Abbas golmakani PHD Thesis

ا

هاسلفزي

ی

ق ی ند

ک

ساز و بهينه RFع

ی کا ل

ادا م ی

دا م

ی ند ه ا

ق وه

ر سا یاد

یک رو ش ال

طراحي ،مجتمع هاي

ک: نده باس گل

ر : ما لد خ

تان ٨٨ ز

د

رس پایان

ش ا

CADزار

همدارو

ن ه

تاد ماا را

ز

ابزرايه يك ار

: چكيدهسازي پياده، RF مجتمع هايسازي مدارطراحي و بهينهبه منظور CAD ابزار يك رسالهدر اين

توجه به عناصر ،CMOSدر تكنولوژي RFمهم در طراحي مدارهاي مجتمع مسأله. شده استمحاسبات دستي طراحي را مسألهو اين استهاي مجتمع آن و سلف ، خازنپارازيتيك ترانزيستور

آنها و جانماييبا توجه به هاي دقيق عناصر استفاده از مدلابزار يك ويژگي مهم اين . كندپيچيده ميبه واقعيت بسيار نزديك مدهبدست آلذا جواب استعناصر پارازيتيك در طراحي نظر گرفتن كلية در

. استالگوريتم ژنتيك مبتني بر جبهه " با نام يالگوريتم ،RFسازي مدارهاي براي بهينهدر اين رساله

بيروني پارتو در يك مجموعة مجموعة اعضاء جبهةاين روش در . شده است ارايه "1توزيع شده يپارتوكنند به را برآورده مي مسألهپارتو كه شرايط اعضاء جبهةدسته از در نهايت آن. شوندنگهداري ميتر از بين جوابهاي قابل قبول دست كاربر در انتخاب جواب مناسب .شوندنهايي ارايه مي هايعنوان جواب

سرعت همگرايي بهتر اين . باز خواهد بود مسألههاي خاص نهايي، با توجه به نيازها و محدوديتهاي الگوريتم با برنامه .نمونه نشان داده شده است مسألههاي متداول با چند الگوريتم در مقايسه با روش

Matlab نوشته شده است و شبيه سازي مدار بوسيله Hspice-RF با تكنولوژيCMOS 0.18um صورت .گرفته است

و Cascode ،Folded Cascodeهاي شامل تركيب ،مجتمع LNAار در اين رساله چندين ساختCascode اين مدارها با استفاده از. ه استحذف تصوير معرفي شدفيلتر ارايه شده و براي آنها تفاضلي

كامالً CMOS 2گسترده ةيك تقويت كنند همچنين .اندهدشبهينه و طراحي ارايه شده، CAD ابزار . استه هاي اپتيكي پهن باند طراحي و بهينه شدبراي كاربردهاي ارتباطات بيسيم و گيرنده ،مجتمع

ه هاي مجتمع ارايه شديك ساختار جديد براي پياده سازي سلف ،رسالهاين بخش ديگر درپياده سازي شده CMOSهاي مختلف فلزي در تكنولوژي اين ساختار بصورت سلنوييدي در اليه. استبراي مقادير مختلف ابعاد قطر ،Sonnet تحليل الكترومغناطيسي ها بوسيله نرم افزاراين سلف. است

استخراج شده است سپس يك مدل شبكه 20GHzآنها تا فركانس Sسازي و پارامترهاي داخلي شبيهرا در Sادير پارامترهاي عصبي براي آن ارايه شده كه با دريافت قطر داخلي و فركانس مورد نظر مق

سلف سلنوييدي مناسب براي كاربردهاي مختلف طراحي ،با استفاده از اين مدل. كندخروجي توليد ميهاي چند ها نسبت به سلفبا شبيه سازي نشان داده خواهد شد كه اين سلف رسالهدر اين . شده است

.خواهند داشتكاربردهاي مختلف دركيفيت بهتري متداول الية

1 Distributed Pareto-Based Genetic Algorithm 2 Distributed Amplifier

:قد و

ری ع د ل ل ا ه اد ، ک ی ر ما ند د تاد ار قد و از ا ،با

ا دما را پدرا ود .ی

ن دوره ید م ا ه اسا م طا ،با از ک و ھا آ . زیادی از آ

یا، را ن ا ه دی تاد دا ی ا وزا ر ودبا از د ا یاری ود ھای ما دت با را ن .دا

ود ی ا ورا ھ کالت، ی ما ا با ن رسا جام ا ل ا ا رم .و با از ھ

:فهرست مطالب مقدمه -1

1 ................................................................................. انتخاب موضوععلت -1-1

5 ................................................................در زمينه رساله كارهاي انجام شده -1-2

12 ................................................................... آنچه در اين رساله انجام شده -1-3

تئوري -2

RF ................................................................................. 14پارامترهاي طراحي در -2-1 14 ............................................................................................................عدد نويز - 1-1- 2

15 ............................................................................................ حساسيت -2-1-2 15 .................................................................................... اثرات غير خطي -2-1-3

18 . .................................................................................. گستره ديناميكي - 1-4- 2 19 ...............................................................................ساختار فرستنده و گيرنده ها -2-2

19 ................................................................................................. هتروداينگيرنده - 2-1- 2 23 ....................................................................................گيرنده و فرستنده هموداين - 2-2- 2

MOSFET ....................................................................... 26منابع نويز ترانزيستور -2-3 26 ................................................................................................نويز حرارتي كانال - 3-1- 2 26 ...............................................................................................نويز القاء شده گيت - 3-2- 2 27 ...................................................................شده گيت نويز حرارتي مقاومت توزيع - 3-3- 2 28 ..............................................................................................................نويز فليكر - 3-4- 2

29 ........................................................................................... روشهاي بهينه سازي -2-4 30 ........................................................................... مروري بر الگوريتمهاي تكاملي -2-5

32 ..................................................................................................................الگوريتم ژنتيك -2-6 33 .. .......................................................................................... توليد جمعيت اوليه - 6-1- 2 34 .............................................................................................تابع هزينه محاسبه - 6-2- 2 35 ...................................................................................................توليد نسل بعد - 6-3- 2 36 ........................................................................................ شرط توقف الگوريتم - 6-4- 2

37 ....................................................................... (MOGA)الگوريتم ژنتيك چند هدفه -2-7

37 ......................................................................... تك هدفه مسألهبه يك مسألهتبديل - 3-1- 3

37 ............................................................................... بهينه سازي بر اساس جبهه پارتو - 3-2- 3

بهينه سازي پيشنهادي الگوريتم -3 پيشنهادي با عنوانالگوريتم بهينه سازي -3-1

40 ............................................... "الگوريتم ژنتيك مبتني بر جبهه پارتوي توزيع شده "

41 .................................................................................................... محاسبه توابع هزينه - 1-1- 3

44 .............................................................................................. پارتوروز كردن جبهه به - 1-2- 3

45 ............................................................................................................. توليد نسل بعد - 1-3- 3 DPGA-II ............................................................... 48الگوريتم اصالح شده با نام -3-2

48 ...................................................................................... نحوه انتخاب از جبهه پارتو - 2-1- 3

49 ....................................................................... جبهه پارتومحدود كردن تعداد اعضاء - 2-2- 3 50 ....................نمونه مسألهمقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر در چند -3-3

RFمدلسازي المانها در -4

56 ............................................................................................................... مقدمه -4-1 57 .................................................................اثرات غير ايده آل سلفهاي مجتمع -4-2 59 ...............................................................................پارامترهاي طراحي سلف -4-3 62 .......................................................................................سلف هاي چند اليه -4-4 65 ............................مدلسازي سلف با نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي سه بعدي -4-5

67 .......................................................................... شبيه سازي سلف چند اليه مارپيچي - 5-1- 4 68 ...................................................................... شبيه سازي سلف با ساختار سلنوييدي - 5-2- 4

70 ......................................................................... عصبي مدلسازي سلف با شبكه -4-6 75 ....................................... نتايج شبيه سازي سلفهاي چند اليه و سلف سلنوييدي -4-7

77 ................................................................................................. طراحي سلف -4-8 TSMC ........................................................ 81تكنولوژي سازي عناصر در مدل -4-9

MOS ................................................................................................. 81ترانزيستور - 9-1- 4 82 .......................................................................................... سلف مجتمع مارپيچي - 9-2- 4 MIM ......................................................................................................... 84خازن - 9-3- 4

با فيلتر حذف تصوير LNA مدارهايبهينه سازي -5 LNA ........................................................................................ ..... 86طراحي -5-1

LNA ...................................................................................... 91چند ساختار -5-2

Cascode ................................................................................................ 91مدار - 2-1- 5

92 ........ ..............................................................................تفاضلي Cascodeمدار - 2-2- 5

92 ................................................... (folded cascode)تا شده Cascodeمدار - 2-3- 5

93 ............................................................... با فيلتر حذف تصوير LNA مدارهاي -5-3 94 ..................................................................با فيلتر حذف تصوير Cascodeمدار - 3-1- 5 95 ........................................................تا شده با فيلتر حذف تصوير Cascodeمدار - 3-2- 5 96 ......................................................تفاضلي با فيلتر حذف تصوير Cascodeمدار - 3-3- 5

97 ............................................................................و بهينه سازي نتايج طراحي -5-4

Cascode ...................................................................... 98با ساختار LNAمدار - 4-1- 5 100 ...................................................... با فيلتر حذف تصوير LNA Cascodeمدار - 4-2- 5 102 ........................................ با فيلتر حذف تصوير تفاضلي LNA Cascodeمدار - 4-3- 5 105 ..................................... با فيلتر حذف تصوير LNA Cascode Foldedمدار - 4-4- 5

108 .........................................................داف طراحي ميزان تقابل بين اهبررسي -5-5

116 .................................................... پروسس –ولتاژ -تحليل در گوشه هاي دما -5-6

بهينه سازي مدار تقويت كننده گسترده -6

118 ....................................................................................... آلخط انتقال ايده -6-1

120 ....................................................................................... خط انتقال با تلفات -6-2

121 .................................................................................... تقويت كنندة گسترده -6-3

126 ......................................................................................... آلاثرات غير ايده -6-4

130 ......................................................... تقويت كننده گسترده با المانهاي فشرده -6-5

131 ................................... طراحي و بهينه سازي يك تقويت كننده گسترده نمونه -6-6

و پيشنهادات نتيجه گيري -7

136 .................................................................................................. نتيجه گيري -7-1

138 .............................................................................. پيشنهاداتي براي ادامه كار -7-2

140 ................................................................................................................................ مراجع 146 ................................................................................................................. كلمات اختصاري

:جداولفهرست

51 ............................................... سازي نمونه و محدودة تغييرات پارامترهامسائل بهينه 1-3جدول 53 .............................نسل 1000نتايج مقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر پس از 2-3جدول 54 ...........................نسل 10،000نتايج مقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر پس از 3-3جدول 0.18um....................................................... 65هاي هادي در تكنولوژي ضخامت و فاصله اليه 1-4جدول 66 .........................................................الكتريك بين فلزاتهاي ديضخامت و مشخصات اليه 2-4جدول 72 هاي سلنوييدي و چنداليهحالت سلفهاي عصبي آموزش داده شده براي دو مشخصات شبكه 3-4جدول 80 ..........................................................نتايج بهينه سازي سلف با شرايط و فركانسهاي مختلف 4-4جدول 82 ..........................................................................محدودة مجاز ابعاد سلفهاي شبيه سازي شده 5-4جدول 84 ..............................................................................................مقادير عناصر مدار معادل سلف 6-4جدول 97 .................................................................................................طعاتقمحدودة تغييرات ابعاد 1-5جدول 5.7GHz............................................. 98در فركانس Cascodeبا ساختار LNAنتايج طراحي 2-5جدول 1.9GHz............ 100با فيلتر حذف تصوير 5.7GHzدر فركانس LNA Cascodeنتايج طراحي 3-5جدول با فيلتر حذف تصوير 5.7GHzتفاضلي در فركانسLNACascodeنتايج طراحي 4-5جدول

1.9GHz.............................................................................................................................. 103 4GHz 106با فيلتر حذف تصوير 2.4GHzدر فركانس LNA Cascode Foldedنتايج طراحي 5-5جدول 108 ............................................................................ قابل قبولاهداف طراحي و حداقل شرايط 6-5جدول 116 ......اندها عملكرد مناسبي داشتهجواب منتخب كه در كليه گوشه 4مقادير پارامترهاي ورودي 7-5جدول 117 ..................................................... هادر كليه گوشه 1نتايج پارامترهاي خروجي پاسخ شماره 8-5جدول 117 ..................................................... هادر كليه گوشه 2نتايج پارامترهاي خروجي پاسخ شماره 9-5جدول 117 ..................................................... هادر كليه گوشه 3نتايج پارامترهاي خروجي پاسخ شماره 10-5جدول 117 ..................................................... هادر كليه گوشه 4نتايج پارامترهاي خروجي پاسخ شماره 11-5جدول 134 ...............................................................................................حداقل شرايط مطلوب طراحي 1-6جدول 134 ..............................................تقويت كننده گسترده جوابهاي قابل قبول حاصل از بهينه سازي 2-6جدول

:هاشكلفهرست

2 ................................................................................ساختار كلي يك فرستنده و گيرنده مجتمع 1-1شكل 5 ........................................................................................................[1]الگوريتم كاري مرجع 2-1شكل 6 ........................................................................................................[9]الگوريتم كاري مرجع 3-1شكل 8 ....................................................................................................[70]الگوريتم كاري مرجع 4-1شكل 9 ....................................................................................................[73]الگوريتم كاري مرجع 5-1شكل 10 .................................................................................................[74]روش بهينه سازي مرجع 6-1شكل dB............................................................................................................... 16-1نقطه فشردگي 1-2شكل 16 ...................................................................................................اثر اينترمدوالسيون مرتبه سوم 2-2شكل 17 ...........................................................................................................نقطه تقاطع سوم ورودي 3-2شكل 18 .........................................................................................تعريف توان رد شده به كانال مجاور 4-2شكل SFDR.............................................................................................................. 19نحوه محاسبه 5-2شكل 20 ...................................................................................................ساختار يك گيرنده هتروداين 6-2شكل 21 ..................................................................................................[16]گيرنده هتروداين مرجع 7-2شكل 21 ................................................................................................[17] گيرنده هتروداين مرجع 8-2شكل 22 .............................................................................[24] در گيرنده مرجعIFانتخاب فركانس 9-2شكل 22 ....................................................................................[4] گيرنده و فرستنده هتروداين مرجع 10-2شكل 23 ............................................................................................[19] گيرنده و فرستنده هموداين 11-2 شكل IEEE 802.11a [16]...................................................... 24حذف ولتاژ آفست در استاندارد 12-2شكل 25 ................................................................................................................اثر اعوجاح مرتبه دوم 13-2شكل MOSFET........................................................................................................ 26منابع نويز در 14-2شكل MOSFET.................................................................................................... 26مدل نويز گيت 15-2شكل 33 ........................................................................................................فلوچارت الگوريتم ژنتيك 16-2شكل 38 .........................................................................................مفهوم غالب بودن و جبهه بهينه پارتو 18-2شكل DPGA...................................................... 40فلوچارت الگوريتم بهينه سازي پيشنهادي با عنوان 1-3شكل 41 ...................................................................................................................محاسبه توابع هزينه 2-3شكل 45 ..................................................................................................................نحوه توليد نسل بعد 3-3شكل 49 .......................................................................................................نحوه محاسبه فاصله ازدحام 4-3شكل ZDT6............................................................................. 53تابع اول-ب KURتوابع -الف 5-3شكل 57 ........................................................مدار معادل آن)ب(ساختار )الف(سلف مارپيچي مربعي 1-4شكل 59 .............................................................................مدل ساده شده سلف براي محاسبه مقدار آن 2-4شكل W=10um, 2R=80um..................... 61مقدار سلف سلنوييدي بر حسب فركانس براي سلف 3-4شكل 62 .......................................باال IFمدار ميكسر با فركانس )ب(LNAمدار تقويت كننده) الف( 4-4شكل

63 ..............................................................................................................سلف دواليه مارپيچي 5-4شكل 64 .......سلف سه اليه) ب(سلف دواليه )الف(سلف چند اليه مارپيچي و خازنهاي پارازيتيكي آن 6-4شكل CMOS 0.18um TSMC................................................. 66هاي مختلف در تكنولوژياليه 7-4شكل Sonnetسلف مارپيچي مربعي يك اليه پياده سازي شده در 8-4شكل

(N=2.5, W=15um, S=1.5um, 2R=100um)......................................................... 67 سلف چند ال يه مارپيچي شبيه سازي شده 9-4شكل

(N=4, W=10um, S=1.5um, 2R=100um)............................................................ 68 69 ............................................(W=15um, 2R=100um)سلف سلنوييدي شبيه سازي شده 10-4شكل 71 ..........................سلف سلنوييدي) ب(سلف چند اليه مارپيچي)الف(مدلسازي با شبكه عصبي 11-4شكل 73 ....................مدل سلف سلنوييدي) ب(مدل سلف چنداليه)الف(مقادير خطا در حين آموزش 12-4شكل و داده هاي نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي براي داده ANNتابع رگرسيون بين خروجي شبكه 13-4شكل

74 .....................................مدل سلف سلنوييدي) ب(مدل سلف چنداليه ) الف( testهاي دسته ضريب ) ب(مقدار سلف) الف(يدي با تغيير قطر داخليمنحني تغيير مشخصات سلف سلنوي 14-4شكل

76 ......................................................................................................فركانس تشديد) ج(كيفيت ضريب ) ب(مقدار سلف ) الف(منحني تغيير مشخصات سلف چنداليه با تغيير قطر داخلي 15-4شكل

76 ......................................................................................................فركانس تشديد) ج(كيفيت 81 ..........................ترانزيستور layoutساختار)ب(NMOSترانزيستورRFمدار معادل) الف( 16-4شكل 83 ...........................................سلف استانداردمدار معادل)ب(ساختار سلف مارپيچيچند )الف( 17-4شكل 85 ...........................................بدون شيلد)ب(با شيلد زمين شده)الف(MIMمدار معادل خازن 18-4شكل ac...................................................................... 86مدار معادل)ب(كسكودLNAمدار) الف( 1-5شكل ac............................................ 88مدار معادل )ب(كسكود با سلفهاي تطبيق LNAمدار) الف( 2-5شكل Cascode........................................................................................... 91، با ساختارLNAمدار 3-5شكل 92 ..............................................................................تفاضلي Cascodeبا ساختار LNAمدار 4-5شكل 93 .................................................................................تاشدهCascodeبا ساختار LNAمدار 5-5شكل 94 ........................................................................با فيلتر حذف تصويرLNA ،Cascodeمدار 6-5شكل 95 ..........................................................................تا شده با فيلتر حذف تصويرCascodeمدار 7-5شكل نيم مدار معادل ) ب( تفاضلي با فيلتر حذف تصوير LNA،Cascodeمدار) الف( 8-5شكل

96 ..........................................................................................................................ديفرانسيل فيلتر Cascode........................ 99با ساختار LNAجوابهاي منتخب مدارNFوSنمودار پارامترهاي 9-5شكل 102 ......با فيلتر حذف تصوير LNACascodeجوابهاي منتخب مدارNFوSنمودار پارامترهاي 10-5شكل تفاضلي با فيلتر حذف LNACascodeجوابهاي منتخب مدارNFوSنمودار پارامترهاي 11-5شكل

104 .....................................................................................................................................تصويربا فيلتر حذف LNACascode Foldedجوابهاي منتخب مدارNFوSنمودار پارامترهاي 12-5شكل

107 ....................................................................................................................................تصوير

109 .......................................................توان مصرفي براي اعضاء جبهه پارتو–بهرهمنحني مقادير 13-5شكل 109 .............................................................عدد نويز براي اعضاء جبهه پارتو–منحني مقادير بهره 14-5شكل 110 .....................................................مساحت تراشه براي اعضاء جبهه پارتو–منحني مقادير بهره 15-5شكل 111 ..................................................................براي اعضاء جبهه پارتوS11–منحني مقادير بهره 16-5شكل 111 ...................................................................براي اعضاء جبهه پارتوS22–منحني مقادير بهره 17-5شكل 112 ..................................................... براي اعضاء جبهه پارتو S22بر حسبS11منحني مقادير 18-5شكل 113 ................................................ بر حسب عدد نويز براي اعضاء جبهه پارتوS11منحني مقادير 19-5شكل 113 ...................................... منحني مقادير توان مصرفي بر حسب عدد نويز براي اعضاء جبهه پارتو 20-5شكل 114 ............................................ بر حسب توان مصرفي براي اعضاء جبهه پارتوS22منحني مقادير 21-5شكل 114 ................................................. بر حسب عدد نويز براي اعضاء جبهه پارتوS22منحني مقادير 22-5شكل 115 .................................... تراشه براي اعضاء جبهه پارتومنحني مقادير عدد نويز بر حسب مساحت 23-5شكل 115 .............................. منحني مقادير توان مصرفي بر حسب مساحت تراشه براي اعضاء جبهه پارتو 24-5شكل 118 ....................................................................مدار معادل توزيع شده آن)ب(خط انتقال) الف( 1-6شكل 119 ...................................................................پله جريان اعمال شده به يك خط انتقال بي نهايت 2-6شكل 120 .........................................................................................مدل توزيع شده خط انتقال با تلفات 3-6شكل 122 ..............................................................................................................مدار سورس مشترك 4-6شكل 123 ........................نحوه باياس و مقاومتهاي انتهايي خطوط)ب(تقويت كننده گسترده پايه) الف( 5-6شكل 126 ....................................................................تقويت كننده گسترده به همراه پيش تقويت كننده 6-6شكل 127 ...................................................................................اثر تلفات در يك تقويت كننده گسترده 7-6شكل 128 ...............................................................شكل يك تقويت كننده گسترده براي محاسبه تلفات 8-6شكل Cascode................. 129كاهش اثر ميلر با تركيب )ب(اثر ميلر در تقويت كننده گسترده) الف( 9-6شكل 130 ...................................................................................تقويت كننده گسترده با المانهاي فشرده 10-6شكل 132 .....................................................................رسالهتقويت كننده گسترده مورد استفاده در اين 11-6شكل 135 ........................................................................سه جواب مختلفS22وS21،S11مقادير 12-6شكل 139 ...........................................................................................سلف سلنوييدي چند دور ساختار 1-7شكل

ل اول

قد

1

:داليل انتخاب موضوع -1-1

توجه يكي از علل ، )SoC1( هايي بر روي يك تراشهيستمتقاضاها براي ساخت سافزايش

عناصر ساخته شده در چون. است CMOSتكنولوژي با استفاده از RFمجتمع مدارهايبه ساخت

ي داراي عناصر پارازيتيك بيشتر SiGeو GaAsهاي در مقايسه با تكنولوژي CMOSتكنولوژي

بدون در نظر گرفتن عناصر پارازيتيك نتايج معتبري اين تكنولوژي درفركانس باال هستند، طراحي

.]1[ نخواهد داشت

وجود هاي متفاوتي انتخاباز نظر تكنولوژي ساخت RFمجتمع مدارهايبراي ساخت

-وژيتكنولبرخي از . GaAs و CMOS ،BiCMOS ، Silicon-On-Insulator: دارد كه عبارتند از

داراي ولتاژ شكست بيشتر و تلفات بدنه GaAs و BiCMOS، Silicon-On-Insulator هاي

ها داراي ضريب كيفيت هاي ساخته شده در اين تكنولوژيها و خازنسلفو هستند يكمتر

كمترين هزينه ساخت را CMOS ولي تكنولوژي باشندمي CMOSتكنولوژي به بيشتري نسبت

ساخته شده در فركانسهاي MOSFETميكرون جديد ترانزيستورهاي هاي زيردارد و با تكنولوژي

حاصلضرب طول كانال CMOSبه طور تقريبي در تكنولوژي .]2[ عملكرد مناسبي دارندنيز باال

باشد و با كم شدن طول كانال به همان نسبت فركانس ميآن ثابت Tfترانزيستور و حداكثر مقدار

90GHz-80 حدوداTfًمقدار ،0.13umدر تكنولوژي مثالً. يابدميافزايش ترانزيستورها ريكا

افزايش .[3] خواهد رسيد 120GHzبه بيش از فركانس اين 90nmدر تكنولوژي كهباشد مي

در RFع مجتم مدارهايداليل مهم پيشرفت بيشتر جمله از ساخت و كاهش هزينه فركانس كاري

.باشدمي CMOS تكنولوژي

Igmبعلت مقدار كمتر نسبت CMOS در ابعاد مشابه، ترانزيستورهاي در مقايسه با /

،هترخطي ب رفتارحساس تر بوده ولي بعلت تبه عناصر پارازيتيك اتصاال Bipolar هايترانزيستور

1 System on a Chip

2

بعلت هزينه ساخت كم و امكان توسعه تكنولوژياين .]3[ گستره ديناميكي بيشتري دارند

در توسعه ،هاي ديجيتال بر روي يك تراشهو قسمت RFهاي هاي مجتمع شامل قسمتسيستم

RFIC ده هاي تجاري ساخته شتعداد تراشه .مورد توجه قرار گرفته استRFIC ، با تكنولوژي

CMOS ي غالب در بسياري از تبديل به تكنولوژاين تكنولوژي افزايش يافته و به طور محسوسي

،(WLAN2)بيسيم LANهايتوان به شبكهاز جمله اين كاربردها مي .]4[ كاربردها شده است

، GPS5هاي ، گيرنده4هاي موبايل، ارتباط بلوتوثهاي بيسيم، گوشيتلفن ،WPAN3هاي شبكه

ي از راه دور هاي اندازه گيرسيستم ،اتوماسيون منازل، WiMax، شبكه بيسيم RFID6هاي سيستم

.و كنترل و مانيتورينگ در صنعت اشاره كرد

هاي يك فرستنده و گيرنده شامل بخش كليةدر يك تراشه فرستنده و گيرنده مجتمع،

ديجيتال مدوالسيون و دمدوالسيون و بخش داده، بخش مبدلهاي IF، بخش آنالوگ RFهاي بخش

بخش كوچكي از كل مدار است RFخش اگرچه ب). 1- 1شكل(اند در داخل يك تراشه ساخته شده

مصرفي تراشه را به خود اختصاص ولي گلوگاه اصلي طراحي است و سهم زيادي از مساحت و توان

. [5]دهدمي

-سازي موجب شده است كه تحقيقات چند سال اخير بر روي تراشهمجتمعافزايش ميزان

كنند كه در اين را حمايت ميهايي انجام شود كه چند باند فركانسي و چند پروتكل ارتباطي

. [6]بيشتر و بيشتر خواهد بود RFها اهميت بخش تراشه

2 Wireless Local Area Network

3 Wireless Personal Area Network 4 Bluetooth

5 Global Positioning System 6 RF Identification

3

ساختار كلي يك فرستنده و گيرنده مجتمع: 1-1شكل

:عبارتند از RFطراحي بخش تمشكال

حساس بودن به عناصر پارازيتيك - 1

دقيق نبودن روابط طراحي - 2

مشكل بودن محاسبات دستي - 3

زياد در طراحي نياز به سعي و خطاي - 4

پسيو مجتمع قطعاتهاي دقيق از نبودن مدل - 5

اي با توجه به مشكالت فوق و براي كوتاه كردن زمان و كم كردن هزينه طراحي تحقيقات گسترده

CAD7هاي معتبري با عناوين ژورنال. در حال انجام است RF مدارهايدر جهت طراحي اتوماتيك

اين تحقيقات هم در .كنندات در اين زمينه را منتشر ميد كه نتايج تحقيقنوجود دار CAE8يا

مدارهايسازي هاي مجتمع و هم در جهت بهينهپسيو از قبيل سلف قطعاتجهت مدلسازي

. مختلف در حال انجام است

7 Computer Aided Design

8 Computer Aided Engineering

4

:بداليل زير اهميت و جايگاه اين تحقيقات در آينده بيشتر خواهد شد

سازي ، در آينده امكان پياده)ترهاي سريعتركامپيو(باال رفتن سرعت انجام محاسبات اب - 1

سازي مدار بيشتر در طراحي و بهينه طوالنيهاي تر و انجام تحليلهاي پيچيدهالگوريتم

.يي اين ابزارهاي طراحي خواهد شدشود و اين موجب افزايش دقت و كارآمي

تر، پايينبراي رسيدن به پهناي باند بيشتر و با توجه به پر شدن باندهاي فركانسي - 2

تا فركانس كاري افزايش است بطوريكه مرتباً رو به هاهفركانس كاري فرستنده و گيرند

با افزايش فركانس كاري عناصر پارازيتيك . [7] افزايش يافته است 60GHzفركانس

كفايت پس طراحي دستي . كردصرفنظر توان از آنها نميشده و ترمهم تو اتصاال قطعات

سازي استفاده از ابزارهاي مدلسازي، طراحي و بهينه فقط با اين مدارها و طراحي كندنمي

.ممكن خواهد بود

است ترانزيستورها شده Tfفركانس باعث افزايش سازي ضمن آنكه مجتمعافزايش ميزان - 3

توان به مي از جمله اين مشكالت. ه استكردايجاد RFاما مشكالتي هم در طراحي

بهره و نتغذيه، كاهش مقاومت خروجي ترانزيستورها و در نتيجه كم شد ش ولتاژكاه

با توجه به اين مشكالت ضمن . [8]افزايش جريان نشتي گيت ترانزيستورها اشاره كرد

سازي مدار نيز بيش از تري براي انجام محاسبات نياز داريم، بهينهآنكه به روابط دقيق

.رسدپيش ضروري به نظر مي

تكنولوژي در RF مدارهايسازي و بهينهطراحي ابزاري براي ،رسالهتوجه به مطالب فوق در اين با

CMOS شودنجام ميامجتمع طراحي مدار بصورت كامالً كه در آن ارايه شده استاستاندارد،

قطعهشده و هيچ در نظر گرفته on-chipبصورت هاسلف كليةبطوريكه فيلترهاي حذف تصوير و

هاي مجتمع ارايه همچنين در اين رساله راهكاري براي مدلسازي سلف .نياز نخواهد داشت خارجي

.شده است

5

:در زمينه رسالهكارهاي انجام شده -1-2

با در نظر گرفتن عناصر RF مدارهايطراحي براي يك روش ،J. Park [1]آقاي

، PSOازي بر اساس سبخش بهينهشامل يك ه كه كردمعرفي PSO9پارازيتيك بوسيله الگوريتم

.)2-1شكل ( استو يك بخش مدلسازي عناصر پارازيتيك Hspiceسازي مدار با يك بخش شبيه

[1]الگوريتم كاري مرجع : 2-1شكل

Bond Wireهاي مارپيچي و مدلي ساده براي سلف ،بخش مدلسازي عناصر پارازيتيكدر

ارايه شده Momentomومغناطيسي سه بعدي سازي الكتر، با نرم افزار شبيه0.35umدر تكنولوژي

و يك 8dBبا بهره 8GHzچهار طبقه در فركانس 10در اين مرجع يك تقويت كننده گسترده .است

طراحي و 900MHzدر فركانس 1.2Wبا توان خروجي Cascodeتقويت كننده سه طبقه متوالي

به مسألهف مختلف و تبديل سازي بر اساس تركيب اهداالگوريتم بهينه. سازي شده استبهينه

.يك هدفه بوده است مسأله

9 Particle Swarm Optimization 10 Distributed Amplifier

6

Min Chu وAllstot [9]مدارهايسازي ، الگوريتمي براي بهينهRF الگوريتم ژنتيك با نام

. دهدروش كار را نشان مي 3-1 شكل. اندكردهارايه ، (ENSGA)11نخبه گراي مرتب شده غيرغالب

سازي شده و در نهايت ريتم ژنتيك چندهدفه پيادهسازي بر اساس الگودر اين روش هسته بهينه

و ابعاد ترانزيستورها بوسيله واحد بهينه تاقطعاندازه ابتدا . دهدمجموعه جواب بهينه پارتو را مي

عناصر پارازيتيك توسط واحد مدلسازي شامل قطعهو سپس مدل دقيق هر دهسازي پيشنهاد ش

نرم يك سازي بوسيله شبيهدر مرحله بعد .دونشيمجايگذاري دي مدار وفايل وربدست آمده در

به واحد استخراج و سازي نتايج شبيه ه،انجام شد Spectre RFيا Hspiceافزار شبيه ساز مثل

.شودميداده سازي ارجاع بهينه


ت كارلو براي كليه سازي مونشبيه ،در اين روش پس از بدست آمدن دسته جوابهاي بهينه

جواب بهينه انجام شده و جوابهاي نهايي بدست چند سري پروسس و ولتاژ بر روي ،گوشه هاي دما

اين روش بر روي بلوكهاي يك گيرنده تبديل مستقيم شامل بلوكهاي ،در مرجع فوق. دنآيمي

LNA ، ميكسر وVCO عدد نويز ،پارامترهايي از قبيل بهره .سازي شده استپياده، IIP2 ، S11 و

11 Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm

7

بهينه VCOتنظيم براي ارامترهاي ميزان نويز فاز و گسترةو ميكسر و پ LNAتوان مصرفي براي

.شده است

Min Chu وAllstot [10]، سازيالگوريتم ديگري براي بهينهRF ، مشابه روش فوق ارايه

. است ، 12(EDPSO)توزيع شده ينخبه گرا PSOسازي آن بر اساس كه الگوريتم بهينهاند دهكر

