برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی گردد

 

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

 

 

 

 

تیر 1391

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکيده

نوسان‌سازها مانند 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 می باشد. 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 تأثیر مهمی را در طراحی مدارات فرکانس بالا اعمال می­کند. کوشش­های زیادی در راستای کاهش نویز فاز این نوسان‌سازها صورت گرفته می باشد و تکنیک­های مختلفی نیز ارائه شده می باشد. یکی از روش­های موثر کاهش اثر نویز ترانزیستور در فاز خروجی نوسان‌ساز، بهینه کردن فرم جریان آن می­باشد. در این پایان نامه آغاز به مطالعه نوسان‌ساز LC و منابع نویز آن پرداخته و سپس تکنیک شکل­دهی جریان ترانزیستورها و تأثیر آن در کاهش نویز فاز نوسان‌ساز اظهار شده می باشد. در ادامه ساختار جدیدی برای نوسان‌سازهای Cross-Coupled LC ارائه گردیده می باشد 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 می باشد و تأثیر کاهش زاویه­ی هدایت ترانزیستورها در کاهش نویز فاز مطالعه شده می باشد.

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 می باشد 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

فصل اول : مقدمه 1

1-1- مقدمه 2

1-2- اهداف و ساختار پایان­نامه 6

فصل دوم: نوسان‌سازها و تاثیر نویز بر عملکرد آنها 7

2-1- مقدمه 8

2-2- اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها 8

2-2-1- مدل فیدبک نوسان‌ساز 9

2-2-2- مدل مقاومت منفی نوسان‌سازها 10

2-3- انواع نوسان‌سازهای CMOS 11

2-3-1- نوسان‌سازهای حلقوی 15

2-3-2- نوسان‌سازهای LC 18

– توپولوژی تک ترانزیستوری 18

– توپولوژی تفاضلی Cross-Coupled 21

2-3-3- نوسان‌سازهایLC مناسب­ترین انتخاب برای کاربردهای مخابراتی 25

2-4- شبکه­های LC پسیو 26

2-4-1- تانک RLC موازی 26

2-4-2- تانک RLC سری 28

2-5- ضریب کیفیت تانک 28

2-6- نویز 30

2-6-1- مقدار RMS نویز 31

2-6-2- جمع منابع نویز 31

2-6-3- چگالی طیف توان نویز 32

2-7- منابع نویز در نوسان‌سازها 33

2-7-1- نویز حرارتی 33

2-7-2- نویز شاتکی 35

2-7-3- نویز فلیکر 37

2-8- تعریف نویز فاز 39

2-9- مدل­های نویز فاز 42

2-9-1- مدل لیسون: یک مدل تجربی برای نویز فاز 42

2-9-2- مدل حاجی میری: مدل خطی متغیر با زمان 44

– اثبات فرض تغییر پذیر با زمان بودن نوسان‌ساز 44

– اثبات فرض خطی بودن نوسان‌ساز 47

– منابع نویز Cyclostationary 48

– مزایا و معایب مدل LTV 51

2-10– منابع نویز در نوسان‌ساز LC 52

2-11– روش­های کاهش نویز فاز 53

2-11-1- روش فیلترینگ نویز دنباله 53

2-11-2- موازی کردن خازن با ترانزیستور منبع جریان 56

2-11-3- شکل­دهی جریان ترانزیستورهای سوئیچ با ساختار کسکود 60

2-11-4- تفکیک بایاس گیت از خروجی نوسان‌ساز 64

2-11-5- شبکه­ بایاس آینه جریان بمنظور شکل­دهی جریان ترانزیستورهای سوئیچ… 66

2-12- صورت شایستگی( FOM ) 68

2-13- اختصار­ی فصل 68

فصل سوم: طراحی یک نوسان‌ساز LC به مقصود شکل­دهی جریان ترانزیستورها 69

3-1- مقدمه  70

3-2– تحلیل و طراحی نوسان­ساز LC با جریان شکل دهی شده 73

3-2-1- فرم جریان در نوسان‌ساز LC کلاسیک 73

3-2-2- مطالعه شرایط نوسان و محاسبه فرکانس نوسان 74

3-2-3- تحلیل جریان ترانزیستورهای زوج تفاضلی ساختار پیشنهادی و مطالعه نویز-

فاز آن 76

3-3– طراحی نوسان‌ساز LC جدید به مقصود بهبود جریان شکل­دهی شده ترانزیستورها. 78

3-3-1- مطالعه شرایط نوسان­ ساختار پیشنهادی 79

3-3-2- محاسبه­ی دامنه­ی نوسان 80

3-3-3– محاسبه نویز فاز 87

• منابع نویز نوسان‌ساز 87
• محاسبه نویز فاز محاسبه­ی نویز فاز حاصله از تلفات تانک 88
• محاسبه­ی نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای سوئیچ 88
• محاسبه­ی نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای دنباله 91
• محاسبه­ی نویز فاز حاصله از نویز فلیکر ترانزیستورها 91

