در سال­های اخیر مخابرات بی­سیم بدون شک از رشد چشم­گیری برخوردار بوده و هم­اکنون کاربران زیادی در دنیا از آن بهره می­برند. در واقع محصولات مخابرات نظیر تلفن همراه، سیستم­های موقعیت­یاب جهانی^[۱](GPS)، شبکه ­های بی­سیم محلی^[۲](WLAN)، سنتزکننده­های فرکانسی^[۳](FS) و غیره امروزه در سراسر جهان کاربرد گسترده­ای دارند. مدارات مجتمع آنالوگ و فرکانس بالا بخش مهمی را در سیستم­های مخابراتی به خود اختصاص داده­اند. به همین دلیل طراحی بهینه مدارات فرکانس بالا و دستیابی به سیستم­هایی با عملکرد بالا، قیمت و توان مصرفی کمتر و اندازه­ کوچکتر برای طراحی فرستنده-گیرنده­های کم­هزینه و کم­حجم از اهمیت خاصی برخوردار است.

انتخاب تکنولوژی مناسب برای طراحی این مدارات اهمیت ویژه­ای دارد. بطور کلی کیفیت عملکرد، هزینه و مدت زمان مورد نیاز برای ارائه به بازار سه پارامتری است که در انتخاب تکنولوژی در صنعت فرکانس بالا تعیین کننده می­باشد. با پیدایش تکنولوژی ^[۴]CMOS و ادامه­ روند کاهش ابعاد ترانزیستور در آن پیشرفت­های زیادی در مجتمع سازی مدارات فرکانس بالا و آنالوگ ایجاد شده است. از جمله فواید استفاده از تکنولوژی CMOS، امکان قرار دادن بخش­های مختلف یک سیستم مخابراتی بر روی یک تراشه واحد است. به چنین سیستمی یک ^[۵]SOC گفته می شود و شامل مدارات آنالوگ، دیجیتال و فرکانس بالای سیستم­های مخابراتی می باشد. چنین سیستم­هایی بدلیل مزایایی چون کاهش هزینه­ های ساخت و توان مصرفی از اهمیت فوق العاده­ای در محصولات بی­سیم برخوردارند. البته استفاده از تکنولوژی CMOS محدودیت­هایی نیز دارد ولی طراحان قادر به حل آن مشکلات شده ­اند و امروزه این تکنولوژی به طور وسیع در مدارهای فرکانس بالا مورد استفاده قرار می گیرد [۱].
یکی از مهمترین بلوک­های فرکانس بالا در سیستم های مخابراتی نوسان‌سازها هستند. کلیه فرستنده-گیرنده­های فرکانس بالایی که امروزه مورد استفاده قرار می­گیرند، در داخل خود دارای یک سنتزکننده فرکانس می­باشند که به آن نوسان‌ساز محلی^[۶] گفته می­ شود. وظیفه این بلوک ایجاد یک سیگنال سینوسی است که مطابق شکل ۱-۱ به کمک آن عمل انتقال طیف فرکانسی سیگنال­های دریافتی و یا ارسالی به فرکانس­های به ترتیب پایین یا بالا انجام می­ شود.
بلوک دیاگرام یک فرستنده – گیرنده ساده
پدیده نویز فاز در واقع خارج شدن طیف فرکانسی سیگنال نوسان‌ساز محلی از شکل ایده­آل خود (که یک سیگنال ضربه در فرکانس کار نوسان‌ساز می­باشد) است. هنگامی که کاربران یک سیستم مخابراتی زیاد می­شوند، با توجه به محدودیت­هایی که بر روی پهنای باند وجود دارد، پهنای باندی که به هر کاربر اختصاص ­می­یابد کاهش پیدا می­ کند. اما وجود پدیده نویز فاز باعث می­ شود که پهنای باند اختصاصی به هرکاربر را نتوان از یک مقدار حداقلی کمتر کرد. این مسئله باعث ایجاد محدودیت در افزایش تعداد کاربران یک سیستم مخابراتی با پهنای باند ثابت می­ شود. به­ همین علت در دهه­های اخیر تحلیل نویز فاز و بررسی تکنیک­های بهبود طراحی مدارات برای VCOها^[۷] علاقه ­مندی­های زیادی در دانشگاه­ها و صنعت بوجود آورد. اما به دلیل پیچیدگی زیاد این پدیده هنوز رابطه­ دقیقی که بسادگی بتواند نویز فاز نوسان‌ساز را بررسی کند بدست نیامده است. دلایلی که رسیدن به یک تحلیل کامل از چگونگی ایجاد نویز فاز را دشوار می­سازد، به طور خلاصه عبارتند از: الف- عملکرد سیگنال بزرگ نوسان‌ساز و صادق نبودن مدل­های خطی برای تحلیل عملکرد آن. ب- ثابت نبودن فرایند ایجاد نویز فاز در طول یک دوره تناوب نوسان. این دو دلیل بدین معناست که در واقع بررسی نویز فاز معادل بررسی اثر نویز در یک سیستم غیرخطی متغیر با زمان است. عملکرد بسیاری از سیستم­ها به طرق مختلف از نویز تاثیر می­پذیرند. بنابراین داشتن درک درستی از نویز در الکترونیک یکی از مهم­ترین مسائل در سیستم­های مجتمع­شده است. بطور کلی نویز در سیستم­های الکتریکی را می­توان به دو مولفه تقسیم کرد: نویز دامنه و نویز فاز. نویز دامنه میزان تغییرات تصادفی سیگنال الکتریکی حول مقدار واقعی را نشان می­دهد. این تغییرات شناسایی سیگنال مطلوب را مشکل می­سازد و عملکرد سیستم را وقتی سیگنال­های دامنه­ کار کوچک شود، کاهش می­یابد. برای مشخص شدن نویز دامنه برای یک سیستم پارامتری با عنوان عدد نویز تعریف می­ شود که به صورت نسبت سیگنال به نویز در ورودی سیستم به سیگنال به نویز در خروجی تعریف می­ شود[۲].
نویز فاز در یک سیستم نوسانی بصورت اندازه­ تغییرات تصادفی فاز نوسان نوسان‌ساز تعریف می­ شود. این تغییرات بدلیل منابع نویز مختلف موجود در مدار بوجود می ­آید. تعریف دقیق­تر نویز فاز در فصل دوم آورده شده است. نویز دامنه و فاز عملکرد سیستم­های الکتریکی را به طرق مختلف تحت تاثیر می­ گذارد. شکل (۱-۲) عملکرد این دو مولفه­ی نویز را روی یک دستگاه گیرنده­ی بی­سیم نشان می­دهد. در این شکل بلوک­هایی که نویز بیشترین تاثیر را روی آنها می­ گذارد، نشان داده شده است. نویز دامنه (به عنوان مثال نویز LNA^[8](تقویت کننده با نویز کم) به سیگنال ورودی اضافه شده و نسبت سیگنال به نویز را در خروجی LNA و در نتیجه خروجی فیلتر IF کاهش می­دهد. اثر نویز فاز روی نوسان‌ساز محلی نیز در این شکل نشان داده شده است. همان­طور که مشاهده می­ شود ناپایداری فرکانسی نوسان‌ساز محلی، به توان غیر صفر در بعضی افست فرکانسی از فرکانس اصلی (که در غیاب نویز فاز طیف LO یک تابع ضربه در  بود) منجر شده است. توان سیگنال واقع شده در  می ­تواند توسط سیگنال ناخواسته در  مدوله شود و یک مولفه­ی نویز در  بوجود آید. متاسفانه این مولفه­ی نویز نمی­تواند توسط فیلتر IF از بین برود، زیرا در بازه فرکانسی فیلتر IF قرار ندارد. بنابراین نویز فاز مولفه­ی فرکانسی دیگری به نویز خروجی فیلتر IF ایجاد می­ کند. ترکیب این دو منبع نویز نسبت سیگنال به نویز را در خروجی فیلتر IF کاهش می­دهد و نهایتا سیگنال ورودی خراب می­ شود.

