Εισαγωγή στη Σχεδίαση Κυκλωμάτων RF

Εισαγωγή στη Σχεδίαση Κυκλωμάτων RF Κεφάλαιο 6. NA Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Βασικές παράμετροι των NA: Receiver Front End Z =5Ω RF Filter - -8dB Z =5Ω NA A 5dB Iage Reject Filter 4dB O Τυπικά χαρακτηριστικά των NA για ετερόδυνες αρχιτεκτονικές NF (εικόνα θορύβου) db I I P3 - db Απολαβή 5 db Εμπέδηση εισόδου και εξόδου 5 Ω Απώλειες επιστροφής εισόδου και εξόδου -5 db Ανάστροφη Απομόνωση db Παράγοντας σταθεροποίησης > Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Εικόνα θορύβου (NF): NF tot NF NA NF G other NA IIP3: G NA IIP 3, total IIP3, NA IIP3, other Πηγή Tr. e NA Tr. e Iage Filter R R A r o Z Z Z Z R A i R o Αν NR 8dB B khz NF total NF total 4dB db( duplexer ) db( NA) P 9dB, Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 3/3

NF NA =db σημαίνει: R equ 9Ω για NF db n ktr ktr T 4 b b g 4 I 4 C ktr equ Επίσης, IIP3 db FDR 6dB NA: oltage Aplifier Power Aplifier Z=5Ω Ζout=5Ω Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 4/3

παράμετροι : IN IN OUT IN OUT OUT NA IN IN R A r o Ro A i OUT OUT απώλειες επιστροφής R: R log R log Z Z Z Z Παράδειγμα: R 5,, db Z 5 Ω R Z 9,, 5 Z Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 5/3

Παράγοντας Σταθεροποίησης: K όπου: Το κύκλωμα είναι σταθερό χωρίς περιορισμούς, αν K> και Δ<. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 6/3

Κυκλώματα μείωσης ανάδρασης: CC CC Z Z out C C μ b Q out Q Q και C μ συντονίζονται στη συχνότητα ω RF Κύκλωμα cascode Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 7/3

Προσαρμογή Εισόδου σε κύκλωμα κοινής πηγής: DD Παραλείποντας την C G υπολογίζουμε: C F R out g R C CF C C Re CF Y RCF R F M C CF g C C RC C IY CF R F R C G Αν g R >>, C >> C F και ω=/ (R C ) ισχύει: Re Y g CF και IY CF Με κατάλληλη επιλογή των στοιχείων μπορούμε να πετύχουμε R = 5Ω. Μειονέκτημα: Χαμηλή απολαβή σε Υ.Σ C g R Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 8/3

Προσαρμογή Εισόδου: Χρησιμοποιώντας ωμική αντίσταση R =5Ω και εξωτερικό πηνίο για αντιστάθμιση της χωρητικότητας εισόδου, προσθέτουμε θόρυβο. Πράγματι: NF R Για R = R NF 3dB R DD R R Matchg circuit out M C R C C = C G + C Miller Z = R για ω ω Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 9/3

Κύκλωμα με αρνητική ανατροφοδότηση: Μπορούμε να επιτύχουμε χαμηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου Z, µε πραγματικό μέρος 5Ω. Προβλήματα: (α) Το σήμα της εξόδου περιέχει σημαντικό ποσοστό θορύβου. (β) Η ολική ολίσθηση της φάσης εξαρτάται από τη συχνότητα και μπορεί να οδηγήσει σε ταλάντωση. DD DD Z out out M 3 M R R M M R Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Βαθμίδα κοινής πύλης: Μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να εμφανίζει R = /(g +g b ) = 5Ω. Η χωρητικότητα εισόδου μπορεί να αντισταθμιστεί από εξωτερικό πηνίο. Μειονέκτημα: Η διαγωγιμότητα του τρανζίστορ δεν μπορεί να είναι οσοδήποτε μεγάλη, πράγμα που θέτει κατώτατο όριο στο NF. Αν λάβουμε υπόψη µόνο το θερμικό θόρυβο του καναλιού του Μ: I 4kT όπου: γ=/3, n g NF Για γ=/3 NF = 5/3 =.db I n M I n M M b b R I n I I I R Αντίστοιχα στη συνδεσμολογία κοινής βάσης: NF. 77dB Στις υπομικρονικές τεχνολογίες ισχύει γ >> /3 Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Κύκλωμα κοινής πηγής με εκφυλισμό της πηγής: Παραλείποντας τις χωρητικότητες πύλης-εκροής και πηγής-υποστρώματος, έχουμε: out M j g jc Z C Z I g C jc j C Επιλέγοντας κατάλληλα τα g,, και C G μπορούμε να έχουμε το πραγματικό μέρος = 5Ω (χωρίς θερμικό θόρυβο). Στην πραγματικότητα το φανταστικό μέρος μπορεί να μην είναι μηδέν στη συχνότητα λειτουργίας. Το πηνίο εκφυλισμού υποβιβάζει την ισοδύναμη διαγωγιμότητα και κάνει πιο σημαντικό το θόρυβο της επόμενης βαθμίδας. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Κύκλωμα κοινής πηγής με εκφυλισμό της πηγής (συνέχεια): M out Z g C j C C R Z Εξαλείφεται για ω ω Η δίνει πρόσθετο βαθμό ελευθερίας. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 3/3

Υπολογισμός εικόνας θορύβου. NF out / N / N out out N dev, out N GN G out Απολαβή ισχύος R R n, C M Ndev, out GN NF GN Ndev, out NF GN N, 4kTg dev out N n, Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 4/3