3-4– بهبود طراحی نوسان‌ساز پیشنهادی 92

3-5– اختصار­ی فصل 94

 

فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها 95

4-1- مقدمه 96

4-2- نتایج شبیه سازی 96

4-3- نتایج شبیه سازی ساختار تکمیلی نوسان‌ساز LC پیشنهاد شده 102

4-4– مقایسه با کارهای انجام شده پیششین 104

4-5– اختصار­ی فصل 106

 

فصل پنجم: جمع‌بندي و پيشنهادها 107

5-1- جمع بندی 108

5–2– پیشنهاد برای ادامه کار 108

 

پیوست 110

مراجع 114

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• فصل اول

 

 

• مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• مقدمه

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[1](GPS)، شبکه­های بی­سیم محلی[2](WLAN)، سنتزکننده­های فرکانسی[3](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 می باشد.

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 می باشد که در انتخاب تکنولوژی در صنعت فرکانس بالا تعیین کننده می­باشد. با پیدایش تکنولوژی [4]CMOS و ادامه­ی طریقه کاهش ابعاد ترانزیستور در آن پیشرفت­های زیادی در مجتمع سازی مدارات فرکانس بالا و آنالوگ ایجاد شده می باشد. مانند فواید بهره گیری از تکنولوژی CMOS، امکان قرار دادن بخش­های مختلف یک سیستم مخابراتی بر روی یک تراشه واحد می باشد. به چنین سیستمی یک [5]SOC گفته می گردد و شامل مدارات آنالوگ، دیجیتال و فرکانس بالای سیستم­های مخابراتی می باشد. چنین سیستم­هایی بدلیل مزایایی زیرا کاهش هزینه­های ساخت و توان مصرفی از اهمیت فوق العاده­ای در محصولات بی­سیم برخوردارند. البته بهره گیری از تکنولوژی CMOS محدودیت­هایی نیز دارد اما طراحان قادر به حل آن معضلات شده­اند و امروزه این تکنولوژی به گونه وسیع در مدارهای فرکانس بالا مورد بهره گیری قرار می گیرد [1].

یکی از مهمترین بلوک­های فرکانس بالا در سیستم های مخابراتی نوسان‌سازها هستند. کلیه فرستنده-گیرنده­های فرکانس بالایی که امروزه مورد بهره گیری قرار می­گیرند، در داخل خود دارای یک سنتزکننده فرکانس می­باشند که به آن نوسان‌ساز محلی[6] گفته می­گردد. وظیفه این بلوک ایجاد یک سیگنال سینوسی می باشد که مطابق شکل 1-1 به کمک آن اقدام انتقال طیف فرکانسی سیگنال­های دریافتی و یا ارسالی به فرکانس­های به ترتیب پایین یا بالا انجام می­گردد.

• 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) می باشد. هنگامی که کاربران یک سیستم مخابراتی زیاد می­شوند، با در نظر داشتن محدودیت­هایی که بر روی پهنای باند هست، پهنای باندی که به هر کاربر اختصاص ­می­یابد کاهش پیدا می­کند. اما وجود پدیده نویز فاز باعث می­گردد که پهنای باند اختصاصی به هرکاربر را نتوان از یک مقدار حداقلی کمتر نمود. این مسئله باعث ایجاد محدودیت در افزایش تعداد کاربران یک سیستم مخابراتی با پهنای باند ثابت می­گردد. به­ همین علت در دهه­های اخیر تحلیل نویز فاز و مطالعه تکنیک­های بهبود طراحی مدارات برای VCOها[7] علاقه­مندی­های زیادی در دانشگاه­ها و صنعت به وجودآورد. اما به دلیل پیچیدگی زیاد این پدیده هنوز ارتباط­ی دقیقی که بسادگی بتواند نویز فاز نوسان‌ساز را مطالعه کند بدست نیامده می باشد. دلایلی که رسیدن به یک تحلیل کامل از چگونگی ایجاد نویز فاز را دشوار می­سازد، به گونه اختصار 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 مطالعه نویز فاز معادل مطالعه اثر نویز در یک سیستم غیرخطی متغیر با زمان می باشد. عملکرد بسیاری از سیستم­ها به طرق مختلف از نویز تاثیر می­پذیرند. پس داشتن درک درستی از نویز در الکترونیک یکی از مهم­ترین مسائل در سیستم­های مجتمع­شده می باشد. بطور کلی نویز در سیستم­های الکتریکی را می­توان به دو مولفه تقسیم نمود: 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 گردد، کاهش می­یابد. برای مشخص شدن نویز دامنه برای یک سیستم پارامتری با عنوان عدد نویز تعریف می­گردد که به صورت نسبت سیگنال به نویز در ورودی سیستم به سیگنال به نویز در خروجی تعریف می­گردد[2].

