طراحی اسیلاتور متعامد کنترل‌شونده با ولتاژ با بازه وسیع فرکانسی
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوترامیرحسین مهدوی 1 * , حسین ميارنعيمی 2 , محسن جوادی 3
1 - دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
2 - دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
3 - دانشگاه تخصصی فناوری‌های نوین آمل
کلید واژه: اسیلاتور متعامد, خطای فاز, سلول گیلبرت, فیلتر چندفازی,
چکیده مقاله :
نسل پنجم شبکه اینترنت برای رفع محدودیت پوشش ارتباطی مناطق وسیع به وجود آمده است. از چالش‌های مهم اینترنت نسل پنجم، ساخت اسیلاتورهای متعامد در بازه وسیع فرکانسی بالا می‌باشد. خطای فاز و عدم تعادل دامنه سبب کاهش نسبت بازگشت تصویر می‌شود که بر اندازه بردار خطای ارتباطی تأثیر می‌گذارد. فازهای متعامد به وسیله فیلتر چندفازی یک‌مرحله‌ای با مقاومت‌های متشکل از چهار ماسفت نوع N در حالت تریود، تولید می‌شود که هر یک از چهار سر گیت ماسفت به وسیله یک ولتاژ تنظیم می‌گردد. فیدبک مدار دائماً فرکانس مرکزی فیلتر چندفازی را متناسب با فرکانس ورودی با تغییر مقاومت ماسفت‌ها تنظیم می‌کند. در این پژوهش برای نخستین بار هر بلوک مداری معادل‌سازی ریاضی شده و سپس با ترسیم این بلوک‌های ریاضی در محیط سیمولینک متلب، پاسخ بهینه برای طراحی این مدار استخراج گردید. همچنین مزیت دیگر این پژوهش، استخراج کامل معادلات ریاضی حاکم بر مدار می‌باشد. بر اساس پاسخ به‌دست‌آمده در محیط سیمولینک و معادلات ریاضی اثبات‌شده، مدار فوق در محیط نرم‌افزار طراحی سیستم پیشرفته با پارامترهای دقیق در بازه فرکانسی 2 تا 6 گیگاهرتز و فرکانس مرکزی 4 گیگاهرتز شبیه‌سازی شد. کسری پهنای باند در این مدار به 100% با خطای فاز حدود یک درجه رسید.
The 5G network has been created to solve the limitation of communication coverage in large areas. One of the challenges of the 5G is the construction of quadrature oscillators in a wide range of high frequencies. Phase error and amplitude imbalance cause a decrease in the image rejection ratio (IRR), which affects the communication error vector magnitude (EVM). The quadrature phases are generated by a one-stage poly-phase filter (PPF) whose resistors consist of four N-type MOSFETs in triode mode, each of its four gate ends is set by a voltage. The feedback circuit constantly adjusts the center frequency of the PPF according to the input frequency by changing the resistance of the MOSFETs. In this research, the circuit is simulated in the advanced design system software environment in the frequency range of 2 to 6 GHz with a central frequency of 4 GHz, which has reduced the quadrature phase error to less than 1 to 9 degrees. Then, the governing mathematical equations of the circuit were extracted and the network function of the circuit was designed in the Simulink MATLAB environment. The main advantage of the Simulink method is the high speed of simulation.
[1] S. Onoe, "1.3 Evolution of 5G mobile technology toward 1 2020 and beyond," in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., ISSCC'16, pp. 23-28, San Francisco, CA, USA, 30 Jan-4 Feb. 2016.
[2] T. Kebede, Y. Wondie, J. Steinbrunn, H. B. Kassa, and K. T. Kornegay, "Multi-carrier waveforms and multiple access strategies in wireless networks: performance, applications, and challenges," IEEE Access, vol. 10, pp. 21120-21140, 2022.
[3] M. Series, IMT Vision-Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Veyond, Recommendation ITU 2083, 2015.
[4] C. So, E. T. Sung, and S. Hong, "A 60-GHz variable gain phase shifter based on body floated RF-DAC structure," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 69, no. 12, pp. 4749-4753, Dec. 2022.
[5] I. Ishteyaq and K. Muzaffar, "Multiple input multiple output (MIMO) and fifth generation (5G): an indispensable technology for sub-6 GHz and millimeter wave future generation mobile terminal applications," International J. of Microwave and Wireless Technologies, vol. 14, no. 7, pp. 932-948, Sept. 2022.
[6] Y. Lee, B. Kim, and H. Shin, "28-GHz CMOS direct-conversion RF transmitter with precise and wide-range mismatch calibration techniques," Electronics, vol. 11, no. 6, Article ID: 11060840, 14 pp., 2022.
[7] R. Wu, R. Minami, et al., "64-QAM 60-GHz CMOS transceivers for IEEE 802.11 ad/ay," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 52, no. 11, pp. 2871-2891, Nov. 2017.
[8] S. Kulkarni, D. Zhao, and P. Reynaert, "Design of an optimal layout polyphase filter for millimeter-wave quadrature LO generation," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 60, no. 4, pp. 202-206, Apr. 2013.
[9] S. Young Kim, D. W. Kang, K. J. Koh, and G. M. Rebeiz, "An improved wideband all-pass I/Q network for millimeter-wave phase shifters," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 60, no. 11, pp. 3431-3439, Nov. 2012.
[10] J. Seok Park and H. Wang, "A transformer-based poly-phase network for ultra-broadband quadrature signal generation," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 12, pp. 4444-4457, Dec. 2015.
[11] O. Kwang-II and D. Baek, "A 39.8% locking range injection-locked quadrature voltage-controlled oscillator using fourth-order resonator," J. of Semiconductor Technology and Science, vol. 22, no. 1, pp. 10-16, 2022.
[12] F. Piri, M. Bassi, N. R. Lacaita, A. Mazzanti, and F. Svelto, "A PVT-tolerant > 40-dB IRR, 44% fractional-bandwidth ultra-wideband mm-wave quadrature LO generator for 5G networks in 55-nm CMOS," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 53, no. 12, pp. 3576-3586, Dec. 2018.
[13] T. Siriburanon, et al., A low-power low-noise mm-wave subsampling PLL using dual-step-mixing ILFD and tail-coupling quadrature injection-locked oscillator for IEEE 802.11ad," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 51, no. 5, pp. 1246-1260, May 2016.
[14] D. Zhao and P. Reynaert, "A 40 nm CMOS E-band transmitter with compact and symmetrical layout floor-plans," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 50, no. 11, pp. 2560-2571, Nov. 2015.
[15] I. Martinez, "15 to 72 GHz closed-loop impairment corrected mm-wave delay-locked IQ modulator for 5G applications," in Proc. IEEE/MTT-S Int. Microwave Symp., IMS'2022, pp. 665-668, Denver, CO, USA, 19-24 Jun. 2022.
[16] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill 2005.