی طبقهی Cross-Coupled ایجاد میشود. سلفها مستقیما به تغذیه وصل شدهاند، زیرا این کار آسیب پذیری نوسان‌ساز را در برابر نویز منبع تغذیه کاهش میدهد[9]. در شکل (2-19ب) یک منبع جریان که با ترانزیستور NMOS ساخته شده است وجود دارد. این منبع جریان این امکان را به طراح میدهد که بتواند توان مصرفی نوسان‌ساز را کنترل کند. اگرچه با حذف منبع جریان، میتوان مقدار منبع تغذیه DC را کاهش داد و به ساختار ولتاژ پایینتری رسید و همانطور که در مرجع [10] اشاره شده است، حذف منبع جریان به دلیل افزایش دامنه نوسان، میتواند عملکرد نویز فاز را بهتر کند ولی این کار قابلیت کنترلپذیری دامنه نوسان را کاهش میدهد. بنابراین همانطور که در بخشهای بعدی نیز اشاره میشود همواره مصالحهای بین توان مصرفی و نویز فاز وجود دارد.

الف ب
نوسان‌ساز کراس کوپل NMOS. الف: با منبع جریان دنباله ب:بدون منبع جریان دنباله
شکل (2-20) توپولوژی دیگری از نوسان‌سازهای LC Cross-Coupled را نشان میدهد که بر پایهی ترانزیستورهای PMOS بنا شده است. نویز فاز و توان مصرفی این ساختارها با نوع مشابه NMOS آن کاملا متفاوت است. دلیل آن هم قابلیت تحرکتپذیری حفرهها است که در PMOS با نوع NMOS آن تفاوت زیادی دارد. شکل (2-20 الف) نیز نمونهی دیگری از نوسان‌ساز LC را با



قیمت: 11200 تومان

Leave a Reply

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *