فصل ۵ ساختار کلی مدارپیشنهادی با ساختارهای فیدبک
۵-۱- ساختارهای اسیلاتورهای I-Q
۵-۱-۱- استفاده از polyphase filter
طبق بلوک ارائه شده در شکل ۱-۵،برای تولید سیگنالهای I و Q، ترکیبی از یک اسیلاتور و شبکهیRC-CR و بافرهای خروجی به عنوانlimiter استفاده میشود[۲۶] ،[۲۷] . یکی از عیبهای این روش،مصرفبالای توان بافرهای خروجی است. اگر طبق شکل ۵-۱،بین اسیلاتور و فیلترها نیز،بافر قرار داده شود، توان مصرفی بالاتر میرود. در این صورت،خازن مدار سلفی-خازنی اسیلاتور در اثر وصل مستقیم فیلترها افزایش یافته و میزان توان مصرفی را بالاتر [۲۸] و نویز فاز را خرابتر میکند [۲۹]. همچنین، به علت تطابق بهتر فیلترها،مقدار مساحت chip بیشتری مورد نیاز خواهد بود.مهم تر اینکه، به علت عدم تطبیق کامل مقاومت ها در این روش، سیگنال های I و Q تولید شده، دارای دقت پایین خواهند بود و خطای فاز قابل توجهی به وجود خواهد آمد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
شکل ۵-۱ ساختار VCO Polyphase
۵-۱-۲-ساختار تشکیل شده از یک اسیلاتور با تقسیمکنندههای فرکانسی
طبق بلوک ارائه شده در شکل ۵-۲،در این روش نیاز به یک اسیلاتور با فرکانس دو برابر میباشد. این روش در فرکانسهای بسیار بالا محدودیت ایجاد خواهد کرد. همچنین تقسیمکنندههای فرکانسی شامل فلیپ فلاپهای master-slave،توان زیادی را مصرف میکنند.
موضوع دیگری که اهمیت دارد،عدم تعادل در فاز میباشد. به علت وجود mismatch در مسیر سیگنال ورودی به تقسیمکنندهها تا رسیدن به خروجی مورد نظر،خطای فاز ایجاد میشود. همچنین عدم دقیق بودن تقسیمکنندههای فرکانسی در تولید خروجی با فرکانس مورد نظر،خطای فاز را تشدید خواهد کرد.
شکل ۵-۲-ساختار تشکیل شده از یک اسیلاتور با تقسیمکنندههای فرکانسی
۵-۱-۳- استفاده از دو اسیلاتور به هم couple شده (ساختار پیشنهادی)
در این روش،با توجه به اینکه هرکدام از اسیلاتورها در مقایسه با تقسیمکنندههای فرکانسی،توان مصرفی پایینتری دارند،لذا توان مصرفی کاهش مییابد. همچنین در این روش،سیگنال خروجی دارای swing بالایی میباشد که طراحی mixerها و prescallerها را آسانتر میسازد.ساختار مورد استفاده در این پایان نامه،در شکل۳-۵،پیشنهاد داده شده است. همانطور که دیده میشود عمل coupling توسط ترانزیستورهای coupling انجام میشود. همچنین بنا به دلایل توضیح داده شده در قسمت ۲-۱-۲، هر یک از اسیلاتورها، دارای ساختار دوطرفه و متقارن بوده و از هر دوطرف منابع جریان اعمال شده اند. شکل ۴-۵، سیگنال های خروجی Q+ ، Q- ، I+ و I- تولید شده ی در حالت تعادل را نشان می دهد.
شکل ۵-۳ ساختار پیشنهادی برای تولید سیگنال های I و Q
شکل ۵-۴ سیگنال های خروجی VI+ ، VI- ، VQ+و– VQ تولید شده در حالت تعادل
برای تحلیل ساختارپیشنهاد شده در شکل ۳-۵ ، شکل های ۵-۵- الف و ۵-۵- ب را که نشان دهنده ی مدل های سیگنال کوچک می باشند را در نظر می گیریم. برای سادگی و بیان مفهوم اولیه ، حالت فرکانس پایین که در آن از خازن ها چشم پوشی شده است ، در نظرگرفته میشود. همچنین، و در نظر گرفته خواهند شد.