چندهدفه بوده كه مشابه روش قبلي مجموعه جوابهاي بهينه پارتو را بدست PSOاين يك روش

الگوريتم ژنتيك بيشتر از ،10داراي سرعت همگرايي از مرتبه PSOآنطور كه ادعا شده . دهدمي

سازي وجي يعني زمان شبيهسازي كه محاسبه پارامترهاي خرو براي مسايل بهينه استعادي

،قطعاتدر اين مرجع عالوه بر عناصر پارازيتيك . استتري در آن طوالني است روش مناسب ،مدار

و مدار با تمام اين نيز در نظر گرفته شده است 14بنديو بسته 13تاتصاال ،ها Padاثرات پارازيتيك

.اثرات بهينه شده است

با در را Eقدرت شامل دو طبقه متوالي كالس كنندهيك تقويت ،J. Ramos [11]آقاي

هاي مجتمع و خازن ، Bond Wireهاي مارپيچي و نظر گرفتن عناصر پارازيتيك شامل سلف

SMD15، عناصر پارازيتيكPad اي براي در اين مرجع كتابخانه. ده استكرسازي بندي بهينهو بسته

اين از قطعاتسازي بجاي پروسه بهينهبا عناصر پارازيتيك تهيه شده است كه در قطعاتمدل

يسازي تكاملسازي آن الگوريتمي با نام بهينهالگوريتم بهينه. شودمدلهاي واقعي استفاده مي

. تك هدفه تبديل شده است مسألهبه يك مسأله ،است كه در آن با تركيب توابع هدف 16تفاضلي

تفاضل دو عضو تصادفي به يك عضو عضو جديد با اضافه كردن ضريبي از يك در اين الگوريتم

12 Elitist Distributed Particle Swarm Optimization

13 Interconnects 14 Packaging

15 Surface Mounted Device 16 Differential-Evolution Optimization Algorithm

8

-عضو جديد عملكرد بهتري داشت جايگزين عضو قبلي ميكه اگر ،آيدبدست مي جمعيت موجود

.شود

كه در آن مطابق ارايه شده است RF هايابزاري براي بهينه سازي مدار [70] مرجع در

داده شده و ابعاد توپولوژي مدار، مشخصات تكنولوژي و اهداف طراحي بعنوان ورودي 4-1شكل

الگوريتم ژنتيك بكار رفته الگوريتم ژنتيك يك هدفه . المانهاي مدار بعنوان خروجي ارايه مي شود

را بهينه LNAاين مقاله مدار . بوده و از تركيب خطي اهداف بعنوان تابع هدف استفاده كرده است

.كرده است


با در نظر گرفتن عناصر پارازيتيك ارايه شده RFاري جهت طراحي مدارهاي ابز [71]در مرجع

است كه يك الگوريتم ژنتيك چندهدفه بر اساس جبهه NSGAروش بهينه سازي روش . است

بر روي جوابهاي نهايي تحليل مونت كارلو . را بهينه كرده است VCOاين مقاله يك . پارتو مي باشد

يت جوابها را نسبت به تغيير پارامترهاي دما، ولتاژ و پروسس تعيين را انجام داده است تا حساس

بوده و شبيه سازي در تكنولوژي Spectre-RFنرم افزار شبيه ساز مدار بكارگرفته شده . كند

0.25um ،BiCMOS انجام شده است .

ه مي از بهينه سازي چند هدفه جهت دست يابي به جوابهاي بهينه پارتو استفاد [72]در مرجع

روشي را جهت معرفي تابع نهايي ارايه مي دهد كه در آن ابتدا توابع هدف مختلف نرماليزه . كند

9

اين . شده و سپس وزنهاي مختلف به هر تابع هدف داده مي شود تا تابع هدف نهايي شكل گيرد

مقاله يك روش نرماليزه كننده غيرخطي پيشنهاد داده و نشان مي دهد كه اين روش از روش

است و در آن براي NSGA2الگوريتم بهينه سازي مقاله . ماليزه كننده خطي كارايي بهتري داردنر

را LNAانتگرال گير سوييچ خازني و ديگري مدار نشان دادن كارآيي خود دو مدار، يكي مدار

.طراحي و بهينه كرده است

اين روش شامل دو .تركيبي از شبكه عصبي و الگوريتم ژنتيك را بكار برده است [73]مرجع

، در مرحله اول يك مدل شبكه عصبي دقيق براي فيلترهاي مايكرويو با استفاده از داده مرحله است

اين در مرحله دوم اين مدل شبكه عصبي در بهينه سازي. هاي اندازه گيري بدست آورده است

روش 5- 1شكل .با الگوريتم ژنتيك استفاده شده است تا مشخصات مورد نياز بدست آيد فيلترها

.دهدكار را نشان مي


، يك روش بهينه سازي چند سطحي براي بهينه سازي سلفهاي مارپيچي ارايه [74]مرجع

، الگوريتم بهينه سازي شامل يك الگوريتم جستجوي مستقيم با نام 6-1مطابق شكل . كرده است

MADS17 ك تكنيك بهينه سازي محلي جهت افزايش همگرايي ، جهت جستجوي عمومي و ي

در مدلسازي سلف از مدل تحليلي استفاده كرده است و بهينه سازي را براي رسيدن به يك . است

.مقدار مشخص سلف با حداكثر ضريب كيفيت انجام داده است

17 Mesh-Adaptive Direct Search

10

[74]روش بهينه سازي مرجع : 6-1شكل

در آن از نرم . اي مارپيچي ارايه كرده استنيز روشي براي بهينه سازي سلف ه [75]مرجع

روش بهينه . جهت مدلسازي سلف استفاده كرده است Sonnetافزار شبيه ساز الكترومغناطيسي

و يك (Coarse)است كه در آن از يك مدل غير دقيق و سريع Space Mappingسازي روش

از قدار سلف و ضريب كيفيتبراي م Coarseدر مدل .استفاده شده است (Fine)مدل دقيق و كند

Fineروابط تجربي كه اين مقادير را بر حسب ابعاد سلف بيان مي كند، استفاده شده است و مدل

.است Sonnetشامل نتايج

11

تحقيقات هابهبود آن در راستايو شوند مطرح مي CAD ابزارهاي اغلبپارامترهايي كه در

:متعددي در حال انجام است عبارتند از

از نظر سرعت همگرايي الگوريتم و قابليت ،سازي به كار رفته شدهلگوريتم بهينهنوع ا - 1

ايم؟اطمينان چگونه است؟ آيا مطمئن هستيم كه بهترين جواب ممكن را پيدا كرده

چقدر دقيق بوده است؟ آيا كليه عناصر پارازيتيكي قطعاتمدلهاي بكار گرفته شده براي - 2

را در نظر گرفته است؟

از چه تكنولوژي ساخت در شبيه را در نظر گرفته است؟ 18جانمايير پارازيتيكي آيا عناص - 3

سازي استفاده شده است؟

يك جواب ارايه كرده است يا يك دسته جواب قابل قبول را ارايه داده است الگوريتم آيا - 4

كه در آن دست طراح در انتخاب يك جواب مناسب باز خواهد بود؟

وابع هدف در نظر گرفته و بهينه كرده است؟چه پارامترهايي را بعنوان ت - 5

ي را بهينه كرده و كيفيت جوابهاي بدست آمده چگونه است؟مدارهايچه - 6

18 Layout

12

:آنچه در اين رساله انجام شده است -1-3

تهيه شده است كه داراي RF مدارهايسازي در اين رساله ابزاري براي طراحي و بهينه

:ويژگيهاي زير است

مبتني بر جبهه 19ديد بر مبناي الگوريتم ژنتيك چند هدفهسازي جالگوريتم بهينهيك - 1

.ارايه شده است 20پارتو

نشان داده شده است كه اين الگوريتم داراي سرعت همگرايي بيشتري 21با مسايل نمونه - 2

.استدر مقايسه با الگوريتمهاي متداول بكار گرفته شده

كاربردهاي ست كه در ساختار سلنوييدي براي پياده سازي سلف مجتمع ارايه شده ا - 3

.مختلف عملكرد بهتري داشته است

اين ساختار سلنوييدي و همچنين ساختار سلف چند اليه بوسيله نرم افزار شبيه ساز سه - 4

آنها استخراج Sسازي و پارامترهاي در ابعاد مختلف شبيه Sonnetبعدي الكترومغناطيسي

سلنوييدي و چنداليه بدستدو نوع ساختار سپس يك مدل شبكه عصبي براي هر وشده

.آمده است

سلف سلنوييدي در در كاربردهاي مختلف نشان داده شده است كه لفسازي سبا بهينه - 5

از نظر مقدار، ضريب كيفيت و مساحت داراي مشخصاتچنداليه هايمقايسه با سلف

.استبهتري

ره بيشتر، براي دستيابي به بهارايه شده CAD ابزار بوسيله LNAساختارهاي مختلف - 6

در . اندبهينه شدهتوان مصرفي، نويز و مساحت كمتر و براي تطبيق ورودي و خروجي بهتر

19 Multi Objective Genetic Algorithm

20 Pareto Based 21 Benchmark Problems

13

شامل اين مدارها. انددر نظر گرفته شده جانماييو قطعاتاين طراحي عناصر پارازيتيكي

LNA و همچنين با ساختارهاي مختلفLNA استبا مدار فيلتر حذف تصوير.

تاشده، ارايه شده Cascodeتفاضلي و همچنين Cascodeساختار مدار حذف تصوير براي - 7

.است

ارايه شده CAD ابزار توسط Cascodeطبقه با ساختار 4يك تقويت كننده گسترده - 8

.طراحي و بهينه شده است

در .پردازيمتئوري مورد نياز در فصول بعدي ميبه بررسي ،2در فصل اين رساله، ادامهدر

و كارايي آن در مقايسه با الگوريتمهاي خواهد شد سازي پيشنهادي ارايهبهينه الگوريتم ،3فصل

، ساختار اشاره شده RFدر قطعاتبه نحوه مدلسازي ،4فصلدر .شودمي بررسيمتداول ديگر

.سازي و مقايسه آن با سلف چنداليه آمده استسلف پيشنهادي و نحوه مدلسازي آن و نتايج بهينه

حذف تصوير براي آنها پيشنهاد مدارهايو بررسي شده LNAرهاي مختلف ساختا، 5در فصل

تقويت ،6 فصلدر . سازي آمده استاند و نتايج بهينها بهينه شدههسپس اين مدار. شده است

و در بخش آخر نيز انجام شده است يك مدار نمونه آنسازي ه و بهينهمعرفي شد كننده گسترده

.تشدا يمخواهاي ادامه كار و پيشنهاداتي برگيري نتيجه

دوم ل

وری

14

RFپارامترهاي طراحي در -1- 2

در استانداردهاي ارتباطي ضروري است مخصوصاًرعايت مقررات و مخابرات بيسيم در

و IEEE 802.11a هايمواردي كه استانداردهاي مشخصي وجود دارد مثل استاندارد

HIPERLAN برايWLAN ،Bluetooth برايWPAN وWCDMA ي تلفنهاي سلولي نسل برا

تخصيص نحوه ،دادهارسال نوع مدوالسيون و نرخ ،پهناي باند ،استانداردها فركانس كارياين . سوم

از جمله موارد مهم حداكثر تشعشع مجاز در خارج . كنندرا مشخص ميكانال و فواصل بين كانالها

ين ا. [12] بايستي رعايت شود بيان شده و حتماًكه در استاندارد ،است باند براي فرستنده

آنها چگونگي ساخت مسيرهاي ارسال كنند ولي دراستانداردها اگرچه شرايط مرزي را مشخص مي

شود و در نتيجه در انتخاب معماري فرستنده و گيرنده آزادي عمل وجود و دريافت مشخص نمي

كه در پردازيمدر ادامه به بررسي پارامترهاي مختلف در طراحي فرستنده و گيرنده مي. [13] دارد

.اندبا توجه به اين پارامترها بهينه شدهها ول بعدي مدرافص

: (NF21)عدد نويز -1-1- 2

عدد نويز مدار . شودتعريف مينسبت سيگنال به نويز ورودي به سيگنال به نويز خروجي

براي مدار بدون .ني آنست كه مدار نويز كمتري داردهر چه كمتر باشد بمعبزرگتر از يك است و

- بدست مي) 1- 2(از رابطه و شودبيان مي dBبر حسب ويز معموالًعدد ن. استيز مقدار آن يك ون

: آيد

)2-1 ( in

out

SNRNFSNR

=

21 Noise Figure

15

:حساسيت -1-2- 2

يك كه گيرنده بتواند آن را با است ورودي حساسيت يك گيرنده حداقل سطح سيگنال

:]13[ د و داريمنقابل قبول دريافت ك(BER22) خطاي بيت

)2-2( ,min min174 / 10loginP dBm Hz NF B SNR=− + + +

پهناي Bاهمي منبع ورودي با امپدانس تطبيق شده، 50توان نويز مقاومت dBm 174- در آن كه

حداقل minSNR.است dBعدد نويز كل گيرنده بر حسب NFباند سيگنال دريافتي بر حسب هرتز،

كه بر استمشخص در ورودي براي رسيدن به يك خطاي دريافت بيتنسبت سيگنال به نويز

بعنوان مثال با توجه به تئوري مخابرات در مدوالسيون .آيداساس نوع مدوالسيون بدست مي23DPSK نياز به نسبت انرژي بيت 0.001براي رسيدن به خطاي دريافت بيت)Eb( به نويز)N0(

كنيم كه با رابطه استفاده مي SNRاز در طراحي آنالوگ ما معموالً. است )3-2(مطابق با رابطه

.]2[ استنرخ داده Rدر آن كهآيد بدست مي) 2-4(

)2-3( 0

( )bEBER erfc

N=

)2-4( 0

bE RSNRN B

= ∗

: اثرات غير خطي -1-3- 2

توان بصورت خطي تقريب زد ولي اغلب را مي RFآنالوگ و مدارهاياگرچه بسياري از

جمله مي از . د داشت كه بايستي در نظر گرفته شوندناثرات غير خطي نتايج مهمي را در پي خواه

بهره سيگنال كوچك با صرفنظر از . هاي مختلف و فشردگي بهره اشاره كردتوان به توليد هارمونيك

ها اثر هارمونيك ،با افزايش دامنه وروديبودن شود ولي به علت غيرخطي ها تعريف ميهارمونيك

نقطه فشردگي مقدار اين اثر را با RF مدارهايدر . درا در پي داركاهش بهره وافزايش يافته

22 Bit Error Rate 23 Differential Phase Shift Keying

جي به

دو خل

يگنال

جا كه

وم به

A دو

با هم

نقطة

[13]

سيگنال خروج

حاصل از تداخ

ر گرفته و سي

از آنج. شودي

ون مرتبه سو

با افزايش )ت

مؤلفهدو ين

دامنةمقدار

dB-1فشردگي

آن دامنه س

ح مرتبه سوم

اخل باند قرار

[13

(IP مي تعريف

اينترمدوالسيو

داشت خواهد

اكه در آن ت

.دوربدست آ

نقطه ف: 1-2 كل

است كه در

2-1(.

رمدوالسيون

آن در د ؤلفه

[3 ن مرتبه سوم

(24P3ع سوم

مؤلفه و وده

يبي سه برابر

استه ورودي

برا مقدار آن

شك

16

گنال ورودي

2شكل ( ت

: آيدت مي

1( ) (y t x tα≈

A −

اثر اينتر، خطي

مؤ يا هر دو و

(.

ينترمدوالسيون

تقاطع م نقطة

(A متناسب بو

لگاريتمي شي

وم مقدار دامنه

متوان مي 25ن

با مقدار سيگ

استآن كمتر

بدست )2-6(2

2) ( )t x tα+

1 0.1dB− =

رفتار غير خز

وكه يكي شد

)2-2 شكل( د

اثر ا: 2-2شكل

ارامتري به نا

(A ل ورودي

كه در نمودار

تقاطع سو طة

تست دو تن

كنند و برابري

آخطيمقدار

A-1 از رابطه

33 ( )x tα+

1

3

45 αα

ناشي ا ديگر

باش به هم مي

كندميوجاج

ش

ان اين اثر پا

دامنه سيگنال

ك(يابد، ش مي

نقط .شوندر مي

با .)3- 2شكل

24 I

1-d، بيان مي

از م 1dBدار

dBدامنه دار

-5(

-6 (

اثر مهم

نزديك كانس

لي را دچار اعو

يابراي ب

د اصلي با فه

افزايش 3Aبت

با هم برابر فه

ش( نداشدهر

Intercept Poin25 Two tone t

dB

مقد

مقد

)2-

)2-

فرك

اصل

مؤلف

نسب

مؤلف

برابر

nt 3

test

17

رابطه بين ) 7- 2(و ) 6-2(باتوجه به روابط . دشومي محاسبه) 7-2(از رابطه ورودي تقاطع سوم

.آيدبدست مي) 8- 2(مطابق رابطه dB-1و نقطه فشردگي IP3نقطه

)2-7 ( 13

3

43IPA αα

=

)2-8( 3 1 9.6IP dB dB dBA A dB−= +

[13] نقطه تقاطع سوم ورودي : 3-2 شكل

،بزرگ است ورودي معموالً هاي قدرت از آنجايي كه دامنةدر مورد تقويت كننده

تقاطع سوم و نقطه فشردگي پارامترهاي نقطةد لذا هستننيز مهم از مرتبه سوم هاي بعدهارمونيك

1-dB ،از پارامتر معموالًدر اين حالت . توانند بخوبي ميزان غير خطي بودن آنرا مشخص كنندنمي

تعريف آنرا نشان 4-2شود كه شكل استفاده مي ،(ACPR26)ر ميزان توان رد شده به كانال مجاو

اعمال و طيف توان خروجي در آن سيگنال مدوله شده به ورودي تقويت كننده .[14] دهدمي

رفتار غير خطي لذا ه استها وارد شدهارمونيك اثر كلية گيرياين اندازهشود كه در گيري مياندازه

.دهدتر نشان ميدقيقاز تست دو تن را

26 Adjacent Channel Power Rejection

18

[14] تعريف توان رد شده به كانال مجاور : 4-2 شكل

: ديناميكي گسترة - 1-4- 2

كه مدار هم ،حداقل سطح ورودي وحداكثر سطح ورودي مجاز محدوده بين به صورت

حد RF مدارهايدر . شودتعريف مي ،كندسيگنالي با كيفيت قابل قبول توليد مي ،چنان با آن

ديناميكي را بر اساس رفتار اينترمدوالسيون و حد پايين را بر اساس حساسيت تعريف باالي گسترة

حد باالي گستره . [13]شودمي گفته 27(SFDR)تميز ديناميكي به آن گسترة كه ندكنمي

مرتبه اينتر مدوالسيون مؤلفهكه به ازاي آن است نديناميكي حداكثر سطح ورودي در تست دو ت

آيدبدست مي) 9-2( از رابطة 5-2با توجه به شكل SFDRمقدار .سوم از سقف نويز بيشتر نشود

:شودتعريف مي) 10- 2(رابطه مطابق با سقف نويز بوده و Fكه در آن

)2-9 ( 3min

2 ( )3

IIPP FSFDR SNR−= −

)2-10 (

27 Spurious Free Dynamic Range

BNFdBmF log10174 ++−=

19

SFDR محاسبه نحوة: 5-2شكل

: هافرستنده و گيرنده ساختار -2- 2

مزايا و به پردازيم و هموداين ميو هتروداينهاي دهگيرندر اين بخش به بررسي ساختار

هم )هموداين( همچنين ساختار فرستنده تبديل مستقيم ،اشاره خواهد شدهاي هر يك محدوديت

.شودتشريح مي

:هتروداينگيرنده -1- 2- 2

ساختار ،6- 2، كه در شكل باشد ترين نوع معماري بكار گرفته شده مياين گيرنده متداول

مرحله پايين آورده چندفركانس سيگنال دريافتي در ،در اين گيرنده. تنشان داده شده اسآن

تصوير است كه بايستي فركانس تصوير قبل از ميكسر مسألهمهم در اين گيرنده شكلم. شودمي

فيلتر حذف تصوير و فيلتر انتخاب Qاي بينبايستي مصالحه IFدر انتخاب فركانس . حذف شود

.)6- 2شكل (كانال برقرار نمود

20

[15] گيرنده هتروداين ساختار يك : 6-2 شكل

ساخت فيلتر ،شودچون فاصله فركانس تصوير از فركانس اصلي بيشتر ميباال IFبا انتخاب

سيگنال چون .باالتري نياز خواهد داشت Q ،انتخاب كانال حذف تصوير راحت تر شده ولي فيلتر

بين حساسيت و گزينندگي IFكند پس در انتخاب فركانس تصوير حساسيت گيرنده را خراب مي

فيلتر حذف تصوير يكي از مشكالت اين معماري اينست كه معموالً. [13] تضاد وجود خواهد داشت

چالش اين فيلترها در داخل تراشه و ساختشود ساخته مي off chipخارج تراشه و بصورت

. برانگيز است

فركانس تصوير ،عالوه بر ساده شدن قسمت سنتز كننده فركانس Zero IFدر معماريهاي

و نيازي به فيلتر شودميبه شدت تضعيف خازنهاي كوپالژ آنتن وو بوسيله ،هقرار گرفتحول صفر

. [16]در دو مرحله از ميكسر استفاده شده است 7- 2 شكلمثالً در . ندارد جداگانه حذف تصوير

كه با توجه به پهناي باند شود برده مي IFالبته در اين حالت نويز فليكر حول صفر به فركانس

.اثر اين نويز ناچيز است IEEE 802.11a در استاندارد ،20MHz يباال

21

[16] گيرنده هتروداين مرجع: 7-2 شكل

براي 2.4GHz, 5GHzدر دو باند هتروداين ، يك گيرندة[17]و همكارانش Kaoآقاي

وسط اين دو فركانس LOكه در ميكسر اول فركانس اندكردهطراحي IEEE 802.11aاستاندارد

1.3GHzبطوريكه پس از ميكسر اول هر دو فركانس به فركانس ، (3.7GHz)انتخاب شده است

.)8- 2 شكل( شوند و بقيه مدار گيرنده براي هر دو فركانس مشترك خواهد بودپايين آورده مي

[17] گيرنده هتروداين مرجع : 8-2 شكل

22

5GHzو 2.4GHzهتروداين در دو باند يك گيرندةنيز ، [18] آقاي زرگري و همكارانش

در دو مرحله با مقادير 5GHzكه فركانس در ندادهكرطراحي IEEE 802.11aبراي استاندارد

2/3fRF 1/3وfRF 2.4فركانس . شودپايين آورده ميGHz 734نيز در ميكسر اول به اندازهMHz

).9- 2شكل (ا مشترك شود هشود تا از ميكسر دوم به بعد مدارپايين آورده مي

[18] در گيرنده مرجع IFانتخاب فركانس : 9-2 كلش

براي استاندارد 2.4GHzدر باند هتروداين ، يك گيرنده و فرستندة[4] آقاي ذوالفقاري

IEEE 802.11b 2.4ده است كه فركانس كرطراحيGHz 2/3 در دو مرحله با مقاديرfRF 1/3وfRF

طراحي قسمت سنتز كننده ،IFفركانس اين انتخاب .)10- 2شكل ( پايين آورده شده است

.كندرا ساده مي فركانس

[4] گيرنده و فرستنده هتروداين مرجع :10-2شكل

23

:گيرنده و فرستنده هموداين -2- 2- 2

يابد تا به فركانس حول در اين گيرنده فركانس سيگنال دريافتي در يك مرحله كاهش مي

شماي كلي يك فرستنده و ،11- 2 لدر شك .آيدبدست مي سيگنال باند پايه مستقيماًصفر برسد و

درتوليد شده است كه Qو Iهاي متعامد گيرنده هموداين نشان داده شده است كه در آن خروجي

در انتقال به فركانس ،رندچون دو طرف باند اطالعات متفاوتي داهاي فازي يا فركانسي مدوالسيون

.[19] شوندميدا صفر به صورت فازهاي متعامد از هم ج

تصوير و عدم نياز به فيلتر حذف مسألهمزيت عمده معماري هموداين عدم وجود يك

و ميكسر دوم نيز حذف شده و فيلترهاي انتخاب كانال IFضمن آنكه فيلترهاي بخش است،تصوير

امكان لذا توان مصرفي كمتري نياز داشته و ، [13]دنشوبا فيلترهاي پايين گذر ساده جايگزين مي

اعوجاج ،نويز فليكر ، DCآفست :اما مشكالت اين معماري عبارتند از. مجتمع سازي بيشتري دارد

.Qو Iمرتبه زوج و ناهمساني مسيرهاي

[19] گيرنده و فرستنده هموداين : 11-2 شكل

ژهاي

لعلز

ت عل

ضرب

و با د

حالت

ند كه

LUT

عمال

كانس

D را با

[

ولتا ،شود مي

از ييك. شوند

LNA است.

ض در خودش ر

ون نشت كند

د كه در اين ح

انادهيشنهاد د

T28ك جدول

يگنال اصلي ا

آن حول فرك

[20.

DCآفست ذا

2-12(. [16]

س صفر برده

عد از ميكسر

به LOال از

كه در ميكسر

آنتن به بيرو

ش ضرب شود

Dروشي را پي ،

در يكي كرده

بديل و به سي

در است كه

[ حذف كرد

لذشود ه نمي

شكل( دكر

IEEE [16]

حول فركانس

طبقات بع شباع

ق نشت سيگنا

ك است LOه

LO از طريق

كسر در خودش

DCف آفست

LN گيرياندازه

تب جبران ساز

هاييوالسيون

H )10 KHz(

ف صفر استفاد

حذفتوان مي

E 802.11a ندارد

24

ي سيگنال به

ند و باعث اش

LO از طريق

به LNAي از

Oست سيگنال

شده و در ميك

براي حذف، 1]

NAزان بهره

DA به ولتاژ ج

ستفاده از مدو

HPا با فيلتر ر

طرافا كانال

مكيلو هرتزي

استاند آفست در

اين معماري

ل را خراب كنن

جدد سيگنال

قوي ل كنندة

كه ممكن اس

يرنده دريافت

[9 همكارانش

بر حسب ميز

ACرا با مبدل

اس ،DCفست

فستآ بتوان

IEEE 80 از

طع چند صد ك

حذف ولتاژ: 12

ه به اينكه در

سيگنالوانند

D ، ميكس مج

سيگنال تداخل

بدتر اينست

دوباره در گير

.خواهد بود

P. Zhan و ه

تاژ آفست را

آنرسپس و د

يگر حذف آفس

و باشدداشته

02.11aندارد

با فركانس قط

2-2شكل

28

با توجه

تومي DCست

DCآفست جاد

گر آن نشت س

مسأله. شود

خورد به موانع

غير با زمان خو

ngآقاي

مقدار ولت آن

كندهداري مي

روش د. كند

اي ندمؤلفهفر

در استا

ب HPفيلتر ك

8 Look Up Ta

آفس

ايج

ديگ

مي

برخ

متغ

در

نگه

مي

صف

يك

able

ين از

شود و

- 2ل

ركيب

لي را

راحي

كنند ي

گستره

ف در

مسير

يرنده

نس پاييافرك ه

L شظاهر مي

شكل(شود مي

تر ستفاده ازا

و سيگنال اصل

حظاتي در طر

ييني كار مي

ي افزايش گ

گنالهاي ضعيف

در. ه باشيم

فرستنده تا گي

مؤلفه كه يك

LNAخروجي

اصلي اضافه

با كهن كرد

بيشتر بوده و

مالح اثر آن

با فركانس پا

براي. يد كنند

بطوريكه سيگ

گيرنده داشته

ه به فاصله ف

گيرنده است

كند كه در خي

و به سيگنال

بيان (IP2)م

.را حذف كرد

[13] رتبه دوم

صفرركانس

ي كم كردن

ز ميكسر كه

كمتري تولي

دوشميفاده

در خروجي

دارد كه بسته

25

مرتبه دوم در

هم ايجاد مي

دريافت شده و

طع مرتبه دوم

توان آنري مي

اثر اعوجاح مر: 1

فركه حول ت

براي. دهد مي

تورهاي بعد از

f/1يز وتا ن

ر گيرنده استف

سيگنال ثابتي

قابل تنظيم

غير خطي م ر

ي نزديك به

خروجي آن د

با نقطه تقاط

ر تا حد زيادي

13-2شكل

است f/1 نويز

ت تاثير قرار

ترانزيست مثالً

اشته باشند

AG در مسير

تا همواره سد

بهرهخروجي

.شد

رفتارديگر اثر

خل كننده قوي

ز ميكسر در

توان هم مي

LNA و ميكسر

ديگر اهميت

تحت فركانس

م. گرفته شود

د بزرگتري د

GCده از واحد

شوندضرب مي

ويت كننده خ

بل تنظيم باش

د مسأله

سيگنال تداخ

ا گذر صورت

اين اثر را .)

Aدر فرانسيل

د مسأله

س از كاهش

ستي در نظر

ر است ابعاد

ناميكي گيرند

بيشتري ض رة

ستنده نيز تقو

ن خروجي قاب

دو

در

13

ديف

پس

بايس

بهتر

دين

بهر

فرس

توان

26

:MOSFETمنابع نويز در -3- 2

:آمده است عبارتند از 14- 2 شكل همانطور كه در MOSFETمنابع نويز در ترانزيستور

نويز ،(ig)، نويز القاء شده گيت (id)ز حرارتي كانال نوي

كه و نويز فليكر، (vg)حرارتي مقاومت توزيع شده گيت

ابع فقط نويز جريان گيت تابع فركانس از بين اين من

- ميمنابع نويز در ادامه به توضيح اين . [21]مي باشد

:پردازيم

كانالنويز حرارتي -1- 3- 2

كنيم كه به شكل منبع جريان بين درين و سورس مدل مييك را با MOSFETدر نويز مؤلفه اين

: [21] آيدزير بدست مي

ı 4KTγg Δf )2-11(

براي ترانزيستورهاي كانال كوتاه 2براي ترانزيستور با كانال بلند است و تا مقدار 2/3برابر γكه

باشد كه مقدار آن صفر مي VDSهدايت بين درين و سورس در ولتاژ باياس gd0. يابدافزايش مي

. برابر است gmبراي ترانزيستور كانال بلند با

نويز القاء شده گيت -2- 3- 2

. كندالقاء مي شود كه بعلت اتصال خازني در گيت جريانياز نوسانات زير كانال ناشي مي

در فركانسهاي چون . دهدرا نشان مينويز گيت بهمره يك مدار معادل ساده از گيت 15- 2شكل

از حالت خازني خالص گيت امپدانس ، fTخيلي كمتر از

امپدانس را اين شيفت فاز در ggمقاومت ،گيردفاصله مي

از فرمولهاي زير ggمقدار طيف توان نويز و . دهدنشان مي

MOSFETمدل نويز گيت :15-2شكل :آيندبدست مي

MOSFET [7]منابع نويز در : 14-2شكل

27

)2-12( ı 4KTδg Δf

)2-13 ( g C

كه براي ترانزيستورهاي است 4/3ضريب نويز گيت براي ترانزيستور كانال بلند برابر δكه در آن

.يابدافزايش مي 4كانال كوتاه تا مقدار

آنها 29بستگيهمضريب . ستگي دارندهمبمنابع نويز حرارتي كانال و نويز القاء شده گيت

: [22]شودبه شكل زير تعريف مي

)2-14( C

چون از باشدميكه موهومي خالص است 0.395jه مقدار آن براي ترانزيستور كانال بلند برابر ك

.گذارندبر روي هم اثر مي ،نويز القايي گيت و كانال ،طريق كوپالژ خازني

نويز حرارتي مقاومت توزيع شده گيت -3- 3- 2

rgاين مقاومت با مقدار 15- 2مطابق شكل . شوداز مقاومت پلي سيليكن گيت ناشي مي

:مقدار اين مقاومت برابر است با. گيردبصورت سري با گيت قرار مي وشود مدل مي

)2-15 ( r R WL

Rهاي ترانزيستور و Fingerتعداد nطول و عرض كانال و Lو Wكه در آن مقاومت اليه گيت

.باشندمي

)2-16( v 4KTr Δf

مقدار مقاومت را با افزايش تعداد ومنبع نويز با مقدار مقاومت متناسب است توان

همچنين اگر در دو طرف فلز گيت اتصال ايجاد . توان به مقدار مناسبي كاهش دادمي 30هاانگشتي

. شودتقسيم مي 4كنيم اين مقاومت بر

29 Correlation

30 Finger

28

) f/1نويز (نويز فليكر -4- 3- 2

دو . شود توليد مي MOSFETسيليكن در -در اثر به دام افتادن تصادفي بار در مرز اكسيد

يكي مدل تغييرات چگالي . مختلف براي توضيح ماهيت فيزيكي نويز فليكر وجود داردتئوري

شود كه از جذب و دفع است كه اين نويز با تغييرات حامل كانالهاي آزاد توضيح داده مي 31حاملها

در اين مدل مقدار نويز به ولتاژ باياس .شوندناشي مي سيليكن-اكسيدين سطح واسطه هاي بتله

مدل ديگر بر . باشدها در سطح واسطه متناسب ميو توان نويز با چگالي تله يستگيت وابسته ن

در ترانزيستور . باشد كه اين مدل به ولتاژ باياس گيت وابسته استمي 32اساس تغييرات تحرك

NMOS در . ييرات چگالي حاملها صادق است و نويز مستقل از ولتاژ باياس گيت استمدل تغ

تواند اين نويز را بيان به ولتاژ باياس گيت وابسته بوده و مدل دوم بهتر مي نويز PMOSترانزيستور

:[13] شود و برابر است با اين نويز به صورت منبع ولتاژ سري با گيت مدل مي . [23]كند

)2-17 ( WLC

Δ

10معموال PMOS ،kfبراي C براي كه ، در حاليNMOS برابر بزرگتر است 50 حدود .

