Преобразователь частоты для интегральных КМОП приемных устройств.

Преобразователь частоты для интегральных КМОП приемных устройств.

Введение: описать место смесителя в структуре приемного устройства (что делает? зачем используется?), почему кмоп.

Современные приемно-передающие устройства целесообразно…, о перспективе, почему, сказать что кмоп могут уменьшить габариты и стоимость. Далее про блок смесителя и ссылка на схеме ДАННЫЙ БЛОК БУДЕТ ОСВЕЩАТСЯ В ПРОЦЕССЕ НАПИСАНИЯ

Смесители применяются для преобразования частоты в передатчиках и приемниках и наряду с усилителями и фильтрами принадлежат к важнейшим компонентам беспроводных систем связи. Будут рассмотрены смесители с преобразованием в низкие частоты и преобразованием в высокие частоты рис. 1.1, которые получаются путем приема и передачи соответственно.

Рис. 1.1 Структурная схема приемного устройства и функциональное назначение основных блоков

Интегральные МОП транзисторы

Устройство: сток D_n/p, затвор G_n/p, исток S_n/pи общий вывод подложки B_n/p, показано на рис. 1.2. В n-канальных МОП транзисторах полупроводниковая основа с p-легированием служит подложкой, а ее вывод обозначается как B_n. В p-канальном МОП транзисторе - с n-легированием. Вывод такой подложки обозначена как B_p.

Рис. 1.2 Схема интегрального МОП транзистора

КМОП.

Называют КМОП схемами (комплементарными металло-оксидными полупроводниковыми схемами), поскольку в них имеются комплементарные МОП транзисторы. В n- или p-канальных МОП структурах (предшественниках КМОП схем) в соответствии с наименованием изготавливались либо n-, либо p-канальные МОП транзисторы.

Вольт-амперные характеристики МОП-транзисторов

МОП транзисторыв n- и p-канальном исполнении. Их графические условные обозначения вместе с упрощенными характеристиками показаны на рис. 1.3, где напряжение затвор–исток U_GS и сток–исток U_DS, ток стока I_D и пороговое напряжения U_th.

Рис. 1. 3 Условные обозначения и упрощенные ВАХ МОП транзистора.

Семейство выходных характеристик.

Задавая на n-канальном МОП транзисторе разные напряжения затвор–исток U_GS и измеряя ток стока I_D как функцию напряжения сток–исток U_DS, получим семейство выходных характеристик (рис. 1.4). Ток стока протекает только, когда U_GS превышает пороговое напряжение U_th; при этом различают две области:

Рис. 1.4 Семейство выходных характеристик n - канального МОП транзистора

 

 

в

в

в                                                          (1.1)

Для МОП транзистора:

Входные характеристики.

Входные характеристики в виде зависимости тока затвора I_G от напряжения U_GS. В нормальном режиме ток затвора отсутствует либо является пренебрежимо малым. В МОП транзисторах без защиты от перегрузок по напряжению ток затвора появляется только при пробое оксида кремния из-за чрезмерного напряжения и разрушения самого транзистора.

 

Удельная крутизна.

Удельная крутизна характеристики K является мерой наклона передаточной характеристики полевого транзистора. У n-канального МОП транзистора имеет место:

где µ_n~0,05…0,07 м²/Вс – подвижность носителей заряда в канале. C'_ox– погонная емкость оксида затвора; W и L – ширина и длина затвора (рис. 1.6). Затвор вместе с подстилающим кремнием образует плоский конденсатор площадью A = WL, пластины которого отстоят одна от другой на толщину оксидного слоя d_ox:

Рис. 1.6 Геометрические параметры МОП транзистора

Линеаризация.