(ب) (الف)
شکل ۵-۵ مدل سیگنال کوچک ساختار پیشنهادی برای تولید سیگنال های I و Q
مطابق شکل ۵-۵- الف :
(۱-۵)
و مطابق شکل۵-۵- ب :
(۲-۵)
در حالت تعادل که میباشد،اگر و باشند :
(۳-۵)
رابطه (۳-۵)، نشان می دهد که سیگنال های خروجی Q+ ، Q- ، I+ و I- تولید شده در ساختار پیشنهادی، در حالت تعادل و ایده آل، نسبت به هم اختلاف فاز ۹۰ درجه خواهند داشت.
نکتهی مهم دیگر، نسبت اندازهی ترانزیستورهای مدار اصلی و ترانزیستورهای coupling است. طبق روابط و اثباتهای مطرح شده در [۳۰]،ضریبی به عنوان m=coupling factor که با متناسب است را در نظر میگیرند. این ضریب با خطای فاز رابطهی عکس و با نویز فاز رابطهی مستقیم دارد. در این ساختار،برای جلوگیری از بالارفتن نویز و نیز رسیدن به سیگنالهای I و Q دقیقتر،m=1 در نظر گرفته شده است.
در بخش ۵-۴، در مورد راه های بدست آوردن سیگنالهای I و Q دقیق تر در حالت های عدم یکسان بودن ترانزیستورها و وجودmismatch در شبکه های سلفی-خازنی، بحث خواهد شد و ساختارهای پیشنهادی فیدبک جهت جبران کردن خطاهای فاز مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
۵-۲خروجی های مدار پیشنهادی در حالت عدم تعادل
همان طور که در بخش ۵-۱-۳ اشاره شد،از مدار شکل ۵-۳ ، به عنوان هستهی اصلی ساختار تولید کنندهی سیگنال های I و Q استفاده می شود. نحوه ی تولید این سیگنال ها در همان بخش، اثبات شده است. روابط زیر، به ترتیب نشان دهندهی خطای فاز ناشی از تغییرات المان های شبکه ی LCو تغییرات جریان های بایاس ناشی از عدم تطابق ترانزیستور ها را نشان می دهند[۸]:
= (۴-۵)
= (۵-۵)
که ,,و نشان دهنده ی تغیرات مقادیر مربوطه هستند. همچنین Ԑ ضریب متناسب با هر خطای ایجاد شده و QT ضریب کیفیت کل شبکه ی LC می باشد. m ضریب کوپلینگ بوده و با که و به ترتیب ضریب های هدایت های ترانزیستورهای کوپلینگ و ترانزیستورهای مدار اصلی هستند،متناسب می باشد. این ضریب با خطای فاز رابطه عکس و با نویزفاز رابطه مستقیم دارد . بنابر این، برای رسیدن به نویز فاز کمتر و سیگنال های I وQ دقیقتر،m را برابر ۱ گرفته و اندازه ی ترانزیستورهای کوپلینگو ترانزیستورهای مدار اصلی را مساوی در نظر می گیریم.
در صورت نبود هیچگونه عدم تطابق بین ترانزیستورها و مقادیر سلفی-خازنی،سیگنال هایI و Q به علت تقارن به صورت دقیق مطابق شکل ۵-۶ تولید خواهند شد . ولی در عمل همواره این عدم تقارن وجود ندارد. تغییرات شبکهی سلفی-خازنیسبب به وجود آمدن اختلاف در دامنه های خروجی هایI و Qشده و بین این سیگنال ها، اختلاف فاز به وجود خواهد آمد.همچنین اگرتغییرات ترانزیستورها به صورت توابع گوسی و تابعی از تغییرات اندازه و ولتاژ تریشولد آنها در نظر گرفته شوند، بین سیگنال های خروجیI و Q ، اختلاف فاز به وجود می آید.در ادامه دو ساختار فیدبک در بخش ۵-۴، جهت تنظیم این سیگنالها ارائه خواهد شد. ساختاراول، ساختار فیدبک بر مبنای عمل یکسوسازی ، جهت جبران خطای ناشی ازازیکسان نبودن دامنه هابه کار خواهد رفت. ساختار دوم نیز، که بر مبنای عمل انتگرال گیری وفیدبک می باشد،جهت جبران خطای ناشی ازجابجایی فازها به کارخواهد رفت.
