پایان نامه ارشد درباره:طراحی و تحلیل یک مخلوط کنندهی متعادل در باند فرکانسی خیلی وسیع UWB با استفاده از تکنولوژی CMOS

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی برق

 

گرایش :الکترونیک

 

عنوان :

 

دانشگاه آزاد اسلامی

 

واحد تهران جنوب

 

دانشکده تحصیلات تکمیلی

 

 

 

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”

 

مهندسی برق-الکترونیک

 

 

 

عنوان :

 

طراحی و تحلیل یک مخلوط کنندهی متعادل در باند فرکانسی خیلی وسیع

 

UWB با استفاده از تکنولوژی CMOS

 

 

 

استاد راهنما :

 

دکتر فرخ حجت کاشانی

 

 

 

استاد مشاور :

 

دکتر علی فرخی

 

 

 

آذر 1389

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب      
عنوان   شماره صفحه  
چکیده:………………………….. ………………………………………………………. …………………………………………………………………….. 1
مقدمه: ………………………….. ………………………………………………………. …………………………………………………………………….. 2
.1   فصل اول: سیستمهای فراپهن باند ………………………….. (UWB) ………………………………………….. 4
1-1 تاریخچه تکنولوژی فراپهن باند ………………………….. UWB …………………………………………………………. 5
2-1 مفهوم ………………………………………………………. UWB …………………………………………………………………… 8
3-1 تعریف سیستم فراپهن باند ………………………….. ……………………………………………………………………………… 9
4-1 مزایای تکنولوژی فراپهن باند ………………………….. UWB ……………………………………………………………. 9
1-4-1 توانایی اشتراك طیف توانی ………………………….. ……………………………………………………………………… 9
2-4-1 ظرفیت بالای کانال ………………………………………………………. …………………………………………………… 10
3-4-1 توانایی کار با SNR پایین ………………………….. ……………………………………………………………………. 10
4-4-1 احتمال تشخیص و آشکارسازی کم ………………………….. ……………………………………………………… 10
5-4-1 مقاومت در برابر مسدود شدن ………………………….. ………………………………………………………………. 11
6-4-1 کارایی بالا در کانالهای چند مسیره ………………………….. ……………………………………………………. 11
5-1 چالشهای تکنولوژی فراپهن باند ………………………….. UWB …………………………………………………… 12
1-5-1 انحراف شکل پالس ………………………………………………………. …………………………………………………… 12
2-5-1 تخمین کانال ………………………………………………………. …………………………………………………………….. 12
3-5-1 تطبیق فرکانس بالا ………………………………………………………. …………………………………………………… 12
4-5-1 تداخل دستیابی چندگانه ………………………….. ……………………………………………………………………… 13
6-1 UWB در مقایسه با سایر استانداردهای ……………………………………………………………… IEEE 13
7-1 تفاوت بین UWB و طیف گسترده ………………………….. …………………………………………………………….. 15
1-7-1 رشتهی پیوستهی طیف گسترده …………………………………………………………………….. (DSSS) 15
2-7-1 جهش فرکانسی طیف گسترده ……………….. ……………………………………………………….(FHSS) 15
3-7-1 تفاوتهای اساسی بین UWB و طیف گسترده ………………………………………………………………. 15
8-1 روشهای پیاده سازی سیستم فراپهن باند ………………………….. …………………………………………………… 16
1-8-1 سیستم ……………………………………..(Code Division Multiple Access) CDMA 16
2-8-1 سیستم ………. (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM 18
.2   فصل دوم: مخلوطکنندههای فرکانسی ………………………………………………….MIXER 19
1-2 تاریخچه ………………………………………………………. ………………………………………………………………………….. 20
2-2 انواع میکسر ………………………………………………………. …………………………………………………………………….. 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-2-2 میکسرهای غیر فعال …………………………………………………………………………………… 22 …………………….
2-2-2 میکسر گیلبرت ………………………………………………………………………………………………………………….. 24
3-2 کاربرد میکسر …………………………………………………………………………………………………………………………… 28
4-2 عملکرد میکسر …………………………………………………………………………………………………………………………. 29
1-4-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده …………………………………………………………………………………….. 29
2-4-2 عملکرد میکسر به کمک یک سوئیچ …………………………………………………………………………………. 30
.3  فصل سوم: بررسی میکسرهای توزیع شدهی فراپهن باند …………………………………………………… 32
1-3 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 33
2-3 مدارات توزیع شده ……………………………………………………………………………………………………………………. 34
3-3 بررسی عملکرد سیگنال بزرگ میکسر گیلبرت به عنوان یک عنصر غیر خطی …………………………. 35
4-3 میکسر سلول گیلبرت توزیع شده …………………………………………………………………………………………….. 39
1-4-3 بهرهی تبدیل …………………………………………………………………………………………………………………….. 40
2-4-3 تکنیک تزریق جریان …………………………………………………………………………………………………………. 40
3-4-3 تکنیک پیکینگ سلفی ………………………………………………………………………………………………………. 42
5-3 مروری بر چند ساختار میکسر پهن باند ارایه شده ……………………………………………………………………. 44
1-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[18] 1 44
2-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[12] 2 45
3-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[19] 3 45
4-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[20] 4 46
5-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[21] 5 47
6-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[22] 6 48
7-5-3 ساختار میکسر ………………………………………………………………………………………………………[23] 7 49
8-5-3 مقایسه ساختار های متفاوت میکسرهای فراپهن باند ………………………………………………………. 51
.4   فصل چهارم: تحلیل اعوجاج و نویز در میکسر فراپهن باند …………………………………………………. 52
1-4 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 53
2-4 میکسر یک عنصر غیر خطی …………………………………………………………………………………………………….. 53
3-4 مدل غیر خطی گیرنده …………………………………………………………………………………………………………….. 54
4-4 اثرات اعوجاج در سیستمهای فراپهن باند ………………………………………………………………………………… 54
1-4-4 تولید هارمونیک …………………………………………………………………………………………………………………. 55
2-4-4 فشردگی بهره …………………………………………………………………………………………………………………….. 55
3-4-4 اینترمدولاسیون …………………………………………………………………………………………………………………. 56
4-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی دوم ……………………………………………………………………………………………. 56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5-4-4 اینترمدولاسیون مرتبهی سوم …………………………………………………………………………………………… 57
6-4-4 اعوجاج در سیستمهای متوالی ………………………………………………………………………………………….. 59
7-4-4 مشخصات خطی گیرنده ……………………………………………………………………………………………………. 59
5-4 بررسی نویز میکسر به عنوان یک عنصر غیر خطی …………………………………………………………………… 60
1-5-4 پردازش نویز متغیر با زمان ……………………………………………………………………………………………….. 60
2-5-4 نویز طبقهی راهانداز (طبقهی ……………………………………………………………………………………(RF 61
3-5-4 نویز طبقهی سوئیچ (طبقهی ……………………………………………………………………………………(LO 62
4-5-4 نویز طبقهی ………………………………………………………………………………………………………………….IF 63
.5   فصل پنجم: مدار پیشنهادی، طراحی مخلوط کنندهی فرکانسی فراپهن باند توزیع شده ………. 64
1-5 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 65
2-5 مدل المانهای مورد استفاده ……………………………………………………………………………………………………. 65
3-5 تحلیلگرهای استفاده شده در نرمافزار ………………………………………………………………………….ADS 67
1-3-5 تحلیلگر ……………………………………………………………………HARMONIC BALANCE 68
2-3-5 تحلیلگر ………………………………………………………………………………………………………………. LSSP 68
4-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر تک بالانس …………………………………………………….. 69
1-4-5 طراحی میکسر …………………………………………………………………………………………………………………… 69
2-4-5 بایاس مدار …………………………………………………………………………………………………………………………. 70
3-4-5 پارامترهای قابل تغییر و طراحی ……………………………………………………………………………………….. 71
4-4-5 تحلیل و شبیهسازی ………………………………………………………………………………………………………….. 72
5-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر سلول گیلبرت ………………………………………………… 74
1-5-5 طراحی میکسر …………………………………………………………………………………………………………………… 74
2-5-5 بایاس مدار …………………………………………………………………………………………………………………………. 75
3-5-5 تحلیل و شبیهسازی ………………………………………………………………………………………………………….. 76
6-5 طراحی میکسر توزیع شده با سلولهای میکسر گیلبرت و با استفاده از تکنیک پیکینگ سلفی.. 78
1-6-5 تکنیک پیکینگ سلفی ………………………………………………………………………………………………………. 78
2-6-5 بایاس مدار …………………………………………………………………………………………………………………………. 80
3-6-5 طراحی میکسر توزیع شدهی نهایی …………………………………………………………………………………… 80
4-6-5 مقادیر المانهای مدار میکسر پس از طراحی …………………………………………………………………… 84
5-6-5 تحلیل و شبیه سازی …………………………………………………………………………………………………………. 86
7-5 نتیجهگیری و مقایسه ………………………………………………………………………………………………………………. 90
.6   فصل ششم: نتیجهگیری و پیشنهادات ………………………………………………………………………………. 92
1-6 نتیجهگیری ………………………………………………………………………………………………………………………………. 93

