طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم

دانشگاه صنعتی بابل
دانشكده مهندسي برق و کامپیوتر
عنوان پايان‌نامه
طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم
جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسي برق گرايش میکروالکترونیک
استاد راهنما:
دكتر 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
تقديم 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

تشكر و قدرداني
اعتراف ميكنم كه نه زبان شكر تو را دارم و و نه توان تشكر از بندگان تو، و اما بر حسب وظيفه
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.
كليه اساتيد ارجمندم در طول سالهاي به ياد ماندني شاگرديشان تشكر مينمايم.
در پایان از درگاه خداوند متعال برای تمامی این عزیزان سلامتی، موفقیت و توفیق روزافزون در همۀ عرصه های زندگی را مسئلت می نمایم.چکيده
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 ميان اسيلاتورهاي 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.
براي ارزيابي تکنیک معرفی شده، يك اسيلاتورLC در فرکانس مرکزی 2GHz در تکنولوژی TSMC CMOS 0.18µm در نرم افزار Agilent ADS طراحی و شبیهسازی شده و مورد ارزيابي قرار گرفته است نتايج آزمايش‌ها نشان ميدهد اسيلاتور پيشنهادي علاوه بر كاهش قابل توجه نويز فاز از نظر FOM نیز بر اسيلاتورهاي كلاسيك برتري دارد.
واژه‌هاي كليدي
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: جمع‌بندي و پيشنهادها 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

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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