اثر نویز دامنه و فاز روی عملکرد یک گیرنده­ی RF
با توجه به اهمیت پدیده نویز فاز و تبعات منفی آن در سیستم های مخابراتی، در این پایان نامه سعی خواهد شد تا ضمن بررسی تئوری­های مختلف توصیف کننده نویز فاز، چگونگی ایجاد آن در نوسان‌سازهای CMOS نوع LC به عنوان مهمترین دسته از نوسان‌سازها که امروزه در مدارات مجتمع فرکانس بالا مورد استفاده قرار می­گیرند، به طور کامل و جامع مورد بررسی قرار گیرد و ساختاری جدید با نویز فاز کم برای نوسان‌سازهای LC ارائه گردد.

• اهداف و ساختار پایان نامه

در این پایان نامه ابتدا به بررسی اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها و معرفی انواع نوسان‌سازهای CMOS پرداخته و دلایل انتخاب نوسان‌سازهای نوع LC در کاربردهای فرکانس بالا بررسی می­ شود. بعد از آشنایی با نوسان‌سازهای CMOS و نحوه عملکرد آن­ها به بررسی منابع نویز مختلف موجود در این نوسان‌سازها بخصوص نوسان‌ساز LC و ماهیت فیزیکی آن­ها پرداخته و سپس تعریف دقیق نویز فاز و مدل­های ارائه شده برای توصیف آن در نوسان‌ساز بیان می­ شود. در این رساله هدف طراحی نوسان‌ساز LC با نویز فاز کمتر است. به همین دلیل ابتدا به بررسی تکنیک­های کاهش نویز فاز ارائه شده در سال­های اخیر پرداخته و تکنیک­های مختلف را بررسی کرده و سپس تکنیک بهبود یافته پیشنهادی معرفی و ساختار تکمیلی در راستای بهبود تکنیک معرفی شده ارائه می­ شود. در انتها به منظور اثبات صحت ادعاهای مطرح شده، یک نوسان‌ساز CMOS LC در فرکانس مرکزی GHz 2 در تکنولوژی mμ ۱۸/۰ با ولتاژ تغذیه ۸/۱ ولت طراحی و با بهره گرفتن از شبیه­ساز ADS شبیه­سازی شده و نتایج شبیه­سازی با کارهای انجام شده پیشین مقایسه می­ شود.