هاي باال ناچيز است ولي در اثر خاصيت غير خطي و چه اثر نويز فليكر در فركانس اگر

هاي ممكن است اين نويز به فركانس ساز و نوسان تغيير پذيري با زمان در مدارهايي مانند ميكسر

. كنند كمتري ايجاد مي f/1هاي بزرگتر نويز MOSFET ،)17- 2(مطابق با رابطه . منتقل شود باال

كند و احتمال به دام افتادن بار زيرا ظرفيت خازني باالتر گيت، ناهمواري در كانال را هموار مي

تربزرگ با ابعاد، هايي MOSFETاز توانمي f/1نويز كاهش ميزانيابد بنابراين براي كاهش مي

. دكراستفاده

31 the carrier density fluctuation model

32 the mobility fluctuation model

29

سازيروشهاي بهينه -4- 2

يافتن براي .هدف است تابع بيشينه يا كمينه كردن پيدا ،سازيبهينه از هدف كلي طور به

ها داراي قيودي هستند كه اين محدوديت طراحي، متغيرهاي معموالً هدف، تابع بهينه مقدار

:توان بيان كردسازي را به شكل زير ميمسأله بهينه. طراحي در نظر گرفته شوندبايستي در

1 2( ) ( , ,...., ):

( ) 0 1,....,( ) 0 1,....,

n

i

j

Minimize f X f x x xSubject to

g X i mh X j p

=

= =< =

اين مسأله . تابع هدف يا تابع هزينه است f(X)متغيرهاي طراحي و X=(x1 ,x2,…,xn)كه در آن

. است (hj(X)<0) قيد نامساوي pو (gi(X)=0) قيد مساوي mشامل

توان به دو دسته كلي تقسيم سازي وجود دارد كه آنها را ميوعي براي بهينهروشهاي متن

:كرد

روشهاي رياضي مثل روشهاي عددي و روش گراديان - 1

از قبيل الگوريتم ژنتيك 34و الگوريتمهاي تكاملي SA33 روشهاي ابتكاري مثل روش - 2

)35GA ( و روش اجتماع اجزاء)PSO(

كه از مشتقات تابع هدف و قيود استفاده كرده روشهاي رياضي، روشهايي تحليلي هستند

. اين روشها نيازمند پيوستگي و مشتق پذيري تابع هدف هستند. آورندو مقادير بهينه را بدست مي

.اما در بسياري از مسايل مهندسي توابع هدف گسسته بوده و اين شرايط را ندارند

ساده نسبتاً قوانين پايه بر و هكرد پيدا توسعه طبيعي مشاهدات مبناي برابتكاري روشهاي

محاسبات به نياز عدم دليل به روشها ينگونها .اندشده ايجاد انسان مستقيم دريافتهاي وآماري

.اندرسانده اثبات به مناسب بهينه پاسخهاي جستجوي در را خود توانايي رياضي، پيچيده

33 Simulated Annealing 34 Evolutionary Algorithms

35 Genetic Algorithm

30

1982در سال Vecchiو Kirpatrick ،Gellatسازي تبريد اولين بار توسطروش شبيه

كمينه حالت يافتن براي ترموديناميك تكاملي فرآيندهايدر اين روش از . [24]معرفي گرديد

شود مولكولهاي آن موقعي كه فلزي ذوب شده و به آهستگي سرد مي .انرژي الهام گرفته شده است

ش تابع هدف مشابه در اين رو. گيرند كه معادل كمينه سطح انرژي استدر حالت پايداري قرار مي

.كندسطح انرژي فلز در نظر گرفته شده و با كاهش پارامتر فرضي دما تابع هدف را كمينه مي

(EA)36مروري بر الگوريتمهاي تكاملي -5- 2

عبارت الگوريتمهاي تكاملي بيان كننده يك دسته از روشهاي آماري بهينه سازي است كه

چندين الگوريتم تكاملي از جمله 1970در دهه . تكامل طبيعي است فرآيندسازي مبتني بر شبيه

همه اين روشها از يك . هاي تكاملي معرفي شدندتژيابرنامه نويسي تكاملي و استر ،الگوريتم ژنتيك

كنند كه اين مجموعه اوليه بوسيله دو تصادفي كار را شروع مي مجموعه جوابهاي كانديد اوليه اكثراً

.شوندغيير مداوم اصالح مياصل انتخاب و ت

شانس بيشتري براي ترشايستهبدين ترتيب كه اعضاء ،استانتخاب بيانگر رقابت براي بقاء

- سازي ميانتخاب آماري شبيه روش هانتخاب طبيعي ب ،در الگوريتمهاي تكاملي. توليد مثل دارند

دارد كه اين كيفيت بر شود بطوريكه هر عضو احتمال توليد مثل را بر حسب ميزان كيفيت خود

.شودهم مشخص مي اب اساس ارزيابي كليه اعضاء و مقايسة

عملگرهاي بوسيله مثل است وسازي اصل طبيعي توليد اصل ديگر تغيير است كه شبيه

د ولي اين نرسبسيار ساده به نظر مي هااگرچه اين روش. شودسازي ميپياده 38و جهش 37تركيب

36 Evolutionary Algorithms

37 Crossover 38 Mutation

31

-يي خود را به اثبات رساندهآپايدار و عمومي بوده و كار ،ي قويها يك روش جستجوالگوريتم

.[25]اند

يفضاي جستجويهمچنين چندين هدف متضاد و ما با بسياري از مسايل دنياي واقعيدر

وجود نخواهد ،، يك جواب بهينه تنهادر اين گونه مسايل. ، سروكار داريمپيچيده و وسيعبسيار

يافته را كه به آن جوابهاي بهينة يك مجموعه از جوابهاي سازش ،رقابت بين اهداف مختلف .داشت

، در صورتي كه اهداف بر يكديگر ارجحيتي نداشته باشند .دهد ، بدست ميشود پارتو گفته مي

تواند بسيار وسيع و از طرف ديگر فضاي جستجو مي .هيچكدام از اين جوابها بر ديگري برتري ندارد

سازي نهيبنابراين نياز به روشهاي به .دكرحل نتوان آن را شهاي دقيق با روبطوريكه پيچيده باشد

استفاده از الگوريتمهاي تكاملي با توجه به . [25] مؤثرتري است تا بتوان بر اين دو مشكل غلبه كرد

. شوند سازي كالسيك ترجيح داده ميمزاياي آنها، براي حل اينگونه مسايل نسبت به روشهاي بهينه

مقادير LNAدر طراحي يك مثالً. است RF مدارهايز اينگونه مسايل طراحي يك نمونه ا

و نقاط باياس چگونه انتخاب شوند تا بهره، عدد نويز، ميزان خطي بودن قطعاتابعاد ترانزيستورها،

، با فضاي جستجوي چند هدفهمسأله بهترين شرايط را داشته باشند؟ اين يك ... و توان مصرفي و

در مسألهاين . باشد كه بدست آوردن جواب آن بمعناي انجام طراحي مناسب آن استميوسيع

براي توليد يك مثالً. تواند مطرح باشدمي نيز LNAبدست آوردن نحوه پياده سازي يك سلف در

، از چه تركيبي با چه ابعاد و چه تعداد دوري بايد استفاده كرد تا سلفي با 7.2nHسلف مجتمع

سازي بهينه مسألهضريب كيفيت باال و سطح كمتري داشته باشيم؟ اين خود يك مقدار دقيق،

. باشد كه با الگوريتم هاي تكاملي قابل حل استچند هدفه مي

32

) :GA(الگوريتم ژنتيك -6- 2

به داروين تكامل نظريه براساس را ژنتيك الگوريتم روش John Holland، 1975 سال در

تكامل مفاهيم از ژنتيك الگوريتم .نمود مطرح سازي بهينه مسايل در جستجو روش يك عنوان

نواحي به را فضا جستجوي تواند مي ژنتيك الگوريتم. است شده اقتباس طبيعي انتخاب و تدريجي

است، بيشتر آنها در فراگير بهينه نقطه وجود امكان و بوده زياد آنها در هدف تابع آماري متوسط كه

امتياز. داشت خواهد وجود محلي بهينه نقطه به همگرايي براي كمتري احتمال نتيجه در. دهد سوق

پيوستگي يا پذيري مشتق مانند هدف، تابع براي محدوديتي هيچ كه است آن الگوريتم اين ديگر

و دارد نياز مختلف نقاط در هدف تابع مقدار تعيين به تنها خود جستجوي روند در چون .ندارد وجود

گوناگون مسايل در تواندمي نتيجه در كندنمي استفاده را تابع مشتق مانند ديگري اطالعات هيچ

.شود استفاده گسسته يا و پيوسته غيرخطي، خطي، از اعم

مربوط خصوصيات كلية حاوي كه است ژنييك مجموعه داراي زنده موجودات از يك هر

منظور به ژنها اين از نمونه دو تركيب افتد،مي اتفاق نسل توليد جريان در آنچه .است موجود آن به

هر متغير طراحي مشابه يك ژن است و كلية متغيرها يك كروموزوم را . است جديد ژن يك توليد

اي از ژنها است كه يك جواب مسأله را شامل بعبارت ديگر هر كروموزوم مجموعه. دهندتشكيل مي

گفته 40دهند كه به آن يك نسلرا تشكيل مي 39ها يك جمعيتاي از كروموزوممجموعه. شودمي

مراحل انجام كار كه در ادامه آمده است 16- 2ساختار كلي الگوريتم ژنتيك در شكل . مي شود

:شودتوضيح داده مي

39 Population 40 Generation

33

فلوچارت الگوريتم ژنتيك : 16-2شكل

:توليد جمعيت اوليه - 6-1- 2

دودويي با تعداد بيت مورد نياز ديكد شده و يك ژن هر متغير طراحي به صورت يك عدد

ها يا بعبارت ديگر كليه كروموزوم شامل يك رشته بيتي حاوي كليه ژن. دهدرا تشكيل مي

جمعيت اوليه شامل تعداد . هر عضو جمعيت، يك كروموزوم است. متغيرهاي طراحي مسأله است

قيود طراحي معموالً شامل . ندشومشخصي عضو است كه معموالً بصورت تصادفي ايجاد مي

شوند بدين ترتيب كه هر متغير در محدوده مجاز هر متغير هستند كه در مرحله ديكد اعمال مي

. شودمحدوده بين حداقل و حداكثر خود ديكد مي

34

:محاسبه تابع هدف - 6-2- 2

كه اين مقادير بعنوان ميزان . شودبازاي هر عضو جمعيت، مقادير تابع هدف محاسبه مي

اگر هدف بيشينه كردن تابع هدف باشد، تابع . برازندگي در پروسه انتخاب استفاده خواهند شد

.شود اما معموالً هدف كمينه كردن تابع هدف استبرازندگي با تابع هدف يكسان در نظر گرفته مي

:آيددر اين مواقع تابع برازندگي بوسيله يكي از روشهاي زير بدست مي

.كم شده تا تابع برازندگي بدست آيد Cاز يك عدد ثابت در اين روش تابع هدف - 1

)2-18( i if C ϕ= −

از كليه Cدر اين حالت بايستي عدد . تابع برازندگي آن است ifو iتابع هدف عضو iϕكه در آن

.بيشتر باشد iϕ مقادير

:بيشينه و كمينه تابع هدف در هر نسل است و داريم minϕو maxϕدر اين روش - 2

)2-19 ( max min( )i if ϕ ϕ ϕ= + −

)20- 2(استفاده از تابع نمايي مطابق رابطه - 3

)2-20 ( iif e ϕ−=

:توليد نسل بعد - 6-3- 2

و اعمال جهش وتركيب ژنتيكي عملگرهايپس از انتخاب اعضاء بر اساس ميزان برازندگي،

اين و شودمي پيشين جمعيت جايگزين جديد جمعيت آن، از سپ. آيدمي وجودبه جديد جمعيت

نسلي از كه است معنا بدان اين .دارد بيشتري برازندگي جديد جمعيت معموالً .يابدمي ادامه چرخه

:پردازيممي عملگرها اين توضيح به خالصه بطور ادامه در. فته استيا بهبود جمعيت ديگر نسل به

: (Selection)انتخاب - 1

شود كه اعضاء پس از محاسبه تابع برازندگي براي كليه اعضاء، انتخاب بر اين اساس انجام مي

انتخاب روشهاي سازيبراي پياده. انتخاب بيشتري براي توليد مثل داشته باشندتر امكان شايسته

35

با اي دايره روش اين در. متفاوتي وجود دارد كه متداولترين روش استفاده از چرخ رولت است

2 مركزي زاوية با قطاعي كروموزوم، هر كه شوديم گرفته درنظر طوري نامساوي قطاعهاي i

i

ff

π

∑

2πتا 0 بازة در تصادفي عددي حال .باشدمي iتابع برازندگي كروموزوم fi طوريكه به باشد داشته

نوع اين .شودمي انتخاب گيرد، قرار آن به مربوط قطاع در تصادفي عدد كه ايرشته و شده توليد

هستند، بزرگتر كه قطاعهايي بطوريكه كرد، تشبيه شانس گردونة حركت به توانمي را انتخاب

. دارند شدن انتخاب براي بيشتري شانس

: (Cross Over)تركيب - 2

.كندمي توليد جديد كروموزوم زوج يك كرده، عمل كروموزوم زوج يك روي تركيب عملگر

طول در كه است صورت اين به اينقطه يك روش رد كروموزوم دو براي تركيب عملگر اجراي نحوه

نقطه ايناز Pcو قطعات دو كروموزوم با احتمال شده انتخاب تصادفي بطور نقطه يك كروموزوم، دو

.شودمي عوض 17-2شكل مطابق مشترك

تركيب يك نقطه اي: 17-2شكل

- تواند بيش از يك نقطه باشد كه به معني چند تركيب متوالي ميتعداد نقاط تركيب مي

اي بين خطي انجام شود، بدين معني كه نقطهتواند بصورت خطي نيز بين دو عضو تركيب مي. باشد

36

شود كه در انتخاب مي) 21- 2(كند بصورت تصادفي مطابق رابطه كه دو نقطه را به هم وصل مي

.است 1تا 0عددي تصادفي بين aآن

)2-21 ( 1 1 2 1.( )C a P P P= − +

: (Mutation)جهش - 3

هاي آن با اين معني كه هر كدام از بيت شود بهجهش بر روي يك كروموزوم انجام مي

شود كه بطور متوسط يك بيت از هر معموالً طوري انتخاب مي Pm. كندتغيير مي Pmاحتمالي برابر

شود كه مقدار يك ژن بطور تصادفي تغييرات زيادي كند اين عملگر باعث مي. كروموزوم تغيير كند

. يابدعملگر كاهش مي و احتمال ماندن در يك نقطه بهينة محلي با اين

:(Elitism)نخبه گرايي - 4

ها بدتر نخواهد شد، تعدادي از براي اينكه مطمئن باشيم كه با افزايش نسل كيفيت پاسخ

. شودبهترين جوابها در هر نسل بدون تغيير به نسل بعد برده مي

:شرط توقف الگوريتم -6-4- 2

:تواند در نظر گرفته شودمي براي مشخص كردن شرط توقف الگوريتم يكي از معيارهاي زير

.دوشمشخصي اجرا نسل تعداد به الگوريتم - 1

.ميانگين اعضاء نسلها در چند نسل متوالي بهبود چنداني نداشته باشد - 2

.جواب قابل قبولي از نظر طراح رسيده باشيم به - 3

37

:41(MOGA) الگوريتم ژنتيك چند هدفه -2-7

يعني در آنها بايستي بطور دهستن، بطور طبيعي چند هدفه اكثر مسايل بهينه سازي واقعي

:دو نگرش براي حل اين مسايل وجود دارد. همزمان چندين هدف برآورده شود

: تك هدفه مسألهبه يك مسألهتبديل -1- 7- 2

بدين . [28]، عمل كرد 42VEGAتوان مشابه روش مي: سوييچ كردن بين توابع هدف - 1

شود و با هر تابع هدف هر بار بر اساس فقط يكي از توابع هدف انجام ميمعني كه انتخاب اعضاء در

تابع هدف kعضو باشد و Nدر اين صورت اگر جمعيت داراي . به ترتيب چند انتخاب صورت گيرد

.شودانتخاب با هر تابع هدف انجام مي N/kداشته باشيم، به تعداد

دف كه از تركيب خطي توابع هدف با توان يك تابع همي: تركيب خطي از توابع هدف - 2

اشكال . شود، تعريف كرده و آن تابع را بهينه كردضرايبي كه بر حسب اهميت هر تابع مشخص مي

