نوسان‌ساز، LC، نوسان، تانک، فیدبک، تفاضلی

ز 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

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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