Υπολογισμός εικόνας θορύβου. R I n, out R I n, n, g I n, jc C I n, out M Υπολογισμός απολαβής: G g jc I n, n, NF I dn N dev, out GN για N, 4kTg dev out N n, ω ω ισχύει Z = R n, R / και In, R / R g jc G G R G g j Άρα: Q I n, out n, Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 5/3

Υπολογισμός εικόνας θορύβου (συνέχεια). NF N G dev, out N g 4kTg 4kTR Q 4 NF Q 4 g R Το NF μπορεί να βελτιστοποιηθεί μόνο με τα g και Q διότι το R είναι καθορισμένο. Q R C R g C () Q g R C R C g R () Q gr Άρα: NF 4 / Δεν επιλέγονται αυθαίρετα τα και καθώς υπάρχουν οι περιορισμοί () και () Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 6/3

6..4 Κυκλώματα NA σε τεχνολογία CMO (Όχι το 6..3) Στις υπομικρονικές τεχνολογίες, με κατάλληλη πόλωση, μπορεί να επιτευχθεί αποδεκτή στάθμη θορύβου των MOFET. Στις εφαρμογές RF τα MOFET είναι δυνατόν να εμφανίζουν καλύτερη γραμμικότητα από τα διπολικά τρανζίστορ. Βασικές τοπολογίες κοινής πηγής. DD DD b M R D out M C out M C Λόγω της χαμηλής διαγωγιμότητας των MOFET, η απολαβή τάσης είναι σχετικά μικρή, οπότε κυριαρχεί ο θόρυβος της R D και της επόμενης βαθμίδας Αντικαθιστούμε το φόρτο από πηγή ρεύματος, Μ. Αν η αντίσταση εξόδου του Μ είναι αρκετά μεγάλη, η απολαβή του κυκλώματος γίνεται: ~g / jωc. Η πηγή ρεύματος συνεισφέρει επίσης στο θόρυβο. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 7/3

Βασικές τοπολογίες κοινής πηγής DD DD M M out out M M C M 3 REF Ο ολικός θόρυβος ανηγμένος στην είσοδο μειώνεται αν και το Μ κάνει ενίσχυση του σήματος. Το κύκλωμα ανατροφοδότησης χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση του ρεύματος πόλωσης. Η ολική διαγωγιμότητα γίνεται: g + g, αλλά το κύκλωμα εμφανίζει μεγάλη αντίσταση εισόδου. Θα πρέπει να προστεθεί µία βαθμίδα εξόδου για να επιτύχουμε αντίσταση εξόδου =5Ω. Η τοπολογία ακολουθητή πηγής επιτυγχάνει πολύ μικρότερη απολαβή τάσης από την τοπολογία κοινής πηγής. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 8/3

Τοπολογία κοινής πηγής με εκφυλισμό της πηγής. DD D out b M M Το τρανζίστορ κοινής πύλης Μ αυξάνει την ανάστροφη απομόνωση του NA και έτσι: μειώνει τη διαρροή του τοπικού ταλαντωτή που προέρχεται από τον μίκτη που ακολουθεί σταθεροποιεί το κύκλωμα εμποδίζοντας την ανάδραση από την έξοδο στην είσοδο. Χρειάζεται ακόμη µία βαθμίδα για προσαρμογή της εξόδου στα 5Ω. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 9/3

Τοπολογία κοινής πηγής δύο βαθμίδων DD R D out C Y M R C Τα Μ και Μ λειτουργούν ως διατάξεις κοινής πηγής, που πολώνονται µε το ίδιο ρεύμα. Το σήμα που ενισχύεται από το Μ φτάνει στην πύλη του Μ µέσω του C, ενώ η πηγή του Μ γειώνεται µέσω του C. X M Μειωμένη κατανάλωση ισχύος λόγω της επαναχρησιμοποίησης του ρεύματος πόλωσης. Μείωση της απολαβής ΥΣ στα Χ και Υ λόγω παρασιτικών χωρητικοτήτων της C. Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Διαφορικά κυκλώματα : DD DD DD C D D C C D out o- o+ M M M M + M M - I Τα Διαφορικά κυκλώματα έχουν τα εξής πλεονεκτήματα: (α) αποφεύγονται παρασιτικοί βρόχοι γείωσης (ground loop) και παρασιτικές διαμορφώσεις από άλλες βαθμίδες, (β) λόγω της συμμετρίας απορρίπτονται οι διαταραχές κοινού τρόπου (coon ode disturbances) Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

Διαφορικός NA DD D C M o- o+ C M D Βαθμίδα εισόδου C με εκφυλισμό πηγής. Δεύτερη βαθμίδα: CG για υψηλή απολαβή τάσης. Συνήθως απαιτείται μια βαθμίδα απομόνωσης στην έξοδο (buffer) + M M - I Διαφορικός NA: Εικονική γη (virtual ground) Διπλή απολαβή Καλύτερη γραμμικότητα Διπλή απώλεια ισχύος Διπλό κόστος σε επιφάνεια πυριτίου Υψηλότερο NF αλλά χρήσιμος Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 /3

3/3 Σωτήριος Ματακιάς, -3, Σχεδίαση Τηλεπικοινωνιακών I Κυκλωμάτων, Κεφάλαιο 5 Ενισχυτές Χαμηλού Θορύβου (NA) Υπολογισμός απολαβής NA: Q jg G, / // C j j A G A CG I απολαβή /I της βαθμίδας CG διαγωγιμότητα της βαθμίδας C. C C R g C j Q jg A C A Υπολογισμός ισχύος: R P / 3 όπου: : μήκος καναλιού τεχνολογίας (channel length) μ: ευκινησία (obility) R : καθιερωμένη αντίσταση στα RF (5Ω)