نوسان‌ساز، نوسان، فرکانس، نوسان‌سازهای، نوسان‌سازها، شیفت

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 سازي، 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
اسيلاتور كريستالي مداري الكترونيكي است كه از رزونانس مكانيكي يك كريستال در حال لرزش بهره ميبرد تا سيگنال الكتريكي با فركانس مشخصی بوجود آورد. اين فركانس معمولا براي هدف زمانسنجی (مانند ساعتهاي مچي كوارتز) استفاده ميشود تا سيگنال ساعتي پايدار براي مدارت مجتمع ديجيتال فراهم كند. 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 ازاي تعداد طبقات زوج داراي فرکانس نوسان صفر بوده، یعنی نوسان نمیکند و براي نوسان باید تعداد طبقات فرد باشد. براي اینکه بتوان یک نوسان‌ساز حلقوي با تعداد طبقات زوج داشت، باید ا

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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