 

پایان نامه و مقاله

 

 

 

 

 

2-6 پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 94
.7   فصل هفتم: منابع و ماخذ …………………………………………………………………………………………………. 95
منابع لاتین ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 96
چکیده انگلیسی: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 98

فهرست جدول ها:

عنوان                                                                                                 شماره صفحه

جدول 1- 1 قابلیت UWB در مقایسه با سایر استانداردهای 14…………………………………. [2] IEEE

جدول 1- 3 مقایسهی ساختارهای مختلف میکسرهای فراپهن باند………………………………………….. 51

جدول 1- 5 مقادیر سلفهای مدار نهایی………………………………………………………………………. 85

جدول 2- 5 عرض ترانزیستورهای مدار نهایی………………………………………………………………… 85

جدول 3- 5 مقادیر پارامترهای DC ترانزیستورهای میکسر توزیع شده نهایی………………………………. 85

جدول 4-5 مقدار نشت پورت های مختلف میکسر پیشنهادی در یکدیگر بعد از مدل سازی اثر عدم تطبیـق ابعـاد

ترانزیستورها، روی ولتاژ آستانه………………………………………………………………………………………….. 88

جدول 5- 5 مقایسهی سه ساختار به دست آمده طول طراحی………………………………………………. 90

جدول 6- 5 مشخصات مدار میکسر توزیع شدهی پیشنهادی………………………………………………… 90

جدول 7- 5 مقایسه میکسر طراحی شده در این پایان نامه با کارهای انجام شدهی قبلی………………….. 91

فهرست شکلها:

عنوان                                                                                                 شماره صفحه
شکل 1-1 تاریخچهی تکنولوژی فراپهن باند……………………………………………………………………. 6

شکل 2-1 طرح ماسک توان برای سیستم UWB بر حسب فرکانس 7…………………………………….. [3]

شکل 3-1 سیگنال باند باریک در حوزهی (a) زمان و (b) فرکانس………………………………………….. 8

شکل 4-1 یک پالس با Duty Cycle کم……………………………………………………………………. 8

شکل 5-1 پالس UWB در حوزههای((a زمان و (b) فرکانس………………………………………………. 9

شکل 6-1 همزیستی سیگنالهای فراپهن باند با سیگنالهای باند باریک و باند پهن در طیف فرکانسی 10.. RF

شکل (a) 7-1 پدیدهی چند مسیره در انتقال بیسیم (b) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنال های بانـد باریـک

(c) اثر پدیدهی چند مسیره بر سیگنالهای باند فرا پهن………………………………………………………………… 11

شکل 8-1 رفتار حوزههای زمان و فرکانس سیگنالهای UWB (a) و (b) باند باریک……………………… 13

شکل 9-1 طیف فرکانسی UWB به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند………………………… 14

شکل 10-1 سیگنالهای (a) باند باریک، (b) طیف گسترده و (c) فراپهن باند در حوزههای زمان و فرکانس .. 16