شکل ۵-۶ سیگنال های خروجی Iو Q تولید شده در حالت تعادل
۵-۳ ساختار متداول برای تنظیم فازسیگنال های I-Q
همانطور که در بخش ۱-۵ اشاره شد سه روش استفاده از polyphase filter،ساختار تشکیل شده از یک اسیلاتور با تقسیمکنندههای فرکانسی و ساختار استفاده از دو اسیلاتور به هم couple شده (ساختار پیشنهادی)، از روش های تولید سیگنالهای I و Q می باشند.همانطور که در [۸] و [۳۱] اشاره شده است،یکی از متداول ترینراههای به دست آوردن سیگنالهای I و Q دقیق،استفاده از ولتاژهای تنظیمکنندهی بیرونی میباشد. شکل ۵-۷،یک ساختار PT-QVCOرانشان می دهد که در آن برایبه دست آوردن سیگنالهای I و Q دقیق تر،از ولتاژهای تنظیمکنندهی بیرونی استفاده شده است.[۳۱]
شکل ۵-۷ ساختار PT-QVCO
ولی استفاده از روش های اعمال ولتاژهای بیرونی ،راهکارهای مناسبی نیستند. در این پایان نامه همانطورکه در بخش بعدی توضیح داده خواهد شد،دو ساختار فیدبک جهت جبران کردن خطاهای فاز ناشی از عدم تطابق شبکه های سلفی- خازنیوترانزیستورها، مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
۵-۴ ساختارهای فیدبک پیشنهادیبرای تنظیم فازسیگنال های I-Q
عدم تعادل میان سیگنال های I وQ ناشی از اختلاف دامنه ها و اختلاف فاز بین این دو سیگنال می باشد. در این بخش ،دو ساختار زیر جهت تصحیح این خطاها پیشنهاد شده اند.
۵-۴-۱ ساختار فیدبک بر مبنای عمل یکسوسازی
وقتی مقادیر المان های مدار های سلفی-خازنی ، در اثر mismatch تغییر میکنند،این اثر به صورت اختلاف دامنه ی سیگنال های I و Q ظاهر می شود.این اختلاف دامنه ها منجر به خطای فاز می شوند. برای بررسی اثر این mismatchدر بدترین حالت یکی از سلف های دو اسیلاتور را نسبت به دیگری با ??% اختلاف مقدار در نظر می گیریم. سیگنال های خروجی Iو Q تولید شده مطابق شکل۵-۸، دارای اختلاف دامنه و خطای فاز می باشند. ساختار فیدبک بر مبنای عمل یکسوسازی، که توسط جناب آقای دکتر حدیدی ارائه شده است،جهت کاهش خطای اختلاف فاز سیگنال های I و Qاز طریق کاهش اختلاف دامنه هایاین سیگنال ها به کار می رود.ساختار این فیدبک در شکل ۵-۹نشان داده شده است.
شکل ۵-۸ سیگنال های خروجی Iو Q تولید شده در حالت تغییرات شبکهی سلفی-خازنی
شکل ۵-۹ ساختار فیدبک بر مبنای یکسوسازی
مطابق شکل ۵-۹، اساس کار به این صورت است که سیگنال های I+ ، I– ، Q+وQ–غیر متعادل تولید شده را ، به دو یکسو کننده اعمال کرده[۳۲] و خروجی های آن ها را از فیلتر ها عبور می دهیم.در این صورت، اختلاف دامنه ها بصورت اختلاف مقادیر dc در خروجی دو فیلتر ظاهر می شوند. یکسوسازها و فیلترها در شکل ۵-۱۰ارائه شده اند. همچنین، مقادیر dc در خروجی دو فیلتر، قبل از اعمال فیدبک، مطابق شکل ۵-۱۱ می باشند. اندازه ی فیلترهای خازنی ۴pfمی باشندکه میتوان آن ها راتوسط خازن های گیت ساخت. طبق رابطه ۳-۳، مقدار عرض و طول ترانزیستور این خازن ها برابر µm و µm خواهند بود.
(ب) (الف)
شکل ۵-۱۰ مدارهای یکسوکننده ها و خروجی های فیلتر شده
شکل ۵-۱۱ مقادیر dc در خروجی دو فیلتر، قبل از اعمال فیدبک
[سه شنبه 1401-04-14] [ 03:41:00 ب.ظ ]
|