Σχεδιασμός δέκτη ραδιοσυχνοτήτων για συστήματα υπέρ ευρείας ζώνης λήψης
Authors: Σιμιτσάκης Πασχάλης 
Published: January 2014

Σε κάθε ασύρματο σύστημα επικοινωνιών τα πιο σημαντικά τμήματα είναι ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου και ο μίκτης που τοποθετούνται αμέσως μετά την κεραία λήψης. Τα δύο αυτά ολοκληρωμένα κυκλώματα καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την επίδοση του συνολικού συστήματος και για τον λόγο αυτό ο σχεδιασμός τους αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας. Το ενδιαφέρον αυτό γιγαντώθηκε τα τελευταία χρόνια, καθώς προέκυψαν νέα απαιτητικά πρωτοκολλά ασύρματης επικοινωνίας όπως το UWB. Επιπλέον η ανάπτυξη των τεχνολογιών ολοκλήρωσης και η σμίκρυνση των τρανζίστορ σε μεγέθη της τάξεως των 90 και 65 nm δημιουργεί ώριμο έδαφος για την ανάπτυξη των παραπάνω συστημάτων καθώς και για την εφαρμογή νέων τεχνικών που βελτιστοποιούν την επίδοση τέτοιων κυκλωμάτων. Στην διατριβή αυτή θα παρουσιαστούν μέθοδοι σχεδίασης και για τα δύο προαναφερθέντα κυκλώματα. Πιο συγκεκριμένα θα εστιάσουμε στον σχεδιασμό ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου και ενός μίκτη για ομόδυνο δέκτη, από τον συνδυασμό των οποίων θα προκύψει ολόκληρο το σύστημα λήψης ραδιοσυχνοτήτων. Ως εκ τούτου, το κυρίως μέρος της διατριβής αποτελείται από τρία ξεχωριστά τμήματα. Αρχικά θα παρουσιαστεί ο ενισχυτής χαμηλών συχνοτήτων, στην συνέχεια ο μίκτης και στο τέλος ο δέκτης ραδιοσυχνοτήτων. Αρχικά θα αναλυθεί ο σχεδιασμός ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου, μεγάλου εύρους ζώνης. Η υλοποίηση του κυκλώματος στηρίζεται στον ενισχυτή κοινής πυλής ο οποίος εν γένει, παρουσιάζει σταθερή αντίσταση εισόδου σε σχέση με την συχνότητα και είναι κατάλληλος για συστήματα ευρείας ζώνης. Επειδή όμως έχει μεγάλο δείκτη θορύβου στις υψηλές συχνότητες, χρησιμοποιείται επαγωγή συνδεδεμένη στην πύλη του τρανζίστορ, η οποία βελτιώνει πολύ την επίδοση του στο κέρδος και στο θόρυβο. Το κύκλωμα συμπληρώνεται από ένα σύστημα «ακύρωσης» του θορύβου. Ο σχεδιασμός ενός μίκτη για ομόδυνο δέκτη είναι ιδιαίτερα απαιτητικός. Υπάρχουν προβλήματα με τον χαμηλόσυχνο θόρυβο καθώς και με την μετατόπιση της συνεχούς στάθμης στην έξοδο. Ιδιαίτερα το πρώτο φαινόμενο γίνεται πολύ έντονο σε τεχνολογίες πολύ μεγάλης ολοκλήρωσης όπου το πάχος του οξειδίου είναι μικρό. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, σχεδιάστηκε ένας μίκτης με παθητικό διακοπτικό τμήμα ο οποίος έχει πολύ καλή συμπεριφορά σε σχέση με τον θόρυβο στην έξοδο. Η τοπολογία που ακολουθήθηκε είναι αυτή του απλά εξισορροπημένου μίκτη, διότι παρουσιάζει καλύτερο κέρδος μετατροπής σε σχέση με τον δίπλα εξισορροπημένο. Τα δύο προαναφερθέντα κυκλώματα, συνδέθηκαν μεταξύ τους με κατάλληλο τρόπο προκειμένου να δημιουργηθεί το σύστημα επεξεργασίας του υψίσυχνου συστήματος. Η διαδικασία αυτή αν και φαίνεται τετριμμένη, απαιτεί προσεκτικούς χειρισμούς, αφού με σωστή διασύνδεση μπορούν να μειωθούν τα παρασιτικά φαινόμενα μεταξύ των δύο υποσυστημάτων. Πράγματι είναι ιδιαίτερα σημαντικό να προληφθούν προβλήματα όπως η διαρροή σήματος από την από τον τοπικό ταλαντωτή του συστήματος, στην είσοδο και στην έξοδο. Όλα τα κυκλώματα που αναφέρονται στην παρούσα διατριβή σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν σε τεχνολογίες CMOS με κλίμακα ολοκλήρωσης μικρότερη των 100 nm, γεγονός που προσδίδει επιπλέον ερευνητικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, ο μίκτης υλοποιήθηκε σαν ξεχωριστό κύκλωμα σε τεχνολογία ολοκλήρωσης 90nm ενώ το σύστημα επεξεργασίας του υψίσυχνου σήματος σχεδιάστηκε στα 65nm.