شکل 11-1 روش دسترسی 16……………………………………………………………………….. TDMA

شکل 12-1 عملیات کد کردن در 17……………………………………………………… [5] DS-CDMA

شکل 13-1 نحوهی استفاده از پهنای باند در سیستم 17………………………………………. DS-CDMA

شکل 14-1 گروه بندی طیف فرکانسی 18…………………………………………………….. MB-OFDM

یک مطلب دیگر :

شکل 15-1 طیف فرکانسی 18……………………………………………………………. [7] MB-OFDM

شکل 1-2 ساختار گیرنده سوپر هترودین……………………………………………………………………. 20

شکل 2-2 میکسر به عنوان یک عنصر سه دهانه…………………………………………………………….. 21

شکل 3-2 میکسر غیرفعال با تعادل دوگانه با 22…………………………………………………….. CMOS

شکل 4-2 میکسر گیلبرت ساده………………………………………………………………………………. 24

شکل 5-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه…………………………………………………………………… 25

شکل 6-2 منحنی بهرهی سوئیچ میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه…………………………………………… 26

شکل 7-2 میکسر گیلبرت با تعادل دوگانه با تکنیک ربودن جریان 27…………………………………… DC

شکل 8-2 میکسر به عنوان یک ضرب کننده 29……………………………………………………………. [3]

شکل 9-2 میکسر با ساختار تکی…………………………………………………………………………….. 31

شکل 10-2 میکسر با ساختار متوازن تکی…………………………………………………………………… 31

شکل 1-3 بلوك دیاگرام مدار ترکیبی توزیع شده (a) موجبر هم محور واقعی (b) مدارات LC مصنوعی33[11]

شکل 2-3 مدل خطوط انتقال مصنوعی………………………………………………………………………. 34

شکل 3-3 شمای نحوهی قرار گیری سلولهای مدار توزیع شده بین دو خط انتقال………………………….. 35

شکل 4-3 میکسر گیلبرت 36…………………………………………………………………………. CMOS

شکل 6-3 شکل موجهای p0(t) و 38…………………………………………………………………….. p1 (t)

شکل 7-3 مدار معادل خط انتقال……………………………………………………………………………. 40

شکل 8-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با تکنیک تزریق جریان…………………………………………… 41

شکل 9-3 شماتیک مدار میکسر گیلبرت با طبقهی ترارسانایی مکمل………………………………………. 41

شکل 10-3 مدل مدار ساده شده برای (a) میکسر متداول (b) میکسر با تکنیک پیکینگ سلفی سری……. 43

شکل (a) 11-3 مدل سیگنال کوچک یک تقویت کننده (b) شـبکهی پسـیو اضـافه شـده بـرای ایزولـه کـردن

خازنهای پارازیتی (c) پیاده سازی این شبکه با سلف…………………………………………………………………… 43

شکل 12-3 مدار میکسر ساختار 44…………………………………………………………………………… 1

شکل 13-3 مدار میکسر ساختار 45…………………………………………………………………………… 2

شکل 14-3 مدار میکسر ساختار 46…………………………………………………………………………… 3

شکل 15-3 مدار میکسر ساختار 47…………………………………………………………………………… 4

شکل 16-3 مدار تطبیق UWB برای سیگنال ورودی 47…………………………………………………. RF

شکل 17-3  مدار میکسر ساختار 48………………………………………………………………………….. 5

شکل 18-3 مدار میکسر ساختار 49…………………………………………………………………………… 6

شکل 19-3 مدار میکسر ساختار 50…………………………………………………………………………… 7

شکل 1-4 طیف فرکانسی MB-OFDM به همراه سیستمهای تداخلی داخل و خارج باند 53…………… [7]

شکل (a) 2-4 مدار سوئیچ ساده (b) سیستم غیر خطی متغیر با زمان (c) سیستم خطی متغیر با زمان….. 54

شکل 3-4 طیف خروجی سیستم غیرخطی با درجهی دو و سه……………………………………………… 54

شکل 4-4 نقطه تراکم 56………………………………………………………………………………….. 1dB

شکل 5-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم غیرخطی درجهی 56…………………………. 2

