پایان نامه طراحی تقویت كننده كم نویز در باند فراپهن با استفاده از تكنولوژی CMOS

پایان نامه طراحی تقویت كننده كم نویز در باند فراپهن با استفاده از تكنولوژی CMOS

چکیده: 

تقویت کننده های کم نویز، یکی از اجزای اساسی گیرنده در مخابرات بیسیم محسوب می شوند. زیرا عملکرد آنها کارایی سیستم را، از نظر نویز مشخص میکند. هدف اصلی این پایان نامه، تحلیل و طراحی تقویت کننده کم نویز در باند فراپهن توسط تکنولوژی CMOS است. ابتدا عملکرد یک تقویت کننده کم نویز توزیع شده بررسی میشود. سپس مدار پیشنهادی تقویت کننده کم نویز توزیع شده، ارائه میگردد. این تقویت کننده دارای توان مصرفی 30 میلی وات، عدد نویز 3dB، گین 12dB پهنای باند 3/1 تا 10/6 گیگاهرتز میباشد. 

در انتها، مدار طراحی شده دوم، که متشکل از دو طبقه گیت مشترک و کسکود میباشد، ارائه میشود. این تقویت کننده دارای توان مصرفی 16/5 میلی وات، گین 26dB، عدد نویز 3dB و پهنای باند 3/1 تا 10/6 گیگاهرتز میباشد. 

تقویت کننده های کم نویز طراحی شده با استفاده از تکنولوژی 0/18CMOS میکرون با منبع تغذیه 1/8 ولت طراحی شده است. 

مقدمه 

تحقیقات بسیاری در زمینه طراحی گیرنده / فرستنده ها و اجزاء آنها در باند فرا پهن انجام شده است، هدف اصلی بیشتر این تحقیقات، تقویت کننده های کم نویز، میکسرها و تقویت کننده های توان است همانطور که میدانیم تقویت کننده کم نویز یکی از اجزای بحرانی در گیرنده RF میباشد. در گیرنده ی فرا پهن باند، تقویت کننده کم نویز یک بلوک بحرانی است که سیگنال های ضعیف را از کل باند فرا پهن میگیرد و آنها را با نسبت سیگنال به نویز خوب تقویت میکند. تقویت کننده کم نویز اولین بلوک اصلی در مسیر دریافت سیگنال است. با توجه به توان کم سیگنال در خروجی آنتن و نیز افت ناشی از مدارهای غیر فعال در ورودی گیرنده لازم است بلافاصله سیگنال دریافتی تقویت شود که این کار وظیفه تقویت کننده کم نویز است. این بخش نیز مانند بقیه بخش های موجود در گیرنده فراپهن باند در باند فرکانسی 3 تا 10/6 گیگاهرتز طراحی میشود. 

اهداف پایان نامه 

در این پایان نامه با بررسی تقویت کننده های کم نویز و مقایسه هریک از نظر ساختار، بهره ی مدار، توان مصرفی، عدد نویز و تطبیق در ورودی و خروجی و… ، ساختار مناسب و پیشنهادی برای یک تقویت کننده کم نویز انتخاب شده و از لحاظ کارکرد در این سیستمها بررسی گشته است. بر این اساس در فصل اول سیستم های فراپهن باند را بطور کامل معرفی و بررسی می گردد. فصل دوم به بررسی انواع تقویت کننده های کم نویز، مشخصات، مزایا و معایب هریک پرداخته است. در فصل سوم به بررسی و تحلیل ساختار مدارات توزیع شده و در فصل چهارم بررسی نویز مدارات مختلف مورد بحث قرار گرفته است. در فصل پنجم و ششم دو ساختار تقویت کننده کم نویز طراحی شده است. در فصل هفتم نتیجه گیری و پیشنهادات و فصل هشتم نیز منابع و مأخذ مورد استفاده به تفکیک درج شده اند.

فصل اول: سیستم های فرا پهن باند 

1-1- مقدمه: 

در طول دهه های اخیر، پیشرفت سریع ارتباطات باعث ایجاد تقاضا برای قطعات بهتر و ارزانتر و همچنین تکنولوژی های پیشرفته تر شده است. افزایش تقاضا برای انتقال سریع و افزایش نرخ انتقال اطلاعات در عین مصرف کم توان، تاثیرات شگرفی را در تکنولوژی ارتباطات ایجاد کرده است. 

در هر دو بخش مخابرات بیسیم و با سیم این گرایش منجر به استفاده هرچه بیشتر از مدولاسیون هایی با استفاده بهینه از طیف فرکانسی و یا افزایش پهنای کانالها گشته است. این روشها به همراه روشهای مهندسی برای کاهش توان، به منظور تولید تراشه هایی ارزان با توان مصرفی اندک در صنعت استفاده میشود. در عین حال، افزایش و گسترش استانداردها نه تنها باعث شده است که سیستمها با طیفهای شلوغتری از لحاظ فرکانسی رو به رو باشند، بلکه باعث گردیده تا سیستمها به سوی چند استاندارده بودن سوق داده شده و قابلیت انطباق با استانداردهای مختلف را داشته باشند. در حقیقت این پیشرفت تکنولوژی منجر به طراحی و تولید دستگاه هایی شده است که قابلیت کارکرد در باندهای وسیعتری را داشته باشند. از میان تکنولوژی های با پهنای باند وسیع می توان سیستمهای فراپهن باند را نام برد. 

تکنولوژی فرا پهن باند به شیوه کاملا متفاوتی نسبت به سایر تکنولوژیها از باند فرکانسی استفاده می کند. این سیستمها از پالسهای باریک و پردازش سیگنال در حوزه زمان برای انتقال اطلاعات استفاده میکنند. بدین صورت سیستمهای فرا پهن باند قادرند در بازه زمانی مشخص اطلاعات بیشتری را نسبت به سیستمهای قدیمی تر منتقل کنند. زیرا حجم انتقال اطلاعات در سیستمهای مخابراتی به صورت مستقیم متناسب با پهنای باند تخصیص یافته میباشد. 

در گیرنده ی فرا پهن باند، تقویت کننده کم نویز توسط یک یا چند طبقه بهره بدست میآید. بنابراین نویز گیرنده، به عدد نویز و بهره توان تقویت کننده کم نویز آن بستگی دارد. در گیرنده فرا پهن باند، تقویت کننده کم نویز یک بلوک بحرانی است که سیگنال های ضعیف را از کل باند فرا پهن می گیرد و آنها را با نسبت سیگنال به نویز خوب تقویت می کند. بعلاوه بهره توان بالا و یکنواخت، تطبیق امپدانس ورودی و عدد نویز مناسب در کل باند فرکانسی فرا پهن باند، مورد نیاز است. اخیرا کاربرد وسیع باند فرا پهن، نظر گروه کثیری از مهندسان را به طراحی یک مدار واحد با خصوصیات عالی جلب کرده است. گسترش سریع تکنولوژیهای دیجیتال و نیمههادی عاملی برای استفاده وسیع از طیفهای پهن و عریض شده است. روش اصلی در عریض کردن طیف، مدوله کردن حامل باند پهن میباشد. 

انتخاب سیگنال باند فرا پهن و مدولاسیون آن، به قابلیت استفاده، سادگی و هزینه کم برای یک کانال بدون سیم ارتباطی شامل همه مراحل پردازش سیگنال، بستگی دارد. کانال ممکن است محدودیت های دیگری را هنگام عبور سیگنال به ما تحمیل کند.