• فصل دوم

نوسان‌سازها
و تاثیر نویز بر عملکرد آنها

• مقدمه

همان طور که در فصل قبل اشاره شد، نوسان‌سازهای کنترل شونده با ولتاژ یکی از مهم­ترین اجزای فرستنده- گیرنده­های فرکانس بالا به شمار می­آیند. با توجه به مسائل و مشکلاتی که در اثر پدیده نویز فاز نوسان‌ساز محلی در سیستم­های مخابراتی ایجاد می­ شود، واضح است که طراحی نوسان‌ساز با نویز فاز کم دارای اهمیت بسیار زیادی می­باشد. پارامترهای زیادی در طراحی یک نوسان‌ساز اهمیت دارند از جمله: نویزفاز، توان مصرفی، قابلیت مجتمع سازی، بهره. نوسان‌سازهای مختلفی وجود دارند که هرکدام قابلیت ­های خاصی از موارد یاد شده را دارند ولی برآورده کردن تمامی قابلیت­ها در یک نوسان‌ساز خاص کار بسیار مشکلی است. بنابراین همواره تلاش بر این است تا با توجه به نیاز کاربران نوسان‌سازی با عملکرد بهتر ارائه شود. در این فصل به تشریح اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها به عنوان هسته سازنده سیستم­های مختلف و معرفی انواع نوسان‌سازهای CMOS و به خصوص نوسان‌سازهای LC به عنوان اصلی ترین گروه مورد استفاده در مدارات و سیستم های فرکانس بالا پرداخته می­ شود.

• اصول کلی عملکرد نوسان‌سازها

نوسان‌ساز سیستمی است که بدون اعمال ورودی سیگنالی متناوب با فرکانس مشخص در خروجی تولید کند. به­ طور کلی دو دیدگاه برای بررسی عملکرد نوسان‌ساز وجود دارد. در دیدگاه اول نوسان‌ساز به عنوان یک سیستم دارای فیدبک تلقی می­گردد و شرایط ناپایدار شدن این سیستم به عنوان شرایط نوسان بیان می­ شود. در دیدگاه دوم نوسان‌ساز بر پایه­ مفهوم مقاومت منفی استوار است. از هر دو دیدگاه برای بررسی و تحلیل نوسان‌سازها می­توان استفاده کرد، اما ممکن است با توجه به ساختار نوسان‌ساز استفاده از یک مدل برای تحلیل ساده­تر باشد.

• مدل فیدبک نوسان‌ساز

• اگرچه نوسان‌ساز­ها بطور طبیعی غیرخطی هستند اما معمولا به صورت یک سیستم فیدبک دار خطی در نظر گرفته می­شوند. شکل (۲-۱).

بلوک دیاگرام سیستم فیدبک منفی
سیستم فیدبک منفی شکل (۲-۱) را در نظر بگیرید، تابع تبدیل حلقه بسته آن به صورت زیر خواهد بود

چنانچه یک تقویت کننده دارای شیفت فاز زیادی در فرکانس های بالا باشد به نحوی که فیدبک مثبت شود، در خروجی آن نوسان ایجاد شده و تقویت کننده ناپایدار می­ شود. بنابراین برای ایجاد نوسان اولا باید فیدبک کلی حلقه مثبت شود و گین حلقه بسته نیز در فرکانسی بینهایت شود. بعنوان مثال اگر به ازای  ، ، گین حلقه بسته در فرکانس بینهایت شده و شرایط نوسان فراهم می­ شود. در چنین شرایطی مدار کوچکترین تحریک دریافتی در فرکانسکه می ­تواند ناشی از نویز باشد را به صورت نامحدود تقویت می­ کند. در واقع همان طور که در شکل (۲-۲) مشخص است، نویز واقع در فرکانسکه در ورودی سیستم قرار دارد، در مجموع بهره بینهایت را دریافت می­ کند و در نتیجه این سیگنال تقویت شده و در داخل حلقه خود را تکرار می­ کند. بنابراین در مجموع مولفه­ی نویز واقع در فرکانس در داخل حلقه اجازه تقویت و رشد پیدا می­ کند.
تغییرات سیستم نوسانی با زمان ]۳[
بنابراین بطور کلی دو شرط لازم برای ایجاد نوسان که با نام معیارهای “بارک هاوزن^[۹]” از آن یاد می­ شود با روابط زیر بیان می­ شود