شکل 6-4 نحوهی تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 2 با سیگنال مطلوب 57……………………………….. [7]

شکل 7-4 مولفههای اینترمدولاسیون در خروجی یک سیستم با خاصیت غیرخطی مرتبهی سوم………….. 58

شکل 8-4 تداخل اینترمدولاسیون مرتبهی 3 با سیگنال مطلوب 58……………………………………….. [7]

شکل (a) 9-4 دامنهی نقطه تقاطع مرتبهی سوم ورودی (b) نقطه تقاطع مرتبـهی سـوم ورودی و خروجـی بـه

صورت لگاریتمی 59………………………………………………………………………………….. [5] (IIP3,OIP3)

شکل 10-4 میکسر فعال تک بالانس 61……………………………………………………………… CMOS

شکل 11-4 شکل موج 62………………………………………………………………………………… p1 (t)

شکل 1-5 بلوك دیاگرام مدار توزیع شده (a)خطوط انتقال واقعی (b) پیاده سازی با مدارات LC (خـط انتقـال

مصنوعی)…………………………………………………………………………………………………………………. 65

شکل 2-5 مدل ترانزیستور 66…………………………………………………………………………. TSMC

شکل 3-5 مدل مدار معادل برای یک ترانزیستور 66………………………………………. [26] RF nMOS

شکل 4-5 مدل سلف 67………………………………………………………………………………. TSMC

شکل 5-5 نمای Layout سلف در تراشه……………………………………………………………………. 67

شکل 6-5 مدار معادل یک سلف استاندارد 67…………………………………………………………….. [26]

شکل 7-5 تحلیلگر HARMONIC BALANCE در نرم افزار 68………………………………… ADS

شکل 8-5 تحلیلگر LSSP در نرم افزار 68………………………………………………………………. ADS

شکل 9-5 ساختار میکسر توزیع شدهی تک بالانس…………………………………………………………. 69

شکل 10-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی تک بالانس در نرم افزار 70…………………………………. ADS

شکل 11-5 مدار بایاس طبقهی 70…………………………………………………………………………. RF

شکل 12-5 مدار بایاس گیت ترانزیستورهای طبقهی 71…………………………………………………… LO

شکل 13-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 71………………………………………………….. LO

شکل 14-5 روابط به کار رفته در نرمافزار ADS برای محاسبهی 72……………………………………. IIP3

شکل 15-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس……………………………………… 72

شکل 16-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس………………………………………… 73

شکل 17-5 نمودار IIP2 میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس………………………………………… 73

شکل 18-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس………………………………… 73

شکل 19-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس……………………….. 74

شکل 20-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول تک بالانس………………………. 74

شکل 21-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت…………………………………………………………… 75

شکل 22-5 شماتیک میکسر توزیع شدهی گیلبرت در نرم افزار 75…………………………………….. ADS

شکل 23-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت…………………………………….. 76

شکل 24-5 نمودار ضریب انعکاس ورودی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت…………………………… 77

شکل 25-5 نمودار ضریب انعکاس خروجی میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت………………………….. 77

شکل 26-5 نمودار عدد نویز میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت…………………………………………. 77

شکل 27-5 نمودار IIP3 میکسر طراحی شده با سلول گیلبرت…………………………………………….. 78

شکل 28-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی……………………………….. 79

شکل 29-5 ساختار میکسر توزیع شدهی گیلبرت با تکنیک پیکینگ سلفی در نرم افزار 79…………… ADS

شکل 30-5 مدار بایاس درین ترانزیستورهای طبقهی 80………………………………………………….. LO

شکل 31-5 نمودار جریان مصرفی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها…………………………… 81

شکل 32-5 نمودار تطبیق ورودی میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها در فرکانس 82…… 10 GHz

شکل 33-5 نمودار بهرهی تبدیل میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها…………………………….. 82

شکل 34-5 نمودار IIP3 میکسر بر حسب تغییرات عرض ترانزیستورها…………………………………….. 83


0 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *