دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش میکروالکترونیک

با عنوان :طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم

 

عنوان پایان‌نامه

طراحی نوسان‌ساز Cross-Coupled LC با نویز فاز کم

 

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

در رشته مهندسی برق گرایش میکروالکترونیک

 

 

استاد راهنما:

دكتر حسین میار نعیمی

 

 

 

 

تیر 1391

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

نوسان‌سازها از جمله مهمترین اجزای تشکیل دهنده­ی سیستم­های مخابراتی می­باشد. از آنجایی که نویز فاز یکی از پارامترهای مهم تعیین کننده­ کیفیت یک نوسان‌ساز می­باشد، طراحی نوسان‌سازهایی با نویز فاز کمتر از اهداف مهم طراحان است. در میان اسیلاتورهای مختلف، نوسان‌سازهای Cross-Coupled LC بدلیل عملکرد نویز فاز بهتر، مصرف توان کمتر، ساختار تفاضلی و پیاده­سازی آسان آن نسبت به سایر نوسان‌سازها نقش مهمی را در طراحی مدارات فرکانس بالا ایفا می­ کند. تلاش­های زیادی در راستای کاهش نویز فاز این نوسان‌سازها صورت گرفته است و تکنیک­های مختلفی نیز ارائه شده است. یکی از روش­های موثر کاهش اثر نویز ترانزیستور در فاز خروجی نوسان‌ساز، بهینه کردن فرم جریان آن می­باشد. در این پایان نامه ابتدا به بررسی نوسان‌ساز LC و منابع نویز آن پرداخته و سپس تکنیک شکل­دهی جریان ترانزیستورها و نقش آن در کاهش نویز فاز نوسان‌ساز بیان شده است. در ادامه ساختار جدیدی برای نوسان‌سازهای Cross-Coupled LC ارائه گردیده است که در آن جریان درین ترانزیستورهای زوج تفاضلی برای کاهش نویز فاز شکل دهی شده ­اند. 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 است و نقش کاهش زاویه­ی هدایت ترانزیستورها در کاهش نویز فاز بررسی شده است.

برای ارزیابی تکنیک معرفی شده، یك اسیلاتورLC در فرکانس مرکزی 2GHz در تکنولوژی TSMC CMOS 0.18µm در نرم افزار Agilent ADS طراحی و شبیه­سازی شده و مورد ارزیابی قرار گرفته است نتایج آزمایش‌ها نشان می­دهد اسیلاتور پیشنهادی علاوه بر كاهش قابل توجه نویز فاز از نظر FOM نیز بر اسیلاتور­های كلاسیك برتری دارد.

 

واژه‌های كلیدی

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 پایان نامه 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- شبکه ­های 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- خلاصه­ی فصل 68

فصل سوم: طراحی یک نوسان‌ساز LC به منظور 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- بررسی شرایط نوسان و محاسبه فرکانس نوسان 74

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

فاز آن 76

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

3-3-1- بررسی 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– خلاصه­ی 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– خلاصه­ی فصل 106

 

فصل پنجم: جمع‌بندی و پیشنهادها 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)، شبکه ­های بی­سیم محلی[2](WLAN)، سنتزکننده­ های 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 اندازه­ کوچکتر برای طراحی فرستنده-گیرنده­های کم­هزینه و کم­حجم از اهمیت خاصی برخوردار است.

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 [4]CMOS و ادامه­ی 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 [5]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 [1].

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[6] گفته می­شود. وظیفه این بلوک ایجاد یک سیگنال سینوسی است که مطابق شکل 1-1 به کمک آن عمل انتقال طیف فرکانسی سیگنال­های دریافتی و یا ارسالی به فرکانس­های به ترتیب پایین یا بالا انجام می­شود.

• 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 می­شود 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 می­شود. به­ همین علت در دهه­های اخیر تحلیل نویز فاز و بررسی تکنیک­های بهبود طراحی مدارات برای VCOها[7] علاقه­مندی­های 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 فرآیند 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 دامنه­ی کار کوچک شود، کاهش می­یابد. برای مشخص شدن نویز دامنه برای یک سیستم پارامتری با عنوان عدد نویز تعریف می­شود که به صورت نسبت سیگنال به نویز در ورودی سیستم به سیگنال به نویز در خروجی تعریف می­شود[2].

         نویز فاز در یک سیستم نوسانی بصورت اندازه­ تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسان‌ساز تعریف می­شود. این تغییرات بدلیل منابع نویز مختلف موجود در مدار بوجود می­آید. تعریف دقیق­تر نویز فاز در فصل دوم آورده شده است. 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 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 می­شود 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 نمی ­تواند 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 می­شود.

• 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 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 بهره گرفتن 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 سازی، 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.

[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 است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

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

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

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

موجود است

تعداد صفحه :147

قیمت : 14700 تومان

—-

پشتیبانی سایت :       *      [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

—  — —