عنوان پایان‌نامه
تحلیل و طراحی تقویت کننده توان با توان خروجی بالا با تکنولوژی CMOSبرای کاربردهای WiMAX
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2125;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 54945
- تاریخ دفاع
- ۲۹ شهریور ۱۳۹۱
- دانشجو
- احمد راحتی بلاباد
- استاد راهنما
- ناصر معصومی, شاهین جعفرآبادی آشتیانی
- چکیده
- یکی از اهداف مهم صنعت ارتباطات بی¬سیم پیشرفته، تمام مجتمع¬سازی بخش‌های آنالوگ، دیجیتال و فرکانس بالا است. تاکنون بهترین راه¬حل برای مجتمع‌سازی مدارات، استفاده از تکنولوژی CMOS به خاطر هزینه پایین و قابلیت مجتمع-شدن آن بوده است. به هر حال به دلیل مشکلات ذاتی پروسس¬های CMOS استاندارد در فرکانس بالا، مانع از دستیابی طراحی مدارهایی با کارایی خوب در این فرکانس‌ها می‌شود. بنابراین پیاده‌سازی مدارهایی مانند تقویت‌کننده¬های توان در فرکانس بالا هنوز دارای چالش و بحث است .تقویت¬کننده¬های توان یکی از بلوک‌های اصلی برای ساختن سیستم¬های مخابراتی پیشرفته و از چالش‌برانگیزترین آن‌ها در طراحی فرستنده¬-گیرنده¬های فرکانس بالا می‌باشند. اخیراً، تکنولوژی WiMAX که از مدولاسیون OFDM استفاده می‌کند در حال گسترش می‌باشد به دلیل اینکه WiMAX کارایی و پهنای باند بیشتری در مقایسه با تکنولوژی G3 دارا می‌باشد. استاندارد WiMAX نرخ اطلاعات Mbps15 و پهنای باند MHz28 با پوشش بی¬سیم چهار تا شش مایل تأمین می‌کند. به هر حال، مدولاسیون OFDM در WiMAX محدودیت‌های بسیاری در تکنولوژی CMOS مقیاس شده اعمال می‌کند. به دلیل اینکه توان خروجی و بازدهی زیاد برای تقویت‌کننده¬های توان در سایر استانداردها از جمله WiMAX مورد نیاز است، امروزه تقریباً تمام تقویت‌کننده¬های توان در بازار با استفاده از نیمه¬هادی‌های مرکب III-V ساخته می‌شوند. خیلی سخت است تا این نیازها را با استفاده از تکنولوژی CMOS به دلیل محدودیت‌های ذاتی آن برآورده سازیم. از طرف دیگر به دلیل هزینه بالای ساخت تکنولوژی‌های III-V، انگیزه فراوانی به سمت تکنولوژی CMOS به عنوان روشی برای ساخت تقویت‌کننده¬های توان ایجاد شده است. هدف از انجام این تحقیق طراحی و پیاده‌سازی تقویت‌کننده توان فرکانس بالای CMOS با توان خروجی بالا برای استاندارد WiMAX با جبران کردن برخی معایب تکنولوژی CMOS در حوزه فرکانس بالا می‌باشد. در این پایان نامه ترانسفورماتور ترکیب موازی PCT لایه لایه به عنوان شبکه ترکیب توان و تطبیق امپدانس پیشنهاد شده است. نتایج شبیه‌سازی کامل نشان می‌دهد که PCT لایه لایه راه¬حل مناسبی برای به دست آوردن توان خروجی بالا در کاربردهای سلولی می‌باشد. برای به دست آوردن خطی بودن مناسب و بازدهی بالا، تقویت¬کننده توان کلاسA و B به صورت ترکیب موازی پیشنهاد شده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که این ترکیب موازی باعث خطی شدن هدایت انتقالی تقویت‌کننده توان در محدوده وسیعی می‌شود. همچنین، با استفاده از این روش، محدوده دینامیکی وسیع و بازدهی خوبی برای این تقویت‌کننده توان به دست می‌آید. این تقویت‌کننده توان پیشنهادی با منبع تغذیه V3/3 ماکزیمم توان خروجی dBm5/32 و بازدهی با توان اضافه شده 9/37% در فرکانس GHz4/2 به دست می‌آورد. تقویت کننده پیشنهادی توان خروجی ماکزیمم dBm2/32 در نقطه فشردگی dB1 به دست می‌آورد. نتایج شبیه سازی برای تقویت‌کننده توان پیشنهادی با سیگنال OFDM نشان می‌دهد که اندازه بردار خطای dB31- در توان متوسط خروجی dBm5/24 به دست می‌آید. دستاورد مهم این تحقیق ارایه روش طراحی و پیاده‌سازی یک تقویت‌کننده توان CMOS با توان خروجی بالا می‌باشد که می¬تواند در استاندارد WiMAX (802.16e) مورد استفاده قرار بگیرد.
- Abstract
- One of the most important goals of advanced wireless communication industry is the full integration of analog, digital, and high frequency parts of circuits. So far, a best solution to achieve the mentioned goal has been the use of CMOS technology because of its low cost and integration capability. However, because of inherent problems of CMOS technology at high frequencies, design of high performance high frequency circuits have been very difficult. As such, implementation of circuits such as high frequency power amplifiers using CMOS process is still a challenging work. Power amplifiers are main building blocks of advanced wireless communication systems and one of the most challenging blocks in designing RF transceivers. Recently, the WiMAX (802.16e) technology which employs OFDM modulation has been widely developed because of WiMAX has higher bandwidth and better performance compared to the 3G technology. The WiMAX standard provides up to 15 Mbps of data rate and 28 MHz of signal bandwidth with a wireless coverage of four to six miles. However, using OFDM modulation in WiMAX causes a lot of restrictions in scaled CMOS technology. Since in most standards such as WiMAX a high efficiency and a high output power is required for power amplifiers, almost all of the power amplifiers in the wireless market are fabricated using III-V compound semiconductors. To achieve the key features of commercial RF PA products using CMOS technology is a very difficult task because of its intrinsic problem. On the other hand, higher fabrication expenses of III-V devices has motivated RF circuit designers to use CMOS technology as a promising approach for fabrication of power amplifiers in this technology. The goal of this research is design and implementation of a high frequency and high output power CMOS power amplifier for WiMAX standard, so that to overcome the intrinsic weaknesses of the CMOS process at high frequencies. An interleaved parallel power-combining transformer as a power combiner and impedance matching has been proposed and designed in this research. The simulation results show that the interleaved PCT is one of the best approaches to achieve a high output power in cellular applications. Additionally, a class A&B power amplifier as a parallel structure has been proposed to achieve an appropriate linearity and high efficiency. The simulation results show that the proposed structure causes the transconductance of the power amplifier to be linear in a wide range. Also, a wide dynamic range and a high efficiency are obtained for the proposed power amplifier using the parallel A&B combination. The proposed PA with a 3.3 V power supply provides a maximum output power of 32.5 dBm and a power added efficiency of 37.9% at 2.4 GHz operating frequency. Furthermore the PA exhibits a high output power of 32.2 dBm at 1dB compression point. The simulation results for this PA with the modulated OFDM signal show that -31 dB error vector magnitude at the average power of 24.5 dBm can be achieved. One importantachievement of this research is that it offers a design and implementation methodology for CMOS power amplifier with a high output power for WiMAX applications.
