پایان نامه انالیز و طراحی و شبیه سازی تقویت کننده های مایکرویو با فازخطی و پهنای باند بسیار بالا با پاسخ
چکیده :
هدف از انجام این پروژه دستیابی به تقویت کننده ای با حاصل ضرب گین در پهنای باند بزرگتر با بهینه سازی روش های موجود و حتی الامکان تلاش برای یافتن راهکارهای جدید بوده و از مهمترین مسائل مورد توجه همواری و خطی بودن اندازه و فاز بهره در سراسر پهنای باند است.
در فصل اول این گزارش مروری بر تقویت کننده های پهن باند با تأکید بیشتر بر تقویت کننده های گسترده موج متحرک ارائه شده و سپس رویه کلاسیک طراحی یک تقویت کننده گسترده موج متحرک که پایه و اساس تمام کارهای بعدی در این زمینه می باشد، به تفصیل بیان شده است. فصل دوم شامل سایر روش های طراحی و متدهای مهم بهینه سازی تقویت کننده های گسترده موج متحرک می باشد. یکی از مهمترین نیازهای یک تقویت کننده گسترده زیرساخت ادوات نیمه هادی (ترانزیستور)، زیرلایه مورد استفاده برای مدار، خطوط انتقال و در نهایت نحوه پیاده سازی و ساخت مدار است. بدین معنی که اولاً باید بتوانند در سراسر پهنای باندی که تقویت کننده گسترده در آن کار می کند (چند ده گیگا هرتز) عملکرد مطلوبی ارائه دهند یعنی حداقل ممکن حساسیت را به تغییرات فرکانس داشته باشند. خطوط انتقال به کار رفته (مایکرواستریپ، CPW و غیره) نیز باید حداقل پراش، تلفات و تفاوت فاز را به مدار تحمیل نمایند. زیر لایه ای که مدار روی آن پیاده سازی می شود نباید در فرکانس های بالا از خود اثرات تخریبی از جمله اتلاف و تضعیف سیگنال بروز دهد. در نهایت پیاده سازی مدار باید با حداقل ممکن طول و تعداد اتصالات انجام شود که تکنولوژی فلیپ چیپ و CSP برای این کار پیشنهاد می شود. به دلیل اهمیت و تأثیر زیاد این مسائل زیرساختی که از اولین مراحل طراحی گرفته تا شبیه سازی و ساخت یک DA کاملاً نمایان هستند، فصل سوم را به بحث پیرامون این موضوعات اختصاص داده ایم. تا اینجا مطالب لازم برای ایجاد دید روشن از مسئله کاملاً در گزارش درج شده است.
فصل آخر با طراحی مدار اولیه به روش کلاسیک آغاز و در ادامه روش نوینی برای بهینه سازی عملکرد مدار ارائه شده است. روش ساده ای که بدون افزودن حتی یک المان به مدار اولیه در عین بهبود گین از نقطه نظر اندازه و هموار بودن و نیز افزایش پهنای باند، عدد نویز را هم کمتر می کند و این همه فقط به قیمت افزایش بسیار کم تأخیر گروهی رخ می دهد. در ضمن با اضافه کردن فقط یک ترانزیستور دیگر به خروجی مدار به شکل تقویت کننده درین – مشترک و ایجاد تطبیق به یک روش خاص (استفاده از سلف هائی هم اندازه آخرین سلف مدار قبلی) اندازه گین باز هم افزایش یافته است. روشی که در نوع خود جدید است.
در نتیجه با استفاده از این سه مورد نوآوری به تقویت کننده ای دست یافته ایم که اندازه بهره آن به طور متوسط 10dB نسبت به مدار کلاسیک بالاتر است و با توجه به اینکه بهره مدار کلاسیک در بالاترین حد خود 7/4273dB می باشد پس اندازه بهره بیش از 130 درصد بهبود یافته. عدد نویز در تقویت کننده کلاسیک از 3/7dB در فرکانس های پایین شروع می شود. سپس در فرکانس 43/4GHz به حداقل مقدارش یعنی 3/1dB می رسد. در حالی که در تقویت کننده جدید عدد نویز از 3/5dB در فرکانس های پایین شروع می شود، در فرکانس 31GHz به حداقل مقدارش یعنی 1/343dB می رسد و تا فرکانس 48/34GHz از مورد کلاسیک کمتر است. یعنی در پهنای باند بیش از 48GHz به طور متوسط بیش از 1dB بهبود عدد نویز (معادل با حدوداً 33 درصد بهینه سازی عدد نویز).
بهره تقویت کننده کلاسیک در فرکانس 1GHz در بالاترین حد خود یعنی 7/4273dB قرار دارد و در فرکانس حدود 32/5GHz به 4/42dB می رسد. یعنی پهنای باند 3dB تقویت کننده کلاسیک برابر 32/5 گیگا هرتز است. ولی گین تقویت کننده جدید در 1GHz برابر 8dB است و در 58/7GHz به 5dB می رسد. پس پهنای باند از 32 به 58 گیگاهرتز رسیده است. یعنی بهبودی معادل 81/2 درصد در پهنای باند.
نکته جالب توجه دیگر این است که روش جدید، در عین اینکه عملکرد تقویت کننده را در سراسر پهنای باند فرکانسی از پایین ترین تا بالاترین بسامد بهبود می بخشد، در فرکانس های میانی (با بیش از 30GHz پهنای باند میانی از 17GHz تا 48GHz) پاسخی نزدیک به یک حالت ایده آل از خود بروز می دهد. با قرار دادن یک فیلتر میان گذر در این محدوده فرکانسی تقویت کننده گسترده میان گذری با گین بالا و هموار و عدد نویز پایین حاصل شد.
پس از آن برای دستیابی به پاسخ پایین گذر هموارتر، بخش های آخر فصل چهارم به روش های غیرکلاسیک طراحی DA می پردازد. در این قسمت با استفاده از دو متد مختلف، تقویت کننده های گسترده ای با پاسخ پایین گذر طراحی شده اند و بعد با بهینه سازی پاسخی بسیار هموار در محدوده فرکانس پایین به دست آمده است. نکته ارزشمند در طراحی این تقویت کننده ها اعمال عملکرد فیلتر پایین گذر به ساختار خود DA و کوچک سازی مدار است.
در نهایت پس از نتیجه گیری، پیشنهادی مبنی بر اجرای یک پروژه با همکاری گروهی متخصصان تقویت کننده های گسترده از یک سو و ادوات نیمه هادی از سوی دیگر با هدف طراحی و ساخت DAهای پیشرفته در ایران ارائه شده است. پیشنهاد دوم طراحی و بهینه سازی فیلتر میان گذری است که بین 17 تا 48 گیگاهرتز دارای پاسخ ایده آلی با حداکثر درجه همواری گین و حداقل تلفات باشد.