Σχεδιαση Ολοκληρωμενων Ενισχυτων Χαμηλου Θορυβου Τεχνολογιας Nm Cmos Με Χρηση Μαγνητικης Αναδρασης Για Ασυρματες Ευρυζωνικες Εφαρμογες

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται στη σχεδίαση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας ολοκληρωμένων Ενισχυτών Χαμηλού Θορύβου τεχνολογίας nm CMOS για ασύρματες ευρυζωνικές εφαρμογές, υπό συνθήκες χαμηλής τροφοδοσίας και κατανάλωσης και για συχνότητες μεγαλύτερες των 5GHz. Στα πλαίσια της εργασίας ερευνάται η χρήση της μαγνητικής ανάδρασης σε επίπεδο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, με σκοπό τη δημιουργία μιας νέας ενισχυτικής δομής, που αναφέρεται ως Ενισχυτής Τριπλής Μαγνητικής Ανάδρασης (Triple Transformer Low-Noise Amplifier, TTL) και στην υλοποίηση μιας τεχνικής Προπαραμόρφωσης για γραμμικοποίηση Ενισχυτών Χαμηλού Θορύβου. Με βάση τα παραπάνω, η διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δυο διακριτά τμήματα: Στο πρώτο τμήμα, παρουσιάζεται και αναλύεται πλήρως η τεχνική του Ενισχυτή Τριπλής Μαγνητικής Ανάδρασης. Η δομή αποτελείται από ενισχυτικό στάδιο ενός μόνο τρανζίστορ και από στάδιο αντιστάθμισης. Το στάδιο αντιστάθμισης σκοπό έχει να αυξήσει την απομόνωση εισόδου-εξόδου του ενισχυτή (η μειωμένη τιμή της οποίας αποτελεί το σοβαρότερο πρόβλημα σε ενισχυτικές δομές ενός τρανζίστορ) χωρίς όμως να υπάρχει μείωση του κέρδους της τοπολογίας. Εδώ ακριβώς έγκειται και η βασική καινοτομία του προτεινόμενου ενισχυτή, αφού το περιορισμένο κέρδος αποτελεί ένα τυπικό φαινόμενο των βιβλιογραφικά αναφερόμενων δομών, όπου κέρδος και απομόνωση εισόδου είναι άμεσα εξαρτώμενα. Η αρχή λειτουργίας της δομής βασίζεται σε έναν Τριπλό Μετασχηματιστή και στην μέσω αυτού ταυτόχρονη εφαρμογή θετικής και αρνητικής ανάδρασης σε διαφορετικούς κόμβους της τοπολογίας, χωρίς οι αναδράσεις αυτές να αλληλοαναιρούνται. Με τον τρόπο αυτό, η τεχνική κάνει τους ορισμούς του κέρδους και της απομόνωσης εισόδου-εξόδου σχετικά ανεξάρτητους. Η προτεινόμενη δομή καταφέρνει να εισαγάγει δυο προσθετικά σήματα αρνητικής ανάδρασης, που αυξάνουν την απομόνωση εισόδου-εξόδου, και ένα σήμα θετικής ανάδρασης, που αντισταθμίζει τη μείωση του συντελεστή ποιότητας του πηνίου φορτίου, που ο μετασχηματιστής δημιουργεί και που προκαλεί ελάττωση του κέρδους και της εμπέδησης εξόδου. Έτσι καταργείται η ανάγκη για το cascode τρανζίστορ, διατηρείται η ικανότητα λειτουργίας υπό χαμηλή τροφοδοσία και το κέρδος και η απομόνωση εισόδου-εξόδου μπορούν να λάβουν μεγάλες τιμές. Η χρήση του σταδίου αντιστάθμισης δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση θορύβου του ενισχυτή, ενώ με τον κατάλληλο σχεδιασμό του τριπλού μετασχηματιστή είναι δυνατόν η σχεδίαση να γίνει ιδιαίτερα αποδοτική όσον αφορά την επιφάνεια πάνω στο ολοκληρωμένο που ο ενισχυτής καταλαμβάνει. Τέλος, ο ενισχυτής είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για εφαρμογές όπου ένα ολόκληρο σύστημα ολοκληρώνεται πάνω στη ψηφίδα (System on Chip, SoC), λόγω της αυξημένης εμπέδησης εξόδου που παρουσιάζει, και είναι κατάλληλος για υψίσυχνες εφαρμογές. Στο δεύτερο τμήμα της εργασίας παρουσιάζεται η υλοποίηση μιας τεχνικής προπαραμόρφωσης, η οποία συνδυάζει μια σειρά επιμέρους τεχνικών, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη γραμμικοποίηση ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου σε ένα μεγάλο εύρος τιμών ισχύος εισόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με την ελάχιστη μείωση του κέρδους και την ελάχιστη αύξηση του θορύβου της τοπολογίας. Κατ’ αρχάς, παρουσιάζεται η δομή ενός ισχυρά μη γραμμικού κλάδου προπαραμόρφωσης, του οποίου η έντονα μη γραμμική φύση βασίζεται στα εξής: Στον εκφυλισμό του βασικού τρανζίστορ του προπαραμορφωτή, στην εφαρμογή μη γραμμικής ανάδρασης στο τρανζίστορ εκφυλισμού και στην μαγνητική ζεύξη μη γραμμικών προϊόντων στην έξοδο του προπαραμορφωτή. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η δημιουργία των επιθυμητών προϊόντων γραμμικοποίησης με την ελάχιστη τιμή για τα δημιουργούμενα προϊόντα 1ης τάξης, που οδηγούν σε μείωση του κέρδους και αύξηση του δείκτη θορύβου της τοπολογίας. Σε ένα δεύτερο επίπεδο, η τεχνική εισάγει ένα "sweet spot" στη συνάρτηση μεταφοράς προϊόντων 3ης τάξης του ενισχυτή, που ουσιαστικά είναι μια βελτίωση της γραμμικότητας σε μια περιορισμένη περιοχή τιμών ισχύος εισόδου, και που οφείλεται στη συμπίεση κέρδους του βασικού τρανζίστορ του κλάδου προπαραμόρφωσης. Τέλος, χρησιμοποιείται ένας ολοκληρωμένος μετασχηματιστής, ο οποίος έχει διπλό ρόλο: Καταρχήν, στρέφει τα προϊόντα προπαραμόρφωσης υπό κατάλληλη γωνία, ώστε να ευθυγραμμισθούν με τις μη γραμμικότητες που παράγει ο βασικός ενισχυτής και έτσι να επιτευχθεί μέγιστη γραμμικοποίηση μέσω της αμοιβαίας ακύρωσης των διανυσμάτων. Κατά δεύτερο, χρησιμοποιείται για να ορίσει την τιμή ισχύος εισόδου που προκύπτει το sweet spot και να το μετακινήσει κατάλληλα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη γραμμικοποίηση σε ένα μεγάλο εύρος τιμών ισχύος εισόδου. Η τεχνική είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές χαμηλής τροφοδοσίας και χρησιμοποιεί δυο εξωτερικές τάσεις ελέγχου για να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση.Τα αναφερόμενα στην παρούσα διατριβή κυκλώματα σχεδιάστηκαν σε μια nm-scale CMOS τεχνολογία, που ήταν η IBM 0.13um CMOS-RF. Κατασκευάστηκε και ελέγχθηκε ο ενισχυτής Τριπλής Μαγνητικής Ανάδρασης ως τμήμα ενός front-end για WLAN εφαρμογές. Οι πειραματικές μετρήσεις, απέδειξαν την λειτουργικότητα του ενισχυτή, είναι σύμφωνες με την αρχή λειτουργίας και είναι σε αρκετά καλή συμφωνία με τις προσομοιώσεις που έγιναν.