22839

طراحي و جانمايي مخلوط‌كننده انتقال به پايين كم‌توان فراپهن‌باند در فناوري CMOS براي كاربردهاي برد كوتاه

كارشناسي ارشد

الكتروميك - مدارهاي مجتمع

1396

1399/6/29

دكتر جواد ياوند حسني

برق

در اين پايان‌نامه دو مخلوط‌كننده فوق كم‌توان در فناوري CMOS مناسب براي سامانه‌هاي فراپهن‌باند و مخابرات نسل پنجم ارائه شده است. پس از شبيه‌سازي اوليه هر مخلوط‌كننده، طراحي و جانمايي در فناوري TSMC CMOS 180-nm انجام شده است. در ادامه، براي آنكه ارزيابي واقعي‌تري از طرح ارائه شده بدست آيد، نتايج شبيه سازي پساجانمايي ارائه شده است. در مخلوط‌كننده اول، براي كاهش ولتاژ و توان از ساختار تزريق به بدنه استفاده شده است. از طرفي مخلوط‌كننده‌هاي تزريق به بدنه از نظر نويز داراي عملكرد ضعيفي هستند. با هدف كاهش نويز اين ساختار، از ترانزيستورهاي كانال p در هسته مخلوط‌كننده استفاده شده است. هرچند كه ترانزيستورهاي كانال p نسبت به كانال n بهره ولتاژ كمتري ارائه مي‌دهند. جهت افزايش بهره تبديل، از بافر افزاينده ترارسانايي در طبقه IF استفاده شده است. همچنين براي توان مصرفي كمتر، ترانزيستورها در ناحيه وارونگي ضعيف باياس شده‌اند. از ويژگي‌هاي اين مخلوط‌كننده، ابعاد كوچك آن است و بدون آنكه از سلف استفاده شود، پهناي باند وسيع فراهم شده است. نتايج حاصل از شبيه سازي پساجانمايي نشان مي‌دهد كه اين مخلوط كننده بهره تبديل بيشينه dB 9/10، عدد نويز كمينه dB9/13، IIP3 بيشينه dBm 4 و جداسازي دريچه به دريچه بهتر از dB43 با توان سيگنال LO متوسط dBm2 ارائه مي‌دهد. توان مصرفي كل اين مخلوط كننده µW214 از منبع ولتاژ 1 ولتي در باند فركانسي GHz11~3 است. در طرح دوم، يك مخلوط‌كننده فوق كم‌توان با خطينگي زياد در باند فركانسي GHz32~22 ارائه شده است. جهت دستيابي به بهره تبديل زياد با توان مصرفي كم، از ساختار استفاده مجدد از جريان در تقويت‌كننده‌هاي كشي‌واكشي براي افزايش ترارسانايي استفاده شده است. با اعمال سيگنال نوسان‌ساز محلي به سورس نياز به دامنه سيگنال LO كاهش پيدا ‌مي‌كند. همچنين با اعمال سيگنال LO تفاضلي به صورت ضربدري، مي‌توان ولتاژ تغذيه را كاهش داد در حالي كه محدوده نوسان ولتاژ در خروجي زياد باقي مي‌ماند، بنابراين بهره تبديل و خطينگي افزايش پيدا مي‌كند. به منظور كاهش بيشتر جريان و توان مصرفي قطعات MOS در ناحيه وارونگي ضعيف نيز باياس شده‌اند. علاوه بر اين بدليل ضريب غير خطينگي مرتبه سوم كوچك ترارسانايي ترانزيستورهاي MOS، IIP3 بيشتر افزايش پيدا خواهد كرد. از نتايج پساجانمايي مخلوط‌كننده موج ميليمتري پيشنهادي، بهره تبديل بيشينه dB 4/13 عدد نويز كمينه dB 1/15، IIP3 بيشينه dB 4/17 جداسازي دريچه به دريچه بهتر از dB42 با توان نوسان‌ساز محلي dBm 0 در حالي كه تنها µW33 توان DC مصرف مي‌كند، بدست آمده است.

1399/08/24

Design and Layout of a Low-Power Ultra-Wideband Down-Conversion Mixer in CMOS technology for Short Range Applications

9/20/2021 12:00:00 AM

This thesis presents two ultra low power mixers in CMOS technology, suitable for ultra wideband media and fifth-generation (5G) mobile telecommunication systems. Following the initial simulation of each mixer, layout in TSMC CMOS 180-nm technology design kit was designed and post-layout results were used to obtain a more realistic model of the design. Bulk injection structure was used in the first mixer to obtain voltage and power reduction. However, bulk injection mixers are noisier than conventional Gilbert cell topologies. Consequently, P Channel transistors were used in mixer core to reduce the noise. Regarding that, P channel transistors provide lower voltage gains compared to N channel transistors. gm boosting buffers were used in IF Band in order to increase conversion gain. In addition, transistors were biased in weak inversion region in order to reduce power consumption. Low chip area is the advantage of the aforementioned mixer, which was provided sans usage of wideband inductor. Post-layout simulation results show that this mixer presents maximum conversion gain of 10.9 dB, minimum noise figure of 13.9 dB, maximum IIP3 of 4 dBm, and port-to-port isolation better than 43 dBm with moderate LO signal power of 2 dBm. Total power consumption of this mixer was 214 µW from a 1 V voltage supply voltage in frequency band of 3~11 GHz. In the second design, an ultra low power mixer with high linearity in frequency band of 22-32 GHz is presented. In order to achieve maximal conversion gain with low power consumption, current-reuse structure was used in push-pull amplifier in order to increase the transconductance. Applying local oscillator signal aids the source in reduction of necessity for LO signal range. In addition, applying of cross differential LO signal, may result in reduction of supply voltage, whereas output voltage swing remains high, therefore conversion gain and linearity are increased. MOS components were biased in weak inversion region to further reduction of current and power consumption. Also, IIP3 will increase further regarding minuscule non-linearity second order transconductance coefficient. The proposed millimeter wave mixer post-layout results present maximum conversion gain of 13.4 dB, minimum noise figure of 15.1 dB, maximum IIP3 of 17.4 dB, port-to-port isolation better than 42 dB with LO signal power of 0 dB, with solely 33 µW DC power usage.