Линеаризация состоит в том, что характеристики заменяют касательными к ним в рабочей точке. Для этого производят разложение в ряд Тейлора в рабочей точке и ограничивают ряд линейным членом:

Динамический режим

Поведение схемы под влиянием импульсных или синусоидальных сигналов невозможно определить по статическим характеристикам: оно задается динамическими свойствами. Причина кроется в емкостях между различными областями МОП транзистора (рис.1.8):

· емкости канала C_GS,K и C_GD,K описывают емкостное взаимодействие между затвором и каналом;

· линейные емкости перекрытия C_{GS, b}, C_{GD, b} и C_{GB, b} образуются вследствие расположения областей затвора над областями стока, истока и подложки;

· нелинейные барьерные емкости C_BS и C_BD появляются на p-n переходах между подложкой и истоком или стоком.

Рис. 1.8 Емкости n - канального МОП транзистора

 

Емкости канала.

Затвор вместе с расположенным под ним каналом образуют плоский конденсатор с емкостью оксидного слоя:

(1.7)

В линейной области канал занимает участок от истоковой до стоковой области, и емкость оксидного слоя распределяется соответственно зарядам в канале. При U_D'S' = 0 канал симметричен и C_GS,K = C_GD,K = C_ox/2. При U_D'S' > 0 канал несимметричен и здесь уже C_GS,K> C_GD,K.

при (1.9)

В области насыщения канал отделен от стока, то есть связь между каналом и областью стока отсутствует; отсюда C_GD,K = 0. Следовательно, только C_GS,K выступает в роли емкости канала [1.1]:

Емкости перекрытия. Обычно затвор крупнее канала. Поэтому по краям затвора появляются перекрытия и, как следствие, формируются соответствующие емкости перекрытия C_{GS, Ü} , C_{GD, Ü} , и C_{GB, Ü} . Поэтому в качестве параметров задаются погонные емкости C’_{GS, Ü} , C’_{GD, Ü} , и C’_{GB, Ü} :

(1.11)

Барьерные емкости. У p-n переходов между подложкой и истоком или подложкой и стоком имеется барьерная емкость C_BS или C_BD, меняющаяся с напряжением и зависящая от легирования, площади переходов и приложенного напряжения. Эти емкости описываются подобно емкостям диодов:

при (1.12)

при (1.13)

где C_S0,S и C_S0,D – начальные емкости, U _Diff – диффузионное напряжение и m_S ≈ 1/3…1/2 – емкостный коэффициент.

Вместо C_S0,S и C_S0,D могут быть заданы: погонная барьерная емкость C’_S, граничная погонная емкость C’_R, граничное диффузионное напряжение U _{Diff ,R} и граничный емкостный коэффициент m_R; в случае площадей A_S и A_D и граничных длин l_S и l_D стоковой и истоковой областей получаем:

при (1.14)

при (1.15)

Параграф

Повышающий смеситель

На вход повышающего смесителя подается сигнал ПЧ. Рассмотрим в представлении амплитудной α (t) и угловой модуляции φ(t):

На вход гетеродина приходит необходимый нам сигнал:

Тогда на выходе получаем:

Выходной сигнал содержит две составляющие: первая  - прямой порядок, которая называется верхней боковой полосой и характеризуется последовательностью частот спектра, и вторая - обратный порядок, или нижняя боковая полоса и характеризуется последовательностью частот спектра, обратной по отношению к сигналу ПЧ. Ненужная полоса должна подавляться фильтром.

Рис. 2.3 Спектры сигналов повышающего смесителя.

 

Понижающий смеситель

На вход понижающего смесителя подаётся сигнал ВЧ

и перемножается с сигналом гетеродина:

На выходе получаем

Сигнал содержит дополнительную составляющую с суммарной частотой, которую необходимо подавить с помощью фильтра.

Если ВЧ выше частоты гетеродина, получим сигнал ПЧ в прямом порядке с той же последовательностью частот (Рис.2.4а). В противном случае образуется сигнал ПЧ в обратном порядке с обращенной последовательностью частот (Рис.2.4б).

Рис. 2.4 Спектры сигналов в случае понижающего смесителя: а – в прямом порядке; б – в обратном порядке

Сигнал ВЧ, поступающий на выход понижающего смесителя, нередко содержит не только полезный сигнал с частотой , но и зеркальной сигнал с частотой , который также преобразуется с промежуточную частоту. В этом случае смеситель работает в прямом и обратном порядке. Это показано на рис. 2.5 на примере понижающего смесителя с ВЧ  в прямом порядке и зеркальной частотой  в обратном, причем последовательность частот зеркального сигнала инвертирована из-за обратного порядка.

 

Рис. 2.5 Зеркальная частота в случае понижающего смесителя в обратном порядке.

Рабочие характеристики

Аддитивное смешивание

При аддитивном смешивании происходит сложение сигналов промежуточной частоты и гетеродина, добавляется постоянная составляющая U₀, и результат подается на схемный элемент с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 2.6).

Рис. 2. 6 Принцип аддитивного смешивания

 

Усиление

Коэффициент усиления при преобразовании

Для тока через вывод ВЧ:

Рассмотрим транзисторный преобразователь частоты рис. N. Приращение тока стока транзистора может быть представлено формулой

где  – крутизна проходной характеристики транзистора, а коэффициент  зависит только от габаритов транзистора

Рис. 2.10. Аддитивный смеситель с почти квадратичной характеристикой на полевом транзисторе

 

Балансные смесители

Однотактным(небалансным) преобразователямчастотыприсущисущественныенедостатки:

неэкономичностьпопотребляемоймощностигетеродина,обусловленнаянеобходимостьюхорошейразвязкисигнальныхигетеродинныхцепейи,следовательно, слабойсвязимеждуними;

преобразованиешумовгетеродинавполосупропусканияУПЧ, засчетчегоувеличиваетсякоэффициентшумаприемникаиснижаетсяегореальнаячувствительность;

увеличениеколичествапобочныхканаловприемазасчетвозможногопреобразованиягармониксигналапогармоникамнапряжениягетеродина.

Балансныйпреобразовательчастотыпредставляетсобойсоединение

двухнебалансных. Нарис. 2.11приведенвариантсхемыбалансного

преобразователячастотысдвухтактнымвключениемфильтра

промежуточнойчастоты.

Рис. 2.11. Балансный смеситель а – базовая схема и б - токи

– напряжение гетеродина,  – напряжение ПЧ

Токи для КМОП дифференциальной пары:

где  – малосигнальная крутизна

Тогда значение выходных токов смесителя:

Для больших значений , выходной ток

где  можно показать как +1 если напряжение  положительное и -1 если  отрицательно

 Тогда, при изменении влияние на ток будет выглядеть как , где  крутизна источника тока

где  – проходная часть сигнала , и мультипликативное смешивание сигнала .

Двойной балансный смеситель

Рис. 2.11 Двойной балансный смеситель на КМОП схеме

 

 

Шум и линейность:

Коэф. шума, CP1, dB (недостаточно информации пока что)

0) Необходимо определиться с конечной целью сея работы

1) Найду схемы для описания балансного и дойного балансного смесителя (Up-/Downconversion) и на их основе просчитаю недостающие параметры, или найду общий вид

Извиняюсь еще раз за свою «расторопность»

Преобразователь частоты для интегральных КМОП приемных устройств.

Введение: описать место смесителя в структуре приемного устройства (что делает? зачем используется?), почему кмоп.

Современные приемно-передающие устройства целесообразно…, о перспективе, почему, сказать что кмоп могут уменьшить габариты и стоимость. Далее про блок смесителя и ссылка на схеме ДАННЫЙ БЛОК БУДЕТ ОСВЕЩАТСЯ В ПРОЦЕССЕ НАПИСАНИЯ

Смесители применяются для преобразования частоты в передатчиках и приемниках и наряду с усилителями и фильтрами принадлежат к важнейшим компонентам беспроводных систем связи. Будут рассмотрены смесители с преобразованием в низкие частоты и преобразованием в высокие частоты рис. 1.1, которые получаются путем приема и передачи соответственно.

Рис. 1.1 Структурная схема приемного устройства и функциональное назначение основных блоков