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
1-2- اهداف و ساختار پایاننامه 6
فصل دوم: نوسان‌سازها و تاثیر نویز بر عملکرد آنها 7
2-2- اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها 8
2-2-2- مدل مقاومت منفی نوسان‌سازها 10
2-3- انواع نوسان‌سازهای CMOS 11
– توپولوژی تفاضلی Cross-Coupled 21
2-3-3- نوسان‌سازهایLC مناسبترین انتخاب برای کاربردهای مخابراتی 25
2-7- منابع نویز در نوسان‌سازها 33
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
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
فصل سوم: طراحی یک نوسانساز LC به مقصود شکلدهی جریان ترانزیستورها 69
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-
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
- 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
فصل چهارم: نتایج و تفسیر آنها 95
4-3- نتایج شبیه سازی ساختار تکمیلی نوسانساز LC پیشنهاد شده 102
4-4– مقایسه با کارهای انجام شده پیششین 104
فصل پنجم: جمع‌بندي و پيشنهادها 107
5–2– پیشنهاد برای ادامه کار 108
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.
- 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.
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
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