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[۱](GPS)، شبکه های بیسیم محلی[۲](WLAN)، سنتزکنندههای فرکانسی[۳](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 اندازه کوچکتر برای طراحی فرستنده-گیرندههای کمهزینه و کمحجم از اهمیت خاصی برخوردار است.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
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 [۴]CMOS و ادامه 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 [۵]SOC گفته می شود و شامل مدارات آنالوگ، دیجیتال و فرکانس بالای سیستمهای مخابراتی می باشد. چنین سیستمهایی بدلیل مزایایی چون کاهش هزینه های 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 شده اند و امروزه این تکنولوژی به طور وسیع در مدارهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد [۱].
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[۶] گفته می شود. وظیفه این بلوک ایجاد یک سیگنال سینوسی است که مطابق شکل ۱-۱ به کمک آن عمل انتقال طیف فرکانسی سیگنالهای دریافتی و یا ارسالی به فرکانسهای به ترتیب پایین یا بالا انجام می شود.
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 می کند. اما وجود پدیده نویز فاز باعث می شود 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 می شود. به همین علت در دهههای اخیر تحلیل نویز فاز و بررسی تکنیکهای بهبود طراحی مدارات برای VCOها[۷] علاقه مندیهای زیادی در دانشگاهها و صنعت بوجود آورد. اما به دلیل پیچیدگی زیاد این پدیده هنوز رابطه 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 فرایند 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 دامنه کار کوچک شود، کاهش مییابد. برای مشخص شدن نویز دامنه برای یک سیستم پارامتری با عنوان عدد نویز تعریف می شود که به صورت نسبت سیگنال به نویز در ورودی سیستم به سیگنال به نویز در خروجی تعریف می شود[۲].
نویز فاز در یک سیستم نوسانی بصورت اندازه تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسان‌ساز تعریف می شود. این تغییرات بدلیل منابع نویز مختلف موجود در مدار بوجود می آید. تعریف دقیقتر نویز فاز در فصل دوم آورده شده است. نویز دامنه و فاز عملکرد سیستمهای الکتریکی را به طرق مختلف تحت تاثیر می گذارد. شکل (۱-۲) عملکرد این دو مولفهی نویز را روی یک دستگاه گیرندهی بیسیم نشان میدهد. در این شکل بلوکهایی که نویز بیشترین تاثیر را روی آنها می گذارد، نشان داده شده است. نویز دامنه (به عنوان مثال نویز LNA[8](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 می شود 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 می تواند 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 می کند. ترکیب این دو منبع نویز نسبت سیگنال به نویز را در خروجی فیلتر IF کاهش میدهد و نهایتا سیگنال ورودی خراب می شود.
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 می شود. 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 می شود. 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 یافته پیشنهادی معرفی و ساختار تکمیلی در راستای بهبود تکنیک معرفی شده ارائه می شود. در انتها به منظور اثبات صحت ادعاهای مطرح شده، یک نوسان‌ساز CMOS LC در فرکانس مرکزی GHz 2 در تکنولوژی mμ ۱۸/۰ با ولتاژ تغذیه ۸/۱ ولت طراحی و با بهره گرفتن از شبیهساز ADS شبیهسازی شده و نتایج شبیهسازی با کارهای انجام شده پیشین مقایسه می شود.
نوسان‌سازها
و تاثیر نویز بر عملکرد آنها
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 می شود، 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 قابلیت های 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 می شود.
- اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها
نوسان‌ساز سیستمی است که بدون اعمال ورودی سیگنالی متناوب با فرکانس مشخص در خروجی تولید کند. به طور 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 می شود. در دیدگاه دوم نوسان‌ساز بر پایه 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.
- اگرچه نوسان‌سازها بطور طبیعی غیرخطی هستند اما معمولا به صورت یک سیستم فیدبک دار خطی در نظر گرفته میشوند. شکل (۲-۱).
بلوک دیاگرام سیستم فیدبک منفی
سیستم فیدبک منفی شکل (۲-۱) 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 می شود. 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 می شود. در چنین شرایطی مدار کوچکترین تحریک دریافتی در فرکانسکه می تواند ناشی از نویز باشد را به صورت نامحدود تقویت می کند. در واقع همان طور که در شکل (۲-۲) مشخص است، نویز واقع در فرکانسکه در ورودی سیستم قرار دارد، در مجموع بهره بینهایت را دریافت می کند و در نتیجه این سیگنال تقویت شده و در داخل حلقه خود را تکرار می کند. بنابراین در مجموع مولفهی نویز واقع در فرکانس در داخل حلقه اجازه تقویت و رشد پیدا می کند.
تغییرات سیستم نوسانی با زمان ]۳[
بنابراین بطور کلی دو شرط لازم برای ایجاد نوسان که با نام معیارهای “بارک هاوزن[۹]” از آن یاد می شود با روابط زیر بیان می شود
