تحقیق مقاله تقویت کننده

چکیده:

یک آمپلی فایر قدرت (PA) منولیتیک Si برای سیستم ارتباطات شخصی (PCS)- CDMA قادر به ایجاد توان خروجی 28.2dBm با 30% بازده افزوده توان و 45dB نسبت توان کانال مجاور در 1.9GHz و 3.6V ولتاژ تغذیه برای اولین بار در این مقاله ارائه می شود. PA بکار گرفته شده در یک فرایند 30GHz-Bicmos از یک شمای بایاس قابل کنترل با امپدانس به منظور کنترل کلاس کاری و مقاومت بایاس طبقه خروجی استفاده می کند. برای مقایسه هر دو نتایج و داده های شبیه سازی شده و اندازه گیری شده نشان داده شده اند.

عبارات متن: مدارات مجتمع آنالوگ BiCMOS- دستیابی چندگانه تقسیم کد، آمپلی فایرهای قدرت، آمپلی فایرهای فرکانس رادیویی.

1- مقدمه

تقویت کننده های قدرت رادیویی (RF) منولیتیکی (PAS) برای کاربرد در گوشی موبایل از لحاظ نسبتی در قلمرو تکنولوژیهای GaAs بودند. کوششهائی برای طراحی PAS غیرخطی در هر دو باند فرکانس سلولی (900MHz) و باند فرکانس سیستم ارتباطات شخصی (1.96GHz) با استفاده از تکنولوژیهای Si صورت گرفته است. اخیراً PAS فرکانس زیاد خطی با استفاده از تکنولوژی ترانزیستورهای دو قطبی اتصال ناهمگن (HCBT) Sge در بالای دو باند بالا شرح داده شده اند.

PA برای کاربردهای دسترسی چندگانه تقسیم کننده کد (CDMA) در باند پایین باید بتواند 28dBm قدرت (توان) خروجی با PAE 30% (بازده افزوده توان) و 44.1dBc نسبت توان کانال مجاور (ACPR) ایجاد کننده در حالیکه CDMA AP در باند بالایی می تواند 30dBm قدرت (توان) خروجی با 41F% PAE و 46dBc- ACPR ایجاد کنند.

بهرحال مورد  اخیر هنوز یک راه حل ترکیبی است. بهره RFAS منولیتیک Si از لحاظ هزینه پایین مجتمع سازی با سایر مدارات وسیع و اصلی بر پایه Si دارای مزایائی است. تابحال هیچ گونه Si PCS-CDMA PA منولیتیکی گزارش نشده است.

شمای هدولاسیون سیستم CDMA نیازمند است که PA استفاده شده در گوشی بصورت زیادی خطی باشد و بنابراین طراحی یک PCS-CDMA PA منولیتیکی با کارآئی (بازده) زیاد است.

یک Si PCS-CDMA PA منولیتیک قادر به ایجاد توان خروجی برابر با 28.2dBm با PAE 30%، ACPR - 45dBc و بهره 21.5dB در 1.9GHz و ولتاژ تغذیه 3.6V برای اولین بار در این مقاله شرح داده می شود. PA بصورت تراشه روی بورد اتصالی (COB) با قطعات نصب سطحی ارزان قیمت برای هر دو شبکه های تطبیق دهنده ورودی و خروجی ساخته شده است. نتایج از یک بورد آزمایشی RF-4 با استفاده از یک سیستم اندازه گیری  بدست آمده اند.

در بخش 2 یک شمای بایاس کردن مرسوم برای طبقه خروجی PA مورد بحث قرار گرفته است. یک شمای بایاس کردن کنترل شده با امپدانس برای PA  و مزایای آن نسبت به روش مرسوم در بخش 3 ارائه شده است. نتایج شبیه سازی شده و اندازه‌گیری شده PA با شمای بایاس کردن کنترل شده با امپدانس در بخشهای 4و5 به ترتیب داده شده اند. مطالب، در آخر، در بخش 6 نتیجه گیری شده است.

2- شمای بایاس کردن متداول

شکل 1 یک شکل شماتیک ساده شده یک PA شامل 2 طبقه امیتر مشترک (Q0,Q1) را نشان می دهد. شبکه تطبیق دهنده خروجی از خازنهای C3 تا C5، القاگرهای L2 و دو خط انتقال یعنی هادی های موج هم صفحه (CPWS) تشکیل شده است. شبکه تطبیق دهنده ورودی از خازنهای C6 و C7 و خط انتقال (یعنی CPW) ساخته شده است. طبقه ورودی از طریق یک مقاومت روی تراشه R6 با استفاده از ولتاژ بایاس V6 به منظور سادگی بایاس شده است. یک مدار آینه جریان متداول متشکل از Q2 و Q3 برای بایاس کردن طبقه خروجی مورد استفاده قرار گرفته است.

در شکل 1، Lgnd1 و Lgnd2 و Lgnd3، انداکتورهای زمین متشکل از سیمهای اتصالی هستند. L2,L­1 انداکتورهای خارج از تراشه می باشند. شبکه تطبیق دهنده بین طبقه ای از یک خازن روی تراشه L1,C1 ایجاد شده با استفاده از یک سیم اتصال و یک مدار فیبر مدار چاپی (PCB) تشکیل شده است. C2 یک خازن کنارگذر (bypass) خط روی تراشه می باشد.

شمای بایاس در مورد Q1 موجب ایجاد یک امپدانس سیگنال کوچک تقریباً ثابت (1MHz) داده شده به تبیین Q1 و یک کنترل تقریباً خطی جریان خاموش کللتور Q1 می شود و این در شکل 2 نشان داده شده است (با ). هنگامی که Q0 و Q1 در حالت کاری کلاس AB بایاس می شوند، بهرحال، امپدانس سیگنال کوچک آن که در 1.9GHz در بیس Q1 نشان داده می شود بصورت ظرفیتی (خازنی) بوده و خیلی از مشابه سیگنال کوچک آن بزرگتر می باشد (نشان داده شده در شکل 3)، در حالیکه توان خروجی PAS به ازاء سطوح سیگنال ورودی نیز نشان داده شده اند. می‌توان دید که در توان خروجی نزدیک به 60mw، PA شروع به اشباع شدن می کند و این ناشی از آن است که با افزایش قدرت (توان) خروجی، متوسط افت ولتاژ در دو سر امپدانس بایاس افزایش می یابد و این باعث کاهش در ولتاژ امیتر- بیس Q1 شده و بنابراین آنرا به سمت اشباع شدن می برد.

3- شمای بایاس کردن قابل کنترل با امپدانس

شکل 4 یک شکل شماتیک ساده شده از PA با استفاده از یک شمای بایاس قابل کنترل با امپدانس به بیس Q1 را نشان می دهد. این طرح با طرح PA نشان داده شده در شکل 1 کاملاً یکسان است، بجز مورد بایاس کردن Q1. شمای بایاس کردن از دو زیر مدار آینه جریان تشکیل شده است: یکی ساخته شده از ترانزیستورهای Q2 و Q4 و Q7 و دیگری از ترانزیستورهای Q5 و Q6. این شمای بایاس کردن قادر به ایجاد کنترل مستقل امپدانس بایاس و کلاس کاری Q1 توسط انتخاب مناسب Iclass و Ibias می باشد، در حالیکه Ibias، امپدانس خروجی مدار بایاس را کنترل می کند، Iclass کنترل جریان خاموش طبقه خروجی را برعهده دارد. این شمای بایاس پیشنهاد شده این امکان را فراهم می سازد که مرحله (طبقه) خروجی را بتوان برای ایجاد بهترین بازده (کارآئی) و خطیت تنظیم کرد.