         نویز فاز در یک سیستم نوسانی بصورت اندازه­ی تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسان‌ساز تعریف می­گردد. این تغییرات بدلیل منابع نویز مختلف موجود در مدار به وجودمی­آید. تعریف دقیق­تر نویز فاز در فصل دوم آورده شده می باشد. 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 می باشد. 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 می باشد. همان­گونه که نظاره می­گردد 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 می باشد. توان سیگنال واقع شده در می­تواند توسط سیگنال ناخواسته در مدوله گردد و یک مولفه­ی نویز در به وجودآید. متاسفانه این مولفه­ی نویز نمی­تواند توسط فیلتر IF از بین برود، زیرا در بازه فرکانسی فیلتر IF قرار ندارد. پس 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 می­گردد.

برای دانلود فایل ورد متن کامل اینجا کلیک کنید

• اثر نویز دامنه و فاز روی عملکرد یک گیرنده­ی RF

با در نظر داشتن اهمیت پدیده نویز فاز و تبعات منفی آن در سیستم های مخابراتی، در این پایان نامه کوشش خواهد گردید تا ضمن مطالعه 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 بهره گیری قرار می­گیرند، به گونه کامل و جامع مورد مطالعه قرار گیرد و ساختاری جدید با نویز فاز کم برای نوسان‌سازهای LC ارائه گردد.

• اهداف و ساختار پایان نامه

         در این پایان نامه آغاز به مطالعه اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها و معرفی انواع نوسان‌سازهای CMOS پرداخته و علت های انتخاب نوسان‌سازهای نوع LC در کاربردهای فرکانس بالا مطالعه می­گردد. بعد از آشنایی با نوسان‌سازهای CMOS و نحوه عملکرد آن­ها به مطالعه 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 اظهار می­گردد. در این رساله هدف طراحی نوسان‌ساز LC با نویز فاز کمتر می باشد. به همین دلیل آغاز به مطالعه تکنیک­های کاهش نویز فاز ارائه شده در سال­های اخیر پرداخته و تکنیک­های مختلف را مطالعه کرده و سپس تکنیک بهبود یافته­ی پیشنهادی معرفی و ساختار تکمیلی در راستای بهبود تکنیک معرفی شده ارائه می­گردد. در انتها به مقصود 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 بهره گیری از شبیه­ساز ADS شبیه­سازی شده و نتایج شبیه­سازی با کارهای انجام شده پیشین مقایسه می­گردد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• فصل دوم

 

 

 

 

نوسان‌سازها

و تاثیر نویز بر عملکرد آنها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• مقدمه

         همان گونه که در فصل قبل تصریح گردید، نوسان‌سازهای کنترل شونده با ولتاژ یکی از مهم­ترین اجزای فرستنده- گیرنده­های فرکانس بالا به شمار می­آیند. با در نظر داشتن مسائل و مشکلاتی که در اثر پدیده نویز فاز نوسان‌ساز محلی در سیستم­های مخابراتی ایجاد می­گردد، واضح می باشد که طراحی نوسان‌ساز با نویز فاز کم دارای اهمیت بسیار زیادی می­باشد. پارامترهای زیادی در طراحی یک نوسان‌ساز اهمیت دارند مانند: نویزفاز، توان مصرفی، قابلیت مجتمع سازي، بهره. نوسان‌سازهای مختلفی وجود دارند که هرکدام قابلیت­های خاصی از موارد یاد شده را دارند اما برآورده کردن تمامی قابلیت­ها در یک نوسان‌ساز خاص کار بسیار مشکلی می باشد. پس همواره کوشش بر این می باشد تا با در نظر داشتن نیاز کاربران نوسان‌سازی با عملکرد بهتر ارائه گردد. 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 بهره گیری در مدارات و سیستم های فرکانس بالا پرداخته می­گردد.

[1]Global Positioning System

[2]Wireless Local Area Networks

[3]Frequency Synthesizer

[4]Complementary Metal-Oxide-Silicon

[5]System-on-a-chip

[6]Local Oscillator

[7]Voltage Controlled Oscillator

[8]Low Noise Amplifire

***ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

تعداد صفحه :147