اهداف نسبت به هم ارجحيت معموالًباشد چون اين روش تعيين ضرايب مناسب براي اين توابع مي

- بوسيله الگوريتم ژنتيك پيشنهاد ميدر روش ديگر، اين ضرايب نيز متغير بوده و . مشخصي ندارند

. شود

:بهينه سازي بر اساس جبهه پارتو -2- 7- 2

كند غلبه مي Bبر Aگوييم . شوداستفاده مي 43از مفهوم غالب بودن هاروشدسته از در اين

كند غلبه مي Cو Dبر اعضاي B، 5-3 در شكل. تر باشدبهينه Bاز نظر كليه توابع هدف از A اگر

41 Multi Objective Genetic Algorithm

42 Vector Evaluated Genetic Algorithm 43 Dominate

38

جبهه پارتو شامل اعضايي هستند كه در آن هيچ عضوي بوسيله . مغلوب شده است Aولي بوسيله

). 18- 2 شكل(اعضاء ديگر مغلوب نشده باشد

[25]مفهوم غالب بودن و جبهه بهينه پارتو : 18-2شكل

هدف در اين روش استفاده از مزاياي الگوريتم ژنتيك مبتني بر كار با يك جمعيت است كه در

شود تا به يك مجموعه جواب غير غالب بنام جوابهاي هدف بطور جداگانه بهينه مي آن هر تابع

اين جوابها جوابهايي هستند كه هيچكدام بر ديگري از نظر تمام توابع . دست يابيم 44بهينه پارتو

به ، سازي چند هدفههاي تكاملي بهينه كارهاي اخير بر روي الگوريتم. هدف برتري نداشته باشد

جهت حفظ كيفيت جوابها در نسل 46پياده سازي نخبه گرايي جوابها و 45ظ پراكندگيمنظور حف

.[29] هاي بعد، بوده است

Deb 47گراي غير غالب و همكارانش روشي بنام الگوريتم ژنتيك مبتني بر مرتب سازي نخبه

(NSGA2) نظر اند كه در اين روش بطور همزمان حفظ نخبه گرايي و پراكندگي مد را معرفي كرده

متشكل از والدين، در نظر عضو Nشامل در اين روش ابتدا يك جمعيت. [30] قرار گرفته است

2Nيك جمعيت با عضو جديد از تركيب والدين ايجاد شده كه مجموعاً Nشود، سپس گرفته مي

44 Pareto Optimal

45 Diversity 46 Elitist

47an elitist Non-dominated Sorting Genetic Algorithm

39

جمعيت با استفاده از مرتب سازي غير غالب دسته بندي شده و در اين .آورند عضو را بوجود مي

.شوندانتخاب ميعضو Nجمعيت جديد شامل بهترين اعضاء تا ،ايتنه

گرايي را با يك نخبه، ه استشد ارايه SPEA48با نام Zitzlerدر الگوريتم ديگري كه توسط

ابتدا يك جمعيت اوليه تصادفي و يك جمعيت بيروني خالي . [25] كند جمعيت بيروني حفظ مي

جوابها در جمعيت بيروني كپي شده و جوابهايي كه در جمعيت در هر نسل بهترين . شود ايجاد مي

درصورتيكه تعداد اعضاي جمعيت بيروني از حدي .دنشو ، حذف ميبيروني مغلوب شده باشند

.كند بندي بكار گرفته شده و جوابهاي با ازدحام باال را حذف مي بيشتر شود يك الگوريتم دسته

اصلي و جمعيت بيروني اعضايي را انتخاب كرده كه سپس عملگر انتخاب از بين اعضاء جمعيت

البته شانس انتخاب اعضاي جمعيت بيروني بيشتر است و پس از تركيب اعضاء انتخاب شده و اثر

هاي اين الگوريتم به منظور تركيب كردن روش. شوند عملگر جهش اعضاء نسل بعد ساخته مي

روشهاي پيشرفته كم كردن حجم بايگاني هاي تخمين تراكم و ، تكنيكمناسب برآورد شايستگي

.[31]معرفي شده است SPEA2است و با نام نه شدهيبه

48 Strength Pareto Evolutionary Algorithm

ومل

ھادی ه سازی پ م ور ال

40

الگوريتم ژنتيك مبتني بر " پيشنهادي با عنوان بهينه سازيالگوريتم -3-1

) DPGA)50" جبهه پارتوي توزيع شده

در هر ،SPEAمشابه روش در اين الگوريتم ابتدا جمعيت اوليه به شكل تصادفي انتخاب شده و

ي پارتو يك مجموعه بيروني شامل جوابها، بهترين اعضاء در مرحله پس از محاسبه توابع هزينه

يك عضو از جمعيت موجود با يك عضو از جمعيت پارتو ، براي توليد نسل بعد. شوند نگهداري مي

.شود ، انتخاب شده است تركيب ميكه با توجه به ميزان ازدحام اعضاء نسبت به يكديگر

DPGAفلوچارت الگوريتم بهينه سازي پيشنهادي با عنوان : 1-3شكل

50 Distributed Pareto-based Genetic Algorithm

41

آنالوگ بكار رفته است مدارهايبراي بهينه سازي ]32[نسخه اوليه اين الگوريتم در مرجع

پراكندگي جبهه پارتو حفظ براي محدود كردن تعداد اعضاء و 51خوشه بنديآن سپس بهكه

خوشه وم اين الگوريتم تغييراتي در نحوة انتخاب از جبهه پارتو و نحوةد ةدر نسخ .اضافه شده است

سازي شده كه فلوچارت كلي الگوريتم پياده Matlabالگوريتم با نرم افزار .انجام گرفته است ديبن

:پردازيم هاي مختلف آن مي آمده است و در ادامه به توضيح قسمت 1-3در شكل

52محاسبه توابع هزينه -2-1- 3

تعداد ،داراعضا، مقادير پارامترهاي ورودي شامل تعداد دور و قطر سلفهاي م بازاي هر كدام از

finger 10كه داراي ابعاد ( ترانزيستورها هاي0.18

W umL umو مقادير ولتاژهاي باياس مدار ، )مي باشند =

اجرا شده و Hspice RFسپس . شوند جايگزين مي ، (sp.)استخراج شده و در فايل ورودي خازنها

-مي مصرفي استخراج و توان S22و S11ر مقادير بهره، پهناي باند، مقادي (lis.)از فايل خروجي

).2-3شكل ( دنشو

محاسبه توابع هزينه: 2-3شكل

51 Clustering 52 Cost Functions

42

نباشند به آن عضو امتياز منفي بااليي در اين مرحله چنانچه ترانزيستورها در ناحيه فعال

، سلفها Layoutتوجه بهت تراشه با مساح. در نسلهاي بعدي حذف شودآن عضو شود تا داده مي

درصد باالسري در مساحت براي اتصاالت 20. شودخازنها و ابعاد ترانزيستورها جداگانه محاسبه مي

اين درصد باالسري با توجه به نوع مدار توسط طراح .و جانمايي المانها در نظر گرفته شده است

.تواند تنظيم شودمي

براي تك Hspiceروش عادي بايستي نرم افزار در ،توابع هزينه در يك نسل براي محاسبة

ند اجراي برنامه را كٌ Matlabاز داخل Hspiceتك اعضاء جداگانه اجرا شود و اين فراخواني مداوم

كل مقادير يك نسل با يك بار ،Data Sweepبراي رفع اين مشكل با استفاده از امكان . كندمي

سپس مقادير خروجي براي هر . گردده و اجرا مياز روي يك فايل خوانده شد Hspiceفراخواني

اين روش زمان . شوداستخراج مي Matlabكه شامل كليه جوابهاست در ،عضو از فايل خروجي كلي

:با اين تكنيك آمده است Hspiceدر زير نمونه فايل .دهدبرابر كاهش مي 3تا 2اجرا را

********************* Cascode lna *********************************

.temp 27

.options post=2

.global gnd

.param freq= 5.7g

**** Data Parametes***** .param nld1= 12

.param nld='nld1/4'

.param radld= 1.09e-004

.param nlg1= 16

.param nlg='nld1/4'

.param radlg= 4.34e-005

.param nls1= 7

.param nls='nld1/4'

.param radls= 4.10e-005

.param n1= 45

.param n2= 24

43

.param vdcin= 0.67

.param vdcbias= 0.95

xld vdd out gnd spiral_s2_std nr=nld rad=radld w=15u lay=6

rd vdd out 5k

xlg in1 g1 gnd spiral_s2_std nr=nlg rad=radlg w=15u lay=6

xls s1 gnd gnd spiral_s2_std nr=nls rad=radls w=15u lay=6

Xm1 d1 g1 s1 0 nmos_rf lr=0.18u nr=n1 wr=8u

Xm2 out vb d1 0 nmos_rf lr=0.18u nr=n2 wr=8u

vdd vdd gnd dc 1.8

vbb vb gnd dc vdcbias

rs in in1 0.1

P1 in gnd port=1 z0=50 dc = vdcin ac=1 $ input port includes DC bias

P2 out vdd port=2 z0=500 $ port doubles as pull-up resistor

.AC DEC 50.00 1.0E+9 10.0E+09 sweep data=infile

.data infile MER

FILE= 'C:\PHDProjec\lna_data\lna_data.txt' nld1=1 radld=2 nlg1=3 radlg=4 nls1=5 radls=6 n1=7 n2=8 vdcin=9 vdcbias=10

.end data

.LIN sparcalc=1 noisecalc=1

.PRINT S11(DB) S21(DB) S12(DB) S22(DB) NFMIN(DB) NF(DB)

.lib 'C:\synopsys\lib\rf018.l' TT

.lib 'C:\synopsys\lib\rf018.l' TT_RFMOS

.lib 'C:\synopsys\lib\rf018.l' TT_RFIND

.lib 'C:\synopsys\lib\rf018.l' TT_RFMIM

.measure ac ms21 find S21(db) at=freq



.measure ac mnf find nf(db) at=freq

.op

.end

44

پارتو جبهة 53روز كردن به -2-2- 3

مقايسه شده و در پارتو، اعضاء جديد با اعضاء جبهه توابع هزينه در نسل بعد پس از محاسبة

اين عضو ،برتري داشته باشد پارتوضاء جديد بر يك يا چند عضو جبهه صورتيكه هر كدام از اع

خوشه پارتو براي محدود كردن تعداد اعضاء جبهة. [9] شود مي پارتو ةهجانشين آن اعضاء در جب

اين از طرفي به معناي كاهش حجم حافظه مورد نياز است و از طرف ديگر شود كهانجام مي بندي

اعضاء از جبهه پارتو بايستي چون براي انتخاب .دهدزمان اجراي الگوريتم را به شدت كاهش مي

زمان اجراي الگوريتم به ،در صورت افزايش تعداد اعضاء ،كديگر بدست آيدي هر دو عضو از فاصلة

.يابدشدت افزايش مي

dij فاصله عضوi تا عضوj ، كه از مجموع مربعات فاصلة شود تعريف مي ،)1- 3(طبق معادله

تعداد كل Nكه در آن [33] آيد نرماليزه شده پارامترهاي ورودي و خروجي هر عضو بدست مي

u. (مترهاي ورودي و خروجي استپاراkp وl

kp به ترتيب بيشترين و كمترين مقدار پارامترk ام

.)باشند مي

)3-1 ( 2

1

1 Nik jk

ij u lk k k

p pd

N p p=

−⎛ ⎞= ⎜ ⎟−⎝ ⎠

∑

دارد، معيارهاي مختلفي وجود در تعريف فاصله و بيان نزديكي دو عضو نسبت به يكديگر

كنند و منظور از پراكندگي بدست آوردن معيار فاصله را در فضاي تصميم گيري تعريف مي بعضاً

توان معيار فاصله را در فضاي توابع هدف تعريف كرد كه مي. استجوابهايي متنوع در حوزه طراحي

هر كدام از هاي متنوع است كه بدست آوردن جوابهايي با كيفيت ،در اين حالت منظور از پراكندگي

در اين الگوريتم ما فاصله و نزديكي جوابها را در هر دو فضا مد نظر قرار . [25] جهتي بهينه هستند

البته نزديكي . لذا مجموع فواصل در هر دو فضا بعنوان فاصله در نظر گرفته شده است ، داده ايم

53 Update

45

يسه با زمان محاسبه توابع جوابها در دو فضا سبب افزايش زمان اجراي الگوريتم مي شود كه در مقا

.پوشي استهدف قابل چشم

به هم Clustδاز بين اعضايي كه در جبهه پارتو از يك شعاع بنديخوشهبراي پياده سازي

شوند كه اين به معني بها دادن تر حفظ شده و بقيه اعضاء حذف مينزديكتر هستند عضو قديمي

بسيار مهم است و تعداد حداكثر اعضاء خوشه بندينتخاب مقدار شعاع ا. به اعضاء باتجربه است

انتخاب shareδاز 1/20تا 1/2بين معموالً ) Clustδ(شعاع كالستربندي مقدار .دهدپارتو را بدست مي

.در ادامه آمده است shareδنحوه انتخاب . كه با سعي و خطا قابل تعيين است شودمي

توليد نسل بعد -2-3- 3

گرايي و اطمينان از اينكه ابتدا براي پياده سازي نخبه بعد توليد نسلدر ،3- 3مطابق شكل

بهترين عضو از نظر هر تابع هزينه مستقيماً به ، هاي بعدي كيفيت جوابها بدتر نخواهد شد در نسل

. يابد نسل بعد راه مي

نحوه توليد نسل بعد :3-3شكل

46

انتخاب ،عضو از جبهه پارتويك عضو از جمعيت موجود و يك ،ءسپس براي توليد بقيه اعضا

خطي در محدوده اعداد حقيقي تركيب شده و سپس عملگر جهش به صورتشود و اين دو مي

. شود اعمال و بدين ترتيب يك عضو نسل بعد توليد مي

0.8cPاحتمال تركيب و احتمال جهش =var

1mP

Nتعداد متغيرهاي ورودي varNباشد كه مي =

. شوداست و به معني آنست كه بطور متوسط يك متغير دچار جهش مي

لت با سوييچ كردن ، به روش چرخ روVEGAمشابه روش نحوه انتخاب از جمعيت موجود

1Nبدين ترتيب كه به تعداد . باشد بين توابع هدف ميkانتخاب بر اساس هر يك از توابع هدف −

نحوه انتخاب از . باشدتعداد توابع هدف مي kتعداد اعضاء جمعيت و Nشود كه در آن انجام مي

بدين معني كه اعضايي شود ، انجام مييكديگر جبهه پارتو بر اساس ميزان ازدحام اعضاء نسبت به

.است كمترآنها ي وجود دارد احتمال انتخاب شدن تركه در اطراف آنها ازدحام زياد

ابتدا . شود ازدحام تعريف ميجبهه پارتو يك تابع يبراي هر كدام از اعضابدين منظور

تر ر چه دو عضو به هم نزديكبراي هر دو عضو يك تابع همسايگي تعريف شده كه مقدار اين تابع ه

Sij .عاع همسايگي دورتر باشند صفر استشكند و چنانچه دو عضو از باشند به سمت يك ميل مي

: [33]شود تعريف مي، )2- 3( مطابق با معادله ، jتا عضو iعضو 54اشتراكتابع

)3-2 (⎪⎩

⎪⎨

⎧<⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

otherwise

difd

S shareijshare

ij

ij

0

12

δδ

كه براي شودگر تعريف ميياين عضو از اعضاء د اشتراكبراي يك عضو مجموع توابع 55دحامتابع از

.تعداد اعضاي جبهه پارتو است pNكه در آن آيد بدست مي )3- 3(مطابق با رابطه با ام iعضو

)3-3 ( 1

pN

i ijj

C S j i=

= ≠∑

54 Sharing function

55 Crowded function

47

و به iCكردن كمينهب اعضاء در جبهه پارتو به منظور حفظ پراكندگي با هدف انتخا

. به همين دليل به اين الگوريتم لفظ توزيع شده اتالق شده است. شود روش چرخ رولت انجام مي

ي باشد شعاع قطر فضاي مقادير ورود Dبدين صورت مشخص شود كه اگر shareδمقدار

كه به معناي آنست كه كره در كل فضا داشته باشيم Nindكنيم كه همسايگي را طوري انتخاب مي

Nind. (اگر اعضاء بصورت يكنواخت در كل فضا توزيع شده باشند تابع همسايگي اعضاء صفر باشد

.) استتعداد متغيرهاي ورودي NPar( بعدي است NParچون فضا .) تعداد اعضاء جمعيت است

ParNحجم كره با shareδ لذا داريم. باشدمتناسب مي:

)3-4 (.( ) . .2

Par ParN Nind share

Dk N k δ=

)3-5 (2. Par

share Nind

DN

δ =

ين يك عضو با همه اند برابر يك خواهد بود كه به معني فاصله بقطر فضا چون مقادير نرماليزه شده

