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 دهنده 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 پیاده سازی آسان آن نسبت به سایر نوسان‌سازها نقش مهمی را در طراحی مدارات فرکانس بالا ایفا می کند. تلاش های 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 زاویه هدایت ترانزیستورها در کاهش نویز فاز بررسی شده است.
برای ارزیابی تکنیک معرفی شده، یک 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 كلاسیک برتری دارد.
واژه‌های كلیدی
نویز فاز، نوسان‌سازهای LC، شکل دهی جریان ترانزیستور ، تابع حساسیت ضربه
فهرست مطالب
1-2- اهداف و ساختار پایان نامه 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 به منظور شکلدهی جریان ترانزیستورهای سوئیچ… 66
فصل سوم: طراحی یک نوسانساز LC به منظور 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- بررسی شرایط نوسان و محاسبه فرکانس نوسان 74
3-2-3- تحلیل جریان ترانزیستورهای زوج تفاضلی ساختار پیشنهادی و بررسی نویز-
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- محاسبه دامنه نوسان 80
- منابع نویز نوسانساز 87
- محاسبه نویز فاز محاسبه نویز فاز حاصله از تلفات تانک 88
- محاسبه نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای سوئیچ 88
- محاسبه نویز فاز حاصله از نویز حرارتی ترانزیستورهای دنباله 91
- محاسبه 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: جمع‌بندی و پیشنهادها 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)، شبکه های بیسیم محلی[2](WLAN)، سنتزکننده های فرکانسی[3](FS) و غیره امروزه در سراسر جهان کاربرد گسترده ای دارند. مدارات مجتمع آنالوگ و فرکانس بالا بخش مهمی را در سیستمهای مخابراتی به خود اختصاص داده اند. 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 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 [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 می گیرند، در داخل خود دارای یک سنتزکننده فرکانس میباشند که به آن نوسانساز محلی[6] گفته می شود. 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 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[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 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[2].
نویز فاز در یک سیستم نوسانی به صورت اندازه تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسانساز تعریف می شود. 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 می گذارد. 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 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 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 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 می گیرند، به طور کامل و جامع مورد بررسی قرار گیرد و ساختاری جدید با نویز فاز کم برای نوسان‌سازهای LC ارائه گردد.
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 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 می شود.
- فصل دوم
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.
[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 : * parsavahedi.t@gmail.com
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.
— — —
14,700 تومانافزودن به سبد خرید