طراحی، آنالیز و بهینه سازی ساختار و سلول بهره تقویت کننده توزیع شده فراپهن درتکنولوژی0.13 میکرومترcmos

در سالهای اخیر استفاده از مداراتrf که بخش جدایی ناپذیر ارتباطات بیسیم می باشد، اهمیت زیادی پیدا کرده است در این میان نیازمند توازن در مشخصاتی نظیر بهره، توان، نویز و حتی تطبیق امپدانس خواهیم بود. همین امر موجبات طراحی و استفاده از روش های ترکیب سیگنال ها و مدارات برای دست یابی به این اهداف را پس از چندین دهه تجربه در ساخت تراشه های نیمه هادی فراهم آورده است. در این اثر تمرکز بر کاربرد روشهای طراحی مدارات مجتمع توزیع شده جهت دست یابی به پهنای باند بالاو توان مصرفی پایین و مطلوب می باشد. از آن جمله می توان تقویت کننده های توزیع شده را نام برد که از مهمترین و پر کاربرد ترین بلوک ها در مدارات آنالوگ می باشد و راه را جهت دستیابی به قابلیت انتقال محدوده بالایی از اطلاعات با توان کم باز می کند. مدارات توزیع شده پهن باند، در بسیاری از سیستم هایrf از جمله سیستم های رادیویی نظامی، ارتباطات نوری، مخابرات ماهواره ای، جنگ الکترونیک و رادارها با تفکیک پذیری بالا به خدمت گرفته می شوند. ساختار تقویت کننده گسترده به دلیل پهنای باند و پتانسیل بالا در تغییرات تکنولوژی، به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرد[1]. هدف اصلی برای ما طراحی و بهینه سازی یک تقویت کننده گسترده با بهره گیری از تکنولوژیcmos که هزینه ساخت کم و سطح مجتمع سازی بالا را دارا می باشد، است؛ که مشخصات زمانی آن با دقت مورد بررسی قرار گرفته است. در این راه طراحی تقویت کننده ای که دارای نویزکم، پهنای باند بالا، بهره زیاد، تطبیق امپدانس و ایزولاسیون بالا که هرکدام به عنوان یکی از مشخصات حائز اهمیت در مدارات مجتمع آنالوگ، تقویت کننده ها، خطوط انتقال و... مطرح می باشد، مد نظر است. در تحقیقات انجام گرفته و پیش رو سعی بر این شده که با بهینه سازی این فاکتور ها تقویت کننده را تا جای ممکن به حالت ایده آل نزدیک کنیم. در این پایان نامه چهار ساختار برای بهبود در کارایی تقویت کننده های گسترده پیشنهاد شده است. در ابتدا یک ساختار دو طبقه کسکد-سورس مشترک جهت کار در پهنای باند 0-25 ghzارائه گردیده است. در این طراحی سلول بهره نوین با روش های کاربردی جهت بهبود عملکرد ارائه گردیده است. استفاده از شبکه rl در پایانه گیت و تأمین ولتاژ بالک باعث افزایش بهره، پهنای باند و کاهش اثر نویز گردیده. تعداد طبقات در بهینه ترین حالت دو طبقه محاسبه گردیده و تطبیق امپدانس ورودی و خروجی و ایزولاسیون معکوس در مطلوبترین حالت ممکن می باشد. در طراحی دوم سلول خازن منفی و بهینه سازی به بهترین شکل ممکن، نقطه توجه قرار گرفته و موجب ارائه تقویت کننده گسترده ای با بهره بالا و پهنای باند مطلوب گردیده است. این ساختار با بهره 20 db در پهنای باند 0-20 ghz دارای یکی از کمترین توانهای مصرفی می باشد. طراحی سوم به پیشنهاد یک ساختار نوین در تقویت کننده های گسترده پرداخته و با پیشنهاد مداری نوین برای اولین بار تعداد طبقات تقویت کننده را دو برابر می کند. با استفاده از مدار افزایش دهنده تعداد طبقات، تقویت کننده توزیع شده ای با چهار طبقه و بهره (s_21)db1±20 در محدوده فرکانسیghz 0تا 19 ghz ارائه گردیده است. حاصل ضرب بهره در پهنای باند (gbw) این ساختار پیشنهادی برابر با ghz380 است که بسیار قابل قبول بوده و مچینگ ورودی، ایزولاسیون و مچینگ خروجی می باشند به ترتیب برابر با-18، -35، -10 است. طراحی چهارم با بهره گیری از دو تقویت کننده گسترده کاملا مجزا که به یکدیگر متصل شده اند، طراحی گردیده است. در تقویت کننده کسکد دو طبقه، یک کسکد سری شده با یک ترانزیستور سورس مشترک استفاده گردیده و در تقویت کننده تفاضلی سلول بهره تنها از یک طبقه کسکود تشکیل گردیده. تقویت کننده دارای بهره (s_21)db 30 در محدوده فرکانسی0 ghz تا 22 ghzاست. حاصل ضرب بهره در پهنای باند (gbw) این ساختار پیشنهادی برابر با ghz660 است که بسیار قابل قبول بوده مچینگ ورودی ،ایزولاسیون و مچینگ خروجی تقویت کننده گسترده برابر با-18 >، -77> و16-> می باشد.