پروژه آموزشی تحقیقی طراحی گیرنده با تقویت ‌کننده کم نویز

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                          

چکیده

فصل اول: مقدمه

مقدمه

فصل دوم: جنبه‌های طراحی

بررسی ساختار گیرنده

گیرنده

مرور کلي استانداردهای بی‌سیم

مسایل تحقیق

تکنولوژی پیشرفته برای mmw-LNA

فسفید ایندیوم

گالیم آرسنید

جدول عملکرد تکنولوژی HEMT

چالش‌ها و راه‌حل‌های طراحی

آخرین اجرای هنرتکنولوژی‌های نوظهور در mm-Wave

طراحی تقویت‌کننده کم نویز

(SDC LNA) تقویت‌کننده کم نویز تک کاره ، CS تک سر دوگانه

یک تقویت‌کننده نویز کم دوگانه تفاضلی (LNA, DDC)

روش‌شناسی طراحی معیارهای عملکرد

آنالیز عملکرد

فصل سوم: نتایج

 نتایج

 شکل نویز

نتیجه‌گیری

منابع

چکیده

مروری بر فناوری‌های کاربردی و راه حل‌های طراحی مدارهای یکپارچه مایکروویو (MMIC) تقویت کننده‌های کم نویز (LNAS) که در موج میلی‌متر کار می‌کنند، در این مقاله ارائه شده است. بررسی با شرح مختصری از برنامه‌های هدفمند و سیستم‌های مربوطه آغاز می‌شود. فناوری‌های پیشرفته ارائه شده در بررسی پتانسیل‌ها و اشکالات مربوط به امکانات آن درنظر گرفته شده و تکنیک‌های طراحی، متناسب با نیازهای مختلف ارائه و تحلیل می‌شوند. LNA ای که در باند V کار می‌کند (53-66 گیگاهرتز) با توجه به رهنمودهای ارائه شده طراحی و آزمایش می‌شود و نتایج پیشرفته‌ترین کشور را از نظر شکل نویز نشان می‌دهد (متوسط NF<2db). یک جدول از بهترین هنر، گزارش نتایج اخیر موجود در ادبیات باز در این موضوع، با تمرکز بر عملکرد دمای اتاق و عملکرد در محیط کرایوژنیک تهیه و بررسی شده است. سرانجام روندها در برابر فراوانی و چشم اندازها ترسیم می‌شوند.

توسعه فرستنده و گیرنده‌های فرکانس رادیویی با عملکرد بالا (RF) و برای اطمینان از بهترین استفاده از یک تکنولوژی مفید، گیرنده‌های چند استانداردی و یا قابل پیکربندی مجدد نیازمند یک طراحی نهایی RF نوین حاصل شود. در کل با افزایش ولتاژ تغذیه، عرض ترانزیستورها و یا یک مرحله اضافی در خروجی مدار می‌توان با افزایش ولتاژ تغذیه، عرض ترانزیستورها و یا یک مرحله اضافی بهبود بخشید. این مساله منجر به افزایش مسایل طراحی مانند اندازه مدار و مصرف توان می‌شود. در حال حاضر، بازار بی‌سیم و نیاز به توسعه سیستم‌های الکترونیکی قابل‌حمل، این صنعت را به تولید طراحی‌های مدار با تامین توان ولتاژ پایین سوق داده ‌است. هدف از این کار معرفی ساختار طراحی تک مرحله‌ای تقویت‌کننده نویز پایین (LNA) برای رسیدن به عملکرد بالاتر تحت ولتاژ عملکرد پایین می‌باشد. در تکنولوژی tsmc۰.۱۸ میکرون CMOS برای تشخیص طرح‌های LNA و فرآیند شبیه‌سازی با ولتاژ تغذیه 8.1ولت مورد استفاده قرار گرفته ‌است.