ء موجود مد نظر قرار گيرداما اگر قطر اعضا. متغيرهاي ورودي بيشينه و عضوي با همه كمينه است

تواند مي Dمقدار . استاز يك كمتر معموالً برابر با بيشترين فاصله بين دو عضو موجود Dمقدار

10عضو باشد و 30شامل مثالً براي حالتيكه جمعيت .در نظر گرفته شود 1/4تا 1/2عددي بين

انتخاب شده 0.1كه مقدار خواهد شد 0.36Dبرابر با shareδپارامتر ورودي داشته باشيم مقدار

. است

48

:DPGA-IIالگوريتم اصالح شده با نام -3-3

و shareδيي الگوريتم به مقادير كارآ آنكه داراي اشكاالتي بود از جمله الگوريتم ارايه شده فوق

Clustδ از طرف . وابسته است كه انتخاب مقادير مناسب براي آنها نياز به سعي و خطا خواهد بود

اين تعداد متفاوت Clustδو مقدار مسألهديگر تعداد اعضاء جبهه پارتو معلوم نبوده و بسته به نوع

:براي رفع اين مشكالت الگوريتم به شكل زير اصالح گرديد. خواهد بود

:نحوه انتخاب از جبهه پارتو -3-1- 3

يك فاصله ازدحام تعريف مي NSGA2در الگوريتم اصالح شده براي هر عضو مشابه روش

شوند و براي هر عضو ، نتايج بصورت صعودي مرتب ميKابتدا براي هر پارامتر ورودي. [34]شود

شود كه فاصله با دو عضو كناري ، تعريف مي)6- 3(بر روي هر محور با توجه به رابطه ازدحام فاصلة

).4- 3شكل (آن است

)3-6 ( [ 1, ] [ 1, ][ , ] max min

( ) ( )( ) k i k k i k

k i kk k

Z x Z xcd x

Z Z+ −−

=−

minدر آن kZ وmax

kZ مقادير پارامتر بيشينهو كمينه به ترتيبk ه بدين شكل فاصله ند كهست

تا به اين نقاط شوددر نظر گرفته مي اين مقدار يكبراي نقاط انتهايي . نرماليزه شده است

ازدحام از مجموع فواصل بر روي كليه محورها مطابق رابطه فاصلة. ارجحيت بيشتري داده شوند

.تعداد پارامترهاي ورودي است Nparآيد كه در آن ، بدست مي)3-7(

)3-7 ( 1

( ) ( )ParN

kk

cd x cd x=

= ∑

براي ) 7- 3رابطه (از فاصله ازدحام ) 3-3رابطه (در الگوريتم اصالح شده به جاي تابع ازدحام

بدين معني كه انتخاب از جبهه پارتو با هدف كمينه . انتخاب از جبهه پارتو استفاده شده است

. شودكردن فاصله ازدحام به روش چرخ رولت انجام مي

49

[34] نحوه محاسبه فاصله ازدحام: 4-3شكل

:جبهه پارتومحدود كردن تعداد اعضاء -3-2- 3

اين افزايش تعداد . ممكن است تعداد اعضاء جبهه پارتو بسيار زياد شودپس از گذشت چند نسل

عملگر انتخاب، بعلت وجود جوابهاي در سباتعالوه بر افزايش حجم حافظه و كند شدن محااعضاء

براي رفع اين مشكل . ددهكاهش مينيز را همگرايي الگوريتم ،غير قابل قبول در اين مجموعه

5تا 4حداكثر تعداد اعضاي جبهه پارتو در اين الگوريتم . شودتعداد اعضاء جبهه پارتو محدود مي

اين تعداد چنانچه تعداد اعضاء جبهه پارتو از د و شوبرابر تعداد اعضاي جمعيت در نظر گرفته مي

اهداف زابتدا جوابهايي در جبهه پارتو كه ا. شوندبيشتر شود به شكل زير تعداد اعضاء محدود مي

براي اين . شوندمدار مورد نظر خيلي فاصله دارند در مرحله اول از جبهه پارتو حذف مي طراحي

قابل قبول بر اهداف نهايي مدار يك سري حداقل شرايط در طراحي مدار مورد نظر عالوهمنظور

حداقل يكي از اين شرايط را نداشته باشند از جبهه پارتو حذف شود و جوابهايي كه نيز تعريف مي

،مجاز بيشتر بودپس از اين مرحله نيز تعداد اعضاي جبهه پارتو از حداكثر تعداد چنانچه . شوندمي

شود و اين عمل تا رسيدن را دارد حذف مي) 7- 3رابطه ( 56فاصله ازدحامعضوي كه كمترين

. يابدتعداد اعضاء به حداكثر مجاز ادامه مي

56 Crowded Distance

50

:نمونه مسألهمقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر در چند - 4- 3

در حالتي . مقايسه الگوريتم هاي مختلف بهينه سازي عمالً به تعريف كارآيي وابسته است

سازي تر از حالتي است كه مسأله بهينهچندهدفه داريم، تعريف كيفيت پيچيدهي كه بهينه ساز

معيارهاي كيفيت جوابهاي .يك هدفه داريم، چون بهينه سازي خود شامل چند هدف مختلف است

:حاصله عبارتند از

.فاصله نتايج غيرغالب حاصله از جبهه پارتو بهينه بايستي حداقل باشد •

ارزيابي اين مالك بايستي بر . مطلوب است) در اغلب موارد يكنواخت(توزيع مناسب جوابها •

.اساس يك تعريف فاصله مشخص انجام شود

بعنوان مثال براي هر هدف يك رنج . وسعت جبهه غير غالب بدست آمده بايستي حداكثر باشد •

.وسيع مقادير بايستي بوسيله جوابهاي غيرغالب پوشش داده شود

، نشان مي دهد كه نتايج حاصل از يك الگوريتم چه ميزان بر نتايج يك معيار مقايسه متداول

:حاصل از الگوريتم ديگر غلبه دارد كه به شكل زير تعريف مي شود

تابع . دو مجموعه جوابهاي پارتو، حاصل از دو الگوريتم بهينه سازي باشند 'Xو "Xفرض كنيد

:مقايسه مي كند "Xرا 'Xعددي بين صفر و يك بوده و به شكل زير (C)همپوشاني

)3-8 ( { }; :

( , )a X a X a a

C X XX

′′ ′′ ′ ′ ′ ′′∈ ∃ ∈′ ′′ =

′′

p

aكه در آن a′ ′′p كه دهد بعبارت ديگر اين عدد نشان مي .است "aبر 'aبه معني غلبه داشتن

حداقل يك يا چند عضو از اعضاء جبهه پارتو وسيلهب دومچند درصد از اعضاي جبهه پارتو الگوريتم

.اندالگوريتم اول مغلوب شده

)مقدار , ) 1C X X′ ′′ مغلوب 'Xبوسيله اعضاي "Xدهد كه تمام جوابهاي نشان مي =

)مقدار و اندشده , ) 0C X X′ ′′ وجود ندارد كه حداقل 'Xدر بدين معني است كه هيچ جوابي =

. غلبه داشته باشد "Xبر يك عضو

51

)ر اين مقايسه هر دو مقدار توجه شود كه د ', ")C X X و( ", ')C X X در نظر گرفته

)شود و مقدار مي ', ")C X X 1لزوماً با مقدار ( ", ')C X X− برابر نيست.

اي بين مقايسه .است هشد استفادهنمونه مسألهچند از الگوريتم در اين بخش مقايسه براي

در . خواهيم داشت NSGA2و PESA ،SPEA2 [35]الگوريتمهاينتايج حاصل از اين الگوريتم و

:[36]هدف كمينه كردن توابع دو هدفه به شكل زير است اين مسايل

تغييرات پارامترها محدودة وسازي نمونه ل بهينهئمسا: 1-3 جدول

Objective functions Domain N

ZDT6 (Zitzler, Deb, and Thiele 2000)

14 61 1

0.25

2

212

( ) 1 sin (6 )

( ) 1 9.1

( )( ) ( ). 1 ( )( )

x

n

ii

f X e x

xg X

n

f Xf X g Xg X

π−

=

= −

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥= +

−⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

⎡ ⎤= −⎢ ⎥

⎣ ⎦

∑

[0,1] 100

KUR (Kursawe 1991)

1

2

2 21

0.8 3

1

10.2

1

( )

( )

| | 5.sin ( )

( 10 )i i

n

i ii

n x x

i

f X

f X

x x

e +

=

−− +

=

⎡ ⎤= ⎣ ⎦

=

+

−

∑

∑

[-1000,1000] 100

SPH-2 (Schaffer 1985; Laumanns, Rudolph, and Schwefel 2001)

2 21 1

2

2 2 22 1 2

3

( ) ( 1)

( ) ( 1)

n

ii

n

ii

f X x x

f X x x x

=

=

= − +

= + − +

∑

∑

[-1000,1000] 100

52

100ايم، از طرفي تعداد متغيرهاي ورودي را هايي را در نظر گرفتهتوابع تست، سختيدر

تغييرات پارامترهاي محدودة KURو SPH-2و از طرف ديگر در مسايل ايمعدد فرض كرده

يي الگوريتم در جستجو در فضاي در نظر گرفته تا كارآ) [1000,1000-]( بسيار وسيع ورودي را

داراي دو مشكل است كه باعث عدم يكنواختي در ZDT6مساله .مورد آزمون قرار دهيم وسيعي را

يكي آنكه جوابهاي بهينه پارتو بصورت غير يكنواخت در اطراف جبهه . فضاي جستجوي خواهد شد

را به يك نزديك مي كنند، باياس f1(X)جبهه حول جوابهايي كه . (پارتو عمومي توزيع شده اند

م اينكه چگالي جوابها در نزديك جبهه پارتو كمتر و در فواصل دورتر از جبهه دو.) شده است

.شكل مي گيرد و غير محدب است g(X)=1جبهه پارتو به ازاي . چگالي بيشتري دارند

بار توسط الگوريتم پيشنهادي بهينه شده و نتايج حاصله در هر 3هر كدام از مسايل فوق

فوق، مسألهنتايج اجراي اين الگوريتمها براي سه . ايسه شده استبار با نتايج بقيه الگوريتمها مق

. استاجراي آنها به تفكيك 30ج حاصل از آمده است كه شامل نتاي [37]در مرجع Zitzlerتوسط

و نتايج ارايه شده ايممقايسه انجام داده 90 مسألهما در مقايسه از اين نتايج استفاده كرده و در هر

نتيجه 30نتيجه الگوريتم پيشنهادي با 3مقايسه . (باشدمقايسه مي 90 متوسط نتايج اين

) الگوريتمهاي ديگر

در اين معيار . انجام شده است ))8-3(رابطه (تابع همپوشاني مقايسه نتايج بر اساس معيار

دهد كه چند درصد از اعضاي عدد اول نشان مي. شودبراي مقايسه دو الگوريتم دو عدد بيان مي

مغلوب اولحداقل يك يا چند عضو از اعضاء جبهه پارتو الگوريتم وسيلهب دومه پارتو الگوريتم جبه

حداقل وسيلهب اولدهد كه چند درصد از اعضاي جبهه پارتو الگوريتم اند و عدد دوم نشان ميدهش

.اندشدهب وغلم دوميك يا چند عضو از اعضاء جبهه پارتو الگوريتم

نسل 1000در نظر گرفته شده و الگوريتم به تعداد 100ء جمعيت در ابتدا تعداد اعضا

نتايج ، 2- 3 در جدول.) بار توابع هدف محاسبه شده است 100،000در حقيقت ( .اجرا شده است

.مقايسه آمده است 90نگين اين ميا

53

نسل 1000نتايج مقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر پس از : 2-3 جدول

ZDT6 KUR SPH-2 100,000

evaluations

[0.0008 ; 1] [0 ; 0] [1 ; 0] PESA [0.0003 ; 1] [0.64 ; 0] [1 ; 0] NSGA2

[0.0007 ; 1] [0.67 ; 0] [1 ; 0] SPEA2

در صورت تغيير يك پارامتر ورودي در زماني كه بقيه KURو SPH-2مسايلي مانند در

- 5-3شكل (دارند كمينه راي تغييرات همواري هستند و يك نقطه پارامترها ثابت هستند، توابع دا

.دهد كه در اين مسايل، الگوريتم پيشنهادي سريعتر همگرا شده استنشان مي 2-3جدول ). الف

در انتخاب به جبهه پارتو اهميت بيشتري داده شده علت اين مسأله اين است كه در اين الگوريتم

.انتخاب مي شوداست چون يك عضو از جبهه پارتو

جوابهاي بدست آمده از اين روش بر كليه SPH-2 مسأله، در 2-3 مطابق با جدول

اما هيچ جوابي از الگوريتمهاي ديگر وجود . داشته است جوابهاي حاصل از الگوريتمهاي ديگر غلبه

.ندارد كه بر يك يا چند جواب الگوريتم پيشنهادي غلبه داشته باشد

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50-10

-5

0

5

10

15

20

25

x

KU

R- f

(x)

KUR-f1KUR-f2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

x

ZDT6

- f1

(x)

ZDT6- f1

)ب( )لفا(

ZDT6 تابع اول -ب KURتوابع -الف: 5-3 شكل

54

و NSGA2نيز از بين جوابهاي بدست آمده نسبت به الگوريتمهاي KUR مسألهدر

SPEA2 انداشتهد اعضاء بر جوابهاي حاصل از الگوريتمهاي ديگر غلبه درصد 67تا 64چيزي بين .

وجود ندارد كه بر يك يا چند جواب الگوريتم پيشنهادي غلبه اما هيچ جوابي از الگوريتمهاي ديگر

. داشته باشد

در زماني كه بقيه پارامترها ،كه در صورت تغيير يك پارامتر ZDT6مانند اما در مسايلي

هاي محلي زيادي دارند، الگوريتم دي بوده و مينيممثابت هستند، توابع داراي نوسانات زيا

، اگر تعداد نسلها 3-3البته مطابق با جدول . )ب -5-3شكل ( شودپيشنهادي ديرتر همگرا مي

جوابهاي اين الگوريتم به جوابهاي نهايي نزديك شده و حتي اين )نسل 10،000( افزايش يابد

.الگوريتم عملكرد بهتري نشان خواهد داد

نسل 10،000نتايج مقايسه الگوريتم پيشنهادي با الگوريتم هاي ديگر پس از : 3-3 جدول

ZDT6 KUR SPH-2 1000,000

evaluations

[0.13 ; 0.003] [1 ; 0] [1 ; 0] PESA [0.1 ; 0.09] [1 ; 0] [1 ; 0] NSGA2

[0.18 ; 0.09] [1 ; 0] [0.99 ; 0] SPEA2

بديهي است كه در مقايسه الگوريتمها مقايسه در تعداد نسل مشابه به معني مقايسه

دهد الگوريتم پيشنهادي سرعت نشان مي 3- 3و 2- 3كه نتايج جداول همگرايي استسرعت

.همگرايي بيشتري دارد

آنالوگ رابطه بين پارامترهاي مدارهايتوجه به اين نكته ضروري است كه در طراحي

ترانزيستور رابطه بين در .هستندتوابع همواري معموالًار ورودي مدار و پارامترهاي خروجي مد

ن روابط خطي سيو ايراي المانهاي پب و يا نمايي هستند 2درجه ،خطيجريان و ولتاژها روابطي

ستند لذا روابط بين ورودي و قطعات خوش رفتار هالكترونيكي تركيبي از اين مدارهاي . است

55

پارامتر ورودي مثل ، بدين معني كه اگر فقط يك ،وابع همواري هستندخروجي و مشخصات مدار ت

تغييرات همواري ابعاد يك ترانزيستور يا مقدار يك المان پسيو تغيير داده شود پارامترهاي خروجي

.اشتخواهند د معموالً يك نقطه بهينهخواهند داشت و

با توجه به اين نكته، الگوريتم پيشنهادي براي حل اينگونه مسايل نسبت به بقيه

با توجه به نتايج حاصل از شبيه سازي كه گرايي باالتري داشته و الگوريتمهاي موجود سرعت هم

. ايمهديسردر تعداد نسل كمتر به جوابهاي قابل قبول مندرج است، 3-3و 2-3در جداول

معيارهاي ديگر مقايسه الگوريتمهاي بهينه سازي عالوه بر كيفيت پاسخهاي پارتو، شامل

. ز مي باشدزمان اجراي الگوريتم و حافظه مورد نيا

الگوريتم داراي پيچيدگي بيشتري در توليد هر نسل است اما از آنجا كه زمان اين البته

، اين پيچيدگي، زمان كل را شودتوليد هر نسل با زمان شبيه سازي اعضاء نسل جديد جمع مي

كه است يسازي با نرم افزارهايشبيه در حل مسايلي كه بر پايةبعبارت ديگر .دهدزياد افزايش نمي

همگرايي الگوريتم بسيار مهم تر از پيچيدگي خود الگوريتم سرعت طوالني دارند، يزمان اجرا

هر چه الگوريتم سريعتر همگرا شود، در تعداد نسل كمتر توانسته ايم جوابهاي قابل قبول . است

. بدست آوريم و اين به معني است كه در زمان كلي كمتر به جواب رسيده ايم

) RFمخصوصاً ( آنالوگ مدارهايتري براي طراحي ن الگوريتم، الگوريتم مناسبلذا اي

.استنسبت به بقيه الگوريتمهاي متداول

مھار ل

ھا سازی الما RF د

56

: مقدمه -4-1

CADابزار نبود يك . دهندها تشكيل ميمجتمع را سلف RF اكثر مساحت يك مدار معموالً

RF هاي مجتمع يكي از مشكالت موجود در طراحيمناسب براي مدلسازي دقيق و سريع سلف

ها فسازي مدار با اينگونه سللذا شبيه هستندها داراي عناصر پارازيتيكي زيادي اينگونه سلف. است

هاي مجتمع صورت هاي زيادي براي مدلسازي سلفتالش. مستلزم داشتن مدل دقيقي از آنها است

-[43]باشدها ميگرفته است كه در آنها سعي بر استخراج يك مدل مداري براي اين گونه سلف

هبود هاي مجتمع تحقيقات زيادي براي بهمچنين با توجه به ضريب كيفيت پايين سلف . [39]

.[44]-[45] انجام گرفته استآنها سازيو پياده كيفيتضريب

ها كه مساحت كمتري را از طرف ديگر ارايه ساختارهايي جديد براي پياده سازي اين سلف

مساحت اشغالي اشغال كند و يا ضريب كيفيت باالتري داشته باشند، باعث بهبود طراحي از نظر

در باالترين اليه 57بصورت مارپيچي ل معموالًهاي متداوسلف. تراشه و كيفيت مدار خواهد شد

شوند چون اين اليه هم ضخامت بيشتري دارد و هم فاصله بيشتري با بدنه داشته فلزي ساخته مي

هاي جديد زير ميكرون كه با ارايه تكنولوژي. و عناصر پارازيتيكي بين سلف و بدنه كمتر خواهد بود

سازي سلف هاي فلز مياني در پيادهته است، استفاده از اليههاي فلزي افزايش يافدر آنها تعداد اليه

هاي متداول مساحت بااليي داشته و براي پياده چون سلف [46] ه استبيش از پيش معمول شد

.ها جوابگو نخواهند بوداينگونه سلف 10nH سازي سلف با مقادير باالي چند

نسبت به روشهاي متداول مساحت سازي سلف كه له ساختاري مناسب براي پيادهرسادر اين

با توجه به هابراي اين گونه سلف سپس .كمتر و كيفيت بهتري خواهد داشت، معرفي خواهد شد

. يك مدل دقيق با استفاده از شبكه عصبي ارايه خواهد شدآنها، جانمايي پارامترهاي فيزيكي

57 Spiral

57

:هاي مجتمعاثرات غير ايده آل سلف -4-2

شودسازي ميپيادهفلزي در آخرين اليةمتداول سلف مجتمع بطور ،CMOSدر تكنولوژي

Lsكه در آن پيشنهاد شده است ) ب- 1- 4( براي اين سلف مدار معادل شكل. ))الف-1-4(شكل (

اثرات . كه در ادامه توضيح داده خواهند شد پارازيتيكي هستند قطعاتو ديگر است سلف مقدار

: [47]سلف عبارتند از آل غير ايده

مدل شده است Rsبا وباشد كه ناشي از مقاومت سيم پيچ سلف مي :تلفات اهمي فلز - 1- 4-2

ورقه، طول و به ترتيب مقاومت Wو shR، indLكه در آن شودمحاسبه مي )1-4(مطابق با معادله

.باشدعرض فلز سلف مي

)4-1 ( inds sh

LR RW

=

) ب( ) الف(

[48] مدار معادل آن) ب( ساختار ) الف( پيچي مربعي رسلف ما: 1-4 شكل

در فركانسهاي باال جريان تمايل دارد كه از سطح عبور كند لذا مقاومت فلز :اثر پوسته - 2- 4-2

(Rs) كه شودمحاسبه مي )2-4(ادله مطابق با معدر اين حالت مقاومت ورقه فلز . يابدافزايش مي

.يابدكاهش مي) 3- 4(مطابق رابطه و با افزايش فركانس هدوعمق پوسته ب sdدر آن

)4-2 ( ss

Rdρ

=

58

)4-3( 0

sr

dfρ

π μ μ=

در مسألهدهد كه اين اشد اثر پوسته مقاومت سيم پيچ را افزايش مياز ضخامت فلز كمتر ب sdاگر

.افتداتفاق مي ،شودفركانسهاي باال كه عمق پوسته كمتر مي

جريان را در سطح نخواهيم چگاليبعلت اثر قطعات فلزي مجاور حداكثر :اثر مجاورتي - 3- 4-2

ده كه وابسته به نوع قرارگيري ش Rsاين اثر در فركانسهاي باال موجب افزايش مقاومت . داشت

.خواهد بود هم قطعات مجاور

پيچ در حدود چند ميكرومتري باالي بدنه قرار دارد، چون سيم :خازنهاي پارازيتيك -4- 4-2

كه با و بدنه از طريق اليه اكسيد بين آنها خواهيم داشت پيچسيميك خازن پارازيتيك بين

هاي سلف نيز خواهيم داشت، اين يك خازن بين سيم پيچ عالوه بر آن. اندمدل شده Coxخازنهاي

نيست چون اختالف فاز مؤثرخازن در صورتيكه ابعاد سلف از طول موج خيلي كمتر باشد، زياد

سلف پورت دوم جاييكه 6و 5 هاي همچنين خازني بين اليه .مجاور كم خواهد بود حلقهبين دو

.اندمدل شده Csاين خازنها با شود كه كل در دسترس قرار گرفته ايجاد مي

، مشخصات تلفات GaAsبا بدنه Siيكي از تفاوتهاي بدنه :تلفات پارازيتيك خازني - 5- 4-2

اين . باشدسلف در اين تكنولوژي مي Qكه يكي از علل اصلي كم بودن استدر بدنه سيليكوني

.مدل شده است Csubاين اثر با .تلفات وابسته به نوع زمين كردن بدنه خواهد داشت

پيچ سلف باالي بدنه قرار دارد، ميدان با توجه به اينكه سيم: Eddyاثر جريان -6- 4-2

شود كه جهت جريان آن مخالف با جهت موجب جريان گردابي در بدنه مي ،مغناطيسي حاصله

اين جريان گردابي شار مغناطيسي كل را كاهش داده و در نهايت مقدار . جريان سلف اصلي است

.كندرا كم مي مؤثرلف س

سلف را كلي نه تنها مقدار Eddyپر اتالف، جريان Siدر بدنه : Eddyتلفات جريان - 7- 4-2

.كنيممدل مي Rsubكه اين اثر را با كنددهد بلكه اين جريان تلفات اضافي نيز توليد ميكاهش مي

59

:پارامترهاي طراحي سلف -4-3

شديد و ، ضريب كيفيت، فركانس تاندوكتانسشامل پارامترهاي مورد نظر در طراحي سلف

ساده 2-4شكل را به 1- 4مقدار سلف مي توان مدار معادل شكل براي محاسبة. مساحت آن است

، مقدار )4-4(با توجه به معادله Y21از روي مقدار موهومي پارامتر كه با توجه به اين مدار. كرد

.[49] شودمحاسبه مي fدر فركانس اندوكتانس

Rs1 Rs2

Cs1

P1

Cs2

LRP2

سلف براي محاسبه مقدار آنساده شده مدل :2-4 شكل

)4-4 ( 21

1Im( )

2Y

Lfπ

=

تعاريف مختلفي براي ضريب كيفيت بيان شده است كه متداولترين آن بر اساس نسبت

.[50] شودانرژي ذخيره شده به انرژي تلف شده در يك سيكل كاري تعريف مي

)4-5( .

2 . strored

diss PerCycle

WQ

Wπ=

- البته در تعريف فوق مشخص نيست كه منظور از انرژي ذخيره شده و تلف شده چه نوع انرژي مي

باشد، انرژي ذخيره شده در ميدان مغناطيسي مطلوب مي ،با توجه به اينكه در يك سلف. باشد

انرژي الكتريكي در بنابراين انرژي ذخيره شده بصورت اختالف بين حداكثر انرژي مغناطيسي و

.[50]توان نشان داد موازي مدل كنيم مي RLCاگر سلف را با مدار . شودنظر گرفته مي

)4-6( 2

0

2 .

.[1 ( ) ]

Im( )Re( )

p

peak magnetic energy peak electric energyQenergy loss in one oscillation cycle

RL

ZZ

π

ωω ω

−=

= −

=

60

و فركانس تشديد در مدار معادل موازي مقدار سلفبه ترتيب مقاومت، 0ωو Rp ،Lكه در آن

اگرچه استفاده از . استوقتيكه سر ديگر زمين شده باشد، ،يده شده از يكسرامپدانس د Zهستند و

متداول است اما اين معادله فقط براي فركانسهاي كمتر از فركانس تشديد قابل ) 6- 4( معادلة

اگر فقط انرژي مغناطيسي در نظر . استفاده است و مقدار آن در فركانس تشديد به صفر ميرسد

:شودبه شكل زير نوشته مي) 5-4(معادله . اي سلف صرفنظر كنيمو از خازنهگرفته شود

)4-7(

2 .

p

peak magnetic energyQenergy loss in one oscillation cycle

RL

π

ω

=

=

تري قابل استفاده است و يكي آنكه اين رابطه در پهناي باند وسيع. كه اين تعريف دو مزيت دارد

شود كه در توجه . توان بيان كردتر ميرا با توجه به اين رابطه واضح Rpديگر آنكه مقدار

خيلي به هم نزديك هستند چون انرژي ذخيره شده در ) 7-4(و ) 6-4(فركانسهاي پايين تعاريف

.ميدان مغناطيسي بوده و قابل صرفنظر است در ميدان الكتريكي خيلي كمتر از انرژي ذخيره شده

يفيت از شود، مقدار ضريب ك در حالتي كه سلف به صورت تكسر استفاده) 6-4(با توجه به رابطه

.آيدبدست ميزير معادلة

)4-8( 11

11

Im( )Re( )s

YQY

−=

:آيداز رابطه زير بدست مي Qsرا براي سلف در نظر بگيريم، مقدار 2-4شكل اگر مدل ساده شدة

)4-9 ( 22

1 1 12 2 2 2 2 21 1 1

. .[1 .( )].( )s s s s

s s s

L R RQ C L R CR LR C RR R R Lω ω ω ω

ωω ω= − + −

+ + +

شود كه محاسبه مي) 10-4(ر آن از معادله و در صورتيكه سلف به صورت دوسر استفاده شود، مقدا

آيدبدست مي) 11-4(و مقدار آن از رابطه امپدانس ديده شده از دو سر سلف است Zindدر آن

[51] .

)4-10( Im( )Re( )

indd

ind

ZQ

Z=

61

)4-11( 11 12 21 22indZ Z Z Z Z= − − +

، (Rs2=Rs1, Cs2=Cs1) براي سلف در نظر بگيريمبصورت متقارن را 2-4ل اگر مدل ساده شده شك

:آيدزير بدست مي از رابطة Qdمقدار

)4-12 (22

1 1 12 2 22 2 2 1

1 1

. .[1 .( )]2 2

.( )2 2

d s s ss

s s

L R L RQ C R CR LR R LR C RR

ω ωω ωωωω

= − + −+ + +

. تغيير كرده است L/2و R/2به مقدار Lو Rكه مشابه رابطه حالت تكسر است كه در آن مقادير

.را خواهيم داشت 2-4ديفرانسيل شكل مدار معادل نيم ،در حقيقت در حالت دو سر

دهد و در از خود نشان مي حداكثر فركانسي است كه سلف حالت سلفي (SRF58) فركانس تشديد

در فركانس تشديد مقدار اندوكتانس با .كندفركانسهاي بيش از آن سلف مانند يك خازن عمل مي

، از روي مقادير سلف 3-4 با توجه به شكل. كننديمقدار كاپاسيتانس برابر و اثر همديگر را خنثي م

.آيددر فركانسهاي مختلف، جاييكه سلف به مقدار صفر ميرسد، فركانس تشديد بدست مي

W=10um, 2R=80umمقدار سلف سلنوييدي بر حسب فركانس براي سلف : 3-4 شكل

58Self Resonance Frequency

62

بدست ) 13-4(يد از رابطه موازي مدل كنيم مقدار فركانس تشد RLCاگر سلف را با مدار معادل

: آيدمي

)4-13( 12 .resf

LCπ=

:هاي چند اليهسلف -4-4

شكل (شوند مياني باال استفاده ميو ميكسرهايي با فركانس LNAاي در ها به طور گستردهسلف

4 -4.(

)ب( )الف(

[50]باال IFار ميكسر با فركانس مد) ب( LNAمدار تقويت كننده ) الف: (4-4شكل

) Rp(در اين كاربردها براي اينكه بهره به بيشترين مقدار خود برسد، مقاومت معادل موازي سلف

:داريم) 7- 4(با توجه به معادله . [50]بايستي حداكثر باشد

)4-14( .pR Q Lω=

از آنجا كه ضريب كيفيت . ماكزيمم شود Lدر Qبايستي حاصلضرب Rpلذا براي ماكزيمم شدن

خيلي كم است، استفاده از روشهايي كه مقدار CMOSسازي شده در تكنولوژي هاي پيادهسلف

63

كه يك . سلف بااليي را در مساحتي مناسب، با فركانس تشديد باال بتوان بدست آورد، ضروري است

. استد اليه هاي چنسلف ،هاروش متداول براي پياده سازي اين سلف

. قابل پياده سازي خواهد بودبزرگي سلف نسبتاًهاي فلز مياني در مساحت كمي با استفاده از اليه

ها اگرچه ضريب كيفيت كمي دارند ولي با توجه به مقدار باالي سلف بدست آمده در اين سلف

.خواهند داشتهاي متداول مارپيچي عملكرد بهتري در كاربردهاي مختلف از سلف ،مساحتي كمتر

:داريم 5- 4در سلف دو اليه شكل مثالً

)4-15 ( 1 2( 2. )Z j L L Mω= + +

1برابر با براي تزويج كامل ضريب تزويج دو سيم پيچ بوده و Mكه 2M L L= در حالت .است

:فوق داريم

)4-16 ( 1 2 .4L L L Z j Lω= = → =

شرايط آن بسيار اندك است فاصله بين دو سيم پيچ نسبت به ابعاد چون ه الي 2كه براي سلف

مقدار سلف ،اليه nو براي سلف با برابر شده است 4مقدار سلف قابل قبول است لذاكامل تزويج

.يابدافزايش مي n2به نسبت تقريباً

[50] سلف دواليه مارپيچي: 5-4شكل

نشان داده است [46]وازي مدل كنيم، آقاي ذولفقاري در مرجع م RLCاگر سلف را با مدار معادل

كه در آن . آيدبدست مي) 17-4( از رابطة) الف-6- 4شكل (كه خازن معادل براي سلف دو اليه

.استپاييني با بدنه خازن بين الية C2خازن بين دواليه سلف و خازن C1خازن

64

)4-17( 1 21 (4 )

12eqC C C= +

-بدست مي) 18-4(شود كه براي سلف چند اليه نيز خازن معادل از رابطه ين نشان داده ميهمچن

:) ب- 6-4شكل ( آيد

)4-18 ( 1

21

1 (4 )3

n

eq i ni

C C Cn

−

=

= +∑

هاي فلزي بصورت طه، براي پياده سازي سلف چند اليه بهتر است كه از اليهبرااين با توجه به كه

ضريب كيفيت و فركانس ي بامعادل كمتر شده و در نتيجه سلفيك در ميان استفاده شود تا خازن

.[46] تشديد باالتري داشته باشد

)ب( )الف(

[46] سلف سه اليه) ب(سلف دواليه ) الف(سلف چند اليه مارپيچي و خازنهاي پارازيتيكي آن : 6-4شكل

شكل سيم پيچ مي تواند . ول استدور متدا 7تا 2الزم بذكر است كه تعداد دور در هر اليه بين

به نظر مي رسد كه در ساختار مربعي از نظر جانمايي از . مربعي، شش ضلعي و يا دايروي باشد

ها اثرات پوسته شديدتر خواهد شد كه مقايسه دقيق راندمان بهتري برخوردار است ولي در گوشه

.ساختارهاي مختلف نياز به كار جديدي دارد

65

:Sonnet ف با نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي سازي سلشبيه -4-5

هاي تري براي سلفهاي دقيق، ناگزير به استفاده از مدلRF مجتمع مدارهايسازي در شبيه

-گيري نمونهتