اسیلاتور های کنترل شونده با ولتاژ به طور گسترده ای در مدارات فرستنده و گیرنده ی بی سیم و نیز مدارات بازیابی دیتا در ارتباطات سیمی

توضیحات

-۲- سازماندهی

بخش دوم این پایان نامه جهت بیان مفاهیم اولیه و نیز مروری بر ساختارهای اسیلاتورهای LCخواهد بود.

بخش سوم نیز مروری بر varactor ها و معرفی ساختاراستفاده شده خواهد داشت.

بخش چهارم نیز مروری بر انواع سلف ها و سلف استفاده شده خواهد بود.

بخش پنجم، ساختارهای اسیلاتورهای تولیدکننده ی سیگنال هایI  و Q را شرح خواهد داد

. همچنین، ساختار کل مدار پیشنهادی به همراه نتایج مربوطه ارائه خواهد شد. ساختارهای فیدبک پیشنهادی جهت تصحیح خطای فاز نیز شرح داده خواهند شد.

بخش ششم ، نیز شامل Layout  های قسمت های مختلف به همراهنتایج آن ها و نتایج کل مدار پیشنهادی خواهد بود.

فصل۲ ساختارهای اسیلاتورها

۲-۱- ساختارهای اسیلاتورهایLC کنترل شونده با ولتاژ

۲-۱-۱- مقدمه

اسیلاتورهای کنترل شونده LC  با ولتاژ به صورت یک شبکهی فیدبک ساده مطابق شکل ۲-۱- الف، نمایش داده می‏شوند. برای نوسان، باید شرایط Barkhausen فراهم گردد. اولا باید گین حلقه‏ی فیدبک، واحد باشد و ثانیا تغییر فاز حلقه برابر صفر درجه یا ضریبی از  باشد، به طوری که :Real (Aβ)=𝟣                                        (۱-۲)Image (Aβ)=𝟢                                     (۲-۲)شکل۲-۱- ب، نشان دهنده‏ی مدل ساده ای از یک نوسان‏ساز LC با مقاومت منفی می باشد. همانطور که دیده میشودY_Lادمیتانس معادل مدار فعال و Y_tank، ادمیتانس معادل شبکه passive می باشد. برای فراهم شدن شرایط ذکر شده و به دست آوردن فرکانس نوسان مدار، رابطه ی زیر باید برقرار باشد:Y_L +Y_tank=𝟢                                  (۳-۲)با توجه به اینکه شبکه ی سلفی– خازنی دارای مقاومت غیر صفری است که انرژی مدار را تلف می‏کند و سبب از بین رفتن نوسان می‏شود، لذا برای تداوم شرایط نوسان ، شبکه ی فعال مدار ، انرژی تلف شده را جبران می کند.همچنین بسیاری از هارمونیک های تولیدی توسط شبکه فعال، توسط شبکه سلفی – خازنی فیلتر می‏شوند. در نتیجه اساس کار ، جبران کردن مقاومت های پارازیتی شبکه‏ی سلفی– خازنی توسط مقاومت‏های منفی شبکه‏ی فعال می با(الف)(ب)شکل ۲-۱ (الف) مدل فیدبک.  (ب) مدل مقاومت منفیمی‏توان با استفاده از یک ترانزیستور به عنوان عنصر غیر فعال ، یک اسیلاتور در تکنولوژی CMOS طراحی کرد که از جمله ی آنها می توان به اسیلاتورهای Hartly  و  Colpotts اشاره کرد. ولی ساختار های دیفرانسیلی به سبب مزیت های زیاد قابل توجه هستند. با توجه به اینکه ساختارهای تفاضلی به نویز منبع حساسیت کمتری دارند و نیز بسیاری از سیستم های RF نظیر mixer ها از اسیلاتورهای محلی تفاضلی (LO) استفاده می‏کنند ، این ساختارها بیشتر مورد توجه هستند. مهم ترین و کارآمدترین ساختار دیفرانسیلی ، ساختار نوسان های معروف به –  هستند که از دو ترانزیستوری تشکیل می شوند که گیت و درین آن ها به صورت برعکس به هم وصل بوده و مقاومت منفی تولید می کنند.

۲-۱-۲- ساختارهای اسیلاتورهای –

شکل ۲-۲- الف ،نشان دهنده‏ی یک ساختار نوسان ساز ساده ی– است که دریک طرففقط دارایترانزیستورهای NMOS می‏باشد. با توجه به اتصال کوتاه بودن سلف ها در حالت DC ، V_GSو V_DS ترانزیستورها برابر V_DDخواهند بود. برای اینکه ، امپدانس معادل مدار فعال را بدست آوریم ، شکل ۲-۲- برا در نظر می گیریم که نشان دهنده ی مدل سیگنال کوچک آن می باشد. برای سادگی و بیان مفهوم اولیه ، حالت فرکانس پایین که در آن از خازن ها چشم پوشی شده است را در نظر گرفته ایم. همچنین ، ولتاژ ارلی در حد بسیاربزرگ در نظر گرفته شده است. با توجه به شکل ۲-۲- ب و با توجه بهروابط زیر، امپدانس معادل مدار فعالبرابر خواهد بود با :R_TH =      (۴-۲)= –                                            (۵-۲)R_TH =  = –                        (۶-۲) (ب) مدل ساده‏ی سیگنال کوچک –  شکل ۲-۲ (الف) اسیلاتور ساده یبرای فراهم شدن شرایط نوسان ، باید مدار طوری طراحی گردد که مقدار مقاومت منفی بدست آمده ، از مقدار مقاومت پارازیتک مدار سلفی– خازنی (R_p)کوچکتر باشد:R_p(7-2)نسبت اندازه ی مقاومت پارازیتک مدار سلفی– خازنی (R_p) به مقاومت منفی مدار فعال را factorsafetyمیگویند و برای جهت اطمینان از تداوم نوسان ، حداقل آن را برابر ۲ در نظر می گیرند.همانطور که در شکل های ۲-۳- الف و ۲-۳- ب، دیده می‏شود ، به علت اینکه مدارهای سلفی– خازنی ، مستقیما به ترتیب به VDD  و  GND ، وصل می باشند، V_GSوV_DSترانزیستورها برابر VDD خواهند بود .بنابراین،با توجه به رابطه ی  := = _n C_OX  (V_GS – V_th)(1+λV_DS)             (۸-۲)که در آن _n  ضریب تحرک الکترونها در کانال ترانزیستور ،  خازن اکسید سطح و V_th ، ولتاژ   threshold می باشند، در این ساختارها فقط توسط  و  که به ترتیب عرض و طول ترانزیستورها هستند می تواند کنترل شود.با توجه به مطالبی که در بخش ۲-۲-۱ ارائه خواهد شد ، نویز فاز به دامنه ی سیگنال های خروجی نیز وابسته است .در حالت کلی ، دامنه ی سیگنال های خروجی با تغییر مقاومت منفی، تغییر می کند. بنابراین جهت کنترل مقدار مقاومت منفی و در نتیجه مقدار  توسط جریان کار مدار ، ساختارهای ۲-۳- ج و ۲-۳- د ، ارائه می شوند. همچنین مقدار این جریان ، تعیین کننده ی مقدار توان مصرفی مدار هم خواهد بود. با توجه به اینکه در این ساختارها می توان جریان کار مدار را کنترل کرد ، می توان یک رابطه‏ی منطقی ، با توجه به نیاز ، بین نویز فاز و توان مصرفی برقرار کرد .در این ساختارها به علت محدود شدن دامنه‏ی سیگنال‏های خروجی نسبت به ولتاژ منبع تغذیه ، نویز فاز کمتر می گردد. همچنین وجود منابع جریان ، سبب می شوند که شبکه های سلفی-خازنی از نویز منبع تغذیه در امان بمانند.