کلمات کلیدی: CMOS، مدارات RF، طراحی VLSI

مقدمه

  امروزه تقاضای مضاعف بازار برای دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم قابل‌حمل و دستگاه‌های پردازش با سرعت بالا وجود دارد. این مساله به این دلیل درست است که هزینه پایین و تراکم بالا منجر به موفقیت تجاری در مدارهای مجتمع ارتباطات بی‌سیم شده‌ است. اما این دستگاه‌ها با باتری کار می‌کنند که فقط یک عمر محدود دارند. تکنولوژی باتری با تکنولوژی الکترونیکی همتراز نشده است. با توجه به پیشرفت تکنولوژی باتری و افزایش مصرف توان مصرفی در دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم، به منظور کاهش مصرف توان و استفاده از ولتاژ پایین، از روش‌های طراحی مدار مبتکرانه استفاده شده ‌است. فرکانس IC های رادیویی بلوک‌های سازنده سیستم‌های مخابراتی بی‌سیم قابل‌حمل هستند. استفاده از یک تکنولوژی ساخت برای پیاده‌سازی و یکپارچه‌سازی این مدارها بسیار مهم است. این تصمیم عمدتا بر روی سطوح هزینه و یکپارچه‌سازی استوار است. در طراحی مدار فرکانس رادیویی، فناوری‌هایی نظیر) GaAs  گالیم آرسنید(،  SiGe )سیلیکون ژرمانیوم(  و Bic MOS (Bipolar  CMOS ) عملکرد خوبی در خصوصیات فرکانس بالا ارایه می‌کنند. اما این فرایندها منجر به افزایش هزینه و پیچیدگی فرآیند می‌شوند [ ۱ ]. در سال‌های اخیر، از تکنولوژی CMOS به عنوان بهترین استفاده برای پیاده‌سازی هزینه پایین و سیستم‌های سطح یکپارچه‌سازی بالا بر روی چیپ استفاده شده ‌است. یک جنبه دیگر برای تحقق مدارات آنالوگ در تکنولوژ CMOS، امکان کاهش ولتاژ تغذیه با هر نسل از فن‌آوری است. توسعه مدارهای RF آنالوگ ولتاژ پایین به معنای صرفه‌جویی در اقتصاد است. در عین حال، توپولوژی‌های مدار موجود نمی‌توانند با مشخصات بی‌سیم عملکرد بالا تحت عملکرد ولتاژ پایین مطابقت داشته باشند. از این رو، نیاز به معرفی ارزشیابی‌های طراحی جدید از مدارات تبدیل مستقیم بی‌سیم گوشی تلفن همراه است که می‌توانند به طور موفقیت‌آمیز ولتاژهای تغذیه با کیفیت پایین را کنترل کنند. انتخاب معماری گیرنده، طراحی توپولوژی مدار، و بهینه‌سازی اصولی بلوک جلویی همیشه مهم است. انتخاب معماری دریافت‌کننده، پارامترهای اصلی سطح جلویی مورد نیاز در طراحی مدارRF، اهمیت تکنولوژی CMOS، و مشخصه‌های فرکانس بالا به طور خلاصه مورد بحث قرار می‌گیرند.

موج میلی‌متر بخش فرکانس طیف فرکانس رادیویی است که بین 30 تا 300 گیگاهرتز، یعنی آن مقادیر فرکانس که طول موج (در هوا) برای آن‌ها بین 1سانتی‌متر و 1میلی‌متر است. تقویت کننده‌های کم نویز با موج میلی‌متر (mmw-LNA) مؤلفه اصلی بسیاری از سیستم‌های دریافت کننده برای برنامه‌های سطح بالا هستند، به ویژه در مواردی که پارامتر اصلی حساسیت سیستم است. سیستم‌هایی که به گیرنده‌هایی با کارایی بالا نیاز دارند، ابزارهای علمی برای مشاهده جهان یا زمین سنجی فضایی هستند؛ این ابزارها بر اساس روش‌های تداخل سنجی ساخته شده توسط آرایه‌های بزرگ یا ظروف سهموی بسیار بزرگ ساخته می‌شوند. گیرنده برای افزایش حساسیت سیستم به فناوری‌های خاصی که اغلب به‌صورت برودتی خنک می‌شوند، تکیه می‌کند. هم‌زمان با پیشرفت فناوری‌های نیمه هادی و قابل اطمینان‌تر، سیستم‌های مخابراتی ماهواره‌ای یا برنامه‌های ایمنی و امنیتی زمینی (ردیاب‌های اسلحه پنهان، راهنمایی وسایل نقلیه و …) عملی‌تر می‌شوند و سرانجام، سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم نیز در حال حرکت به سمت موج میلی‌متر هستند زیرا فناوری‌های دارای طول دروازه‌ی کمتر از 100 نانومتر نسبتاً ارزان بوده و به راحتی در سراسر جهان در دسترس هستند و همچنین نیاز به mmw-LNA وجود دارد که با فناوری صنعتی تحقق یافته است.

تکنولوژی‌های نوظهور در mm-Wave

GaAs و InP به عنوان اصلی‌ترین تکنولوژی‌های نیمه‌هادی برای کاربردهای بسیار کم نویز در آینده باقی خواهد ماند اما ظهور نیترید گالیم (GaN) یا حتی CMOS مبتنی بر سیلیکون ژرمانیوم سناریو را طی پنج تا ده سال آینده تغییر می‌دهد. گالیم نیترید این مزیت را دارد که عملکردی با نویز کم در کنار قابلیت کنترل قدرت بسیار بالا ارائه دهد. BICMOS مبتنی بر سیلیکون ژرمانیوم تا حدودی از نظر عملکرد نویز عقب مانده است اما روند تولید نسبتاً کم قیمت خود را دارد که آن را برای کاربردهایی با حجم زیاد جذاب می‌کند. در این زمینه ترانزیستورهایی دریافت شده‌اند که f_T و f_MAX 300 و 500 گیگاهرتز از خود نشان می‌دهند. پیشرفت‌های بیشتر به مقیاس‌گذاری مداوم طول گیت ترانزیستور که به سمت 10 نانومتر یا حتی دستگاه‌های کوتاه‌تر حرکت می‌کند، تکیه دارد. به همین ترتیب برای بهره‌برداری کامل از پتانسیل‌های دستگاه، توصیف و مدلسازی موقت دستگاه مورد نیاز خواهد بود.