چکیده

در این مقاله یک میسکر مبتنی بر سلول گیلبرت گیت مشترک پایین آورنده کم ولتاژ و کم مصرف با خطسانی زیاد با تکنولوژی TSMC 0 .18-µm طراحی و ارائه شده است. این میکسر در باند فرکانسی ۲٫۴ گیگاهرتز با فرکانس اسیلاتور محلی ۲٫۱ گیگاهرتز و فرکانس میانی ۳۰۰ مگاهرتز کار می کند.در این میکسر از روش گیت های متعدد برای افزایش خطسانی میکسر مبتنی بر سلول گیلبرت گیت مشترک استفاده شده است، نتایج شبیه سازی با نرم افزار Hspice نشان می دهد که IP3 بعد از بهینه سازی میکسر، بیشتر از ۱۶dBm بهبود پیدا کرده است . میکسر پیشنهادی با ولتاژ تغذیه ۱٫۸ ولت طراحی شده و توان مصرفی در حدود ۴٫۳۲mW دارد. مشخصه نویز و بهره تبدیل برای میکسر طراحی شده به ترتیب برابر ۱۲٫۸۷dB و ۲dB است.

واژه های کلیدی میکسر گیت مشترگ،سلول گیلبرت،اعوجاج اینتر مدولاسیون،خطسانی،روش گیت های متعدد،تطبیق امپدانس،Cmos،Hspice

-۱ مقدمه می کنند. یکی از روش های افزایش خطسانی، اسـتفاده از روش گیـت
های متعدد است که در این مقاله به آن پرداخته شده است.

با گسترش دانش الکترونیک وابستگی زندگی ما بـه ایـن دانـش روز به روز افزایش می یابد، کمتر پیش می آید که روزانه حداقل یکبـار از وســایل الکترونیکــی و مخــابراتی اســتفاده نکنــیم، یکــی از بانــدهای فرکانسی مطلوب برای شرکت های طراحی آی سی های مخابراتی باند فرکانسی ISM است چرا که نیاز به اخذ مجوز و پرداخت هزینه ندارد.

یکی از بخش های اصلی دسـتگاههای مخـابراتی مـدارات فرسـتنده و گیرنده آن است، میکسرها یکی از مهمترین بلوک های تشکیل دهنـده فرستنده ها و گیرنده ها می باشند.

خطسان بودن یکی از پارامترهای مهم در طراحی میکسر است زیرا که خطسان بودن میکسر بر خطسـان بـودن کـل سیسـتم فرسـتنده و گیرنده تاثیر زیادی می گذارد. ناخطسان بـودن سـبب بـروز مشـکلات فراوانی از قبیل تولید هارمونیک، فشردگی بهـره و اعوجـاج مرتبـه زوج می شود. روش های مختلفی بـرای افـزایش خطسـانی وجـود دارد امـا بیشتر آنها به مدارهای پیچیده ای نیاز دارند یـا تـوان زیـادی مصـرف

-۲ میکسر
در فرستنده ها طراحی و ساخت فیلترهای میان گذر، به علت محدودیت ضریب کیفیت عناصر، خصوصا سلف ها در فرکانس پایین انجام می شود. همچنین در گیرنده های مخابراتی آشکار سازی سیگنال اطلاعات عموما در فرکانس های پایین مانند فرکانس میانی۱ صورت می گیرد. بنابراین میکسر در فرستنده ها سیگنال مدوله شده را به فرکانس های بالاتر منتقل می کند و در گیرنده فرکانس بالای دریافتی را قبل از آشکار سازی به فرکانس میانی منتقل می نماید. میکسرها به دو دسته کلی میکسرهای بالا برنده و پایین آورنده تقسیم می شوند. اساس کار انتقال فرکانس در میکسرهای پایین آورنده و بالا برنده یکسان است. میکسرها با ضرب دو سیگنال و هارمونی های آنها کار انتقال فرکانس را انجام می دهند. میکسرهای پایین آورنده دو ورودی

۱ Intermediate Frequency ( IF )

۴۲۴۴

مجزا دارند که یکی ورودی ۲RF و دیگری ورودی ۳LO نامیده می شود. ورودیRF، سیگنالی که قرار است به فرکانس پایین آورده شود را می گیرد و ورودی LO شکل موج مناسبی که نوسان ساز تولید کرده را دریافت می کند. و با ضرب این دو سیگنال و هارمونی های آن ها سیگنال IF را تولید می کنند.[۱]

-۳ اعوجاج اینترمدولاسیون
وقتی دو سیگنال با فرکانس متفاوت به یک سیستم غیر خطی اعمال می شود، خروجی به طور کلی مولفه هایی خواهد داشت که هارمونیک فرکانس های ورودی نیستند. این پدیده که اینتر مدولاسیون نامیده می شود ناشی از میکس شدن یا ضرب دو سیگنال است، هنگامی که جمع آنها به توان عددی بزرگتر از یک می رسد.

در سیستم های RF اینتر مدولاسیون اثر مشکل زایی است. اگر سیگنال ضعیف که با دو تداخل کننده قوی همراه است دچار خاصیت غیر خطی مرتبه سوم شوند آنگاه یکی از مولفه های اینتر مدولاسیون در باند مورد نظر می افتد و مولفه های اصلی خراب می شوند. اگر چه این اثر روی دامنه سیگنال تاثیر می گذارد ولی حتی اگر اطلاعات در فاز سیگنال هم باشد، خراب می شوند. زیرا نقاط گذر از صفر هم تحت تاثیر قرار می گیرد. این اثر را نمی توان مستقیما با اعوجاج هارمونیکی محاسبه کرد.

تخریب سیگنال در اثر اینتر مدولاسیون مرتبه سوم بین دو تداخل کننده نزدیک به قدری اهمیت دارد که برای بررسی این پدیده یک معیار جدید تعریف می شود. این پارامتر نقطه برخورد مرتبه سوم نامیده می شود و از آزمون دو فرکانس۴ اندازه گرفته می شود. نقطه برخورد مرتبه سوم معیاری از خطسانی میکسر است و در طراحی میکسر سعی بر این است که مقدار این پارامتر افزایش یابد.۱]و[۲

-۴ میکسر گیت مشترک دوبل بالانس

اگر یک میکسر سیگنال LO را به صورت دیفرانسیلی و سیگنال RF را به صورت تک سر دریافت کند تک بالانس نامیده می شود. اگر در میکسر، ورودی های RF و LO هر دو دیفرانسیلی باشند آنگاه دوبل بالانس نامیده می شود که شکل فعال آن شبیه سلول گیلبرت است. میکسرهای دوبل بالانس اعوجاج مرتبه فرد کمتری تولید می کنند. میکسرها از سه طبقه به نام های طبقه ترارسانایی ، طبقه کلید زنی و طبقه بار تشکیل شده اند. در میکسر دوبل بالانس گیت

۲ Radio Frequency ( RF ) 3 Local oscillator (LO) 4 Two tone

مشترک شکل ۱ ترانزیستورهایM1،M2،M3 و M4 طبقه ترارسانایی را تشکیل می دهند. ترانزیستورهای M1 و M3 نقش منبع جریان دارند. ترانزیستورهای M2 و M4 ولتاژ RF را به جریان RF تبدیل می کنند . خازنهای CB برای مسدود کردن ولتاژ DC استفاده شده اند. زوج های دیفرانسیلی M7-M8 ، M6-M5 که نقش کلید را در میکسر به عهده دارند و به عنوان طبقه کلیدزنی هستند و سیگنال تقویت شده LO را با فاز های مختلف جمع می کند و حذف مرتبه اول انجام می دهد. R1 و R2 به عنوان بار مقاومتی در میکسر استفاده شده اند و طبقه بار را تشکیل می دهند و جریان IF را به ولتاژ IF تبدیل می کنند. خروجی را می توان به صورت تک سر یا دیفرانسیل استفاده کرد. خروجی دیفرانسیلی، علاوه بر بهره تبدیل بالا، مصونیت بیشتری نسبت به نفوذ سیگنال RFّ به خروجی IF را دارد. علیرغم مزایای خروجی دیفرانسیل در بیشتر میکسرها لازم است که خروجی تک سر باشد زیرا فیلترهای IF SAW که بعد از میکسر به کار می روند معمولا به صورت تک سر هستند. ۱ ]و۲و[ ۳

شکل: ۱ میکسر مبتنی بر سلول گیلبرت ،گیت مشترک رایج

میکسرهای گیت مشترک به دلیل اینکه تطبیق امپدانس در ورودی آنها به سادگی صورت می پذیرد(تنظیم مقاومت ورودی با تغییر ) و نیازی به استفاده از سلف و خازن برای تطبیق امپدانس در ورودی نیست و همچنین داشتن خطسانی زیاد مورد توجه طراحان مدارهای مخابراتی هستند.۴]و[۵

۴۲۴۵

-۵ افزایش خطسانی با استفاده از روش گیت های متعدد
همانطور که پیش از این گفته شد خطسانی نقش مهمی در سیستم های RF بازی می کند و روش های مختلفی برای افزایش خطسانی وجود دارد.

یکی از روش های افزایش خطسانی، استفاده از روش گیت های متعدد است . در این روش از ترانزیستورهای کمکی که در ناحیه زیر آستانه هدایت (قطع) بایاس شده اند، برای ایجاد خطسانی استفاده می شود. از این روش در سال های اخیر برای افزایش خطسانی در تقویت کننده های کم نویز و تقویت کننده های توان استفاده شده است.۹]و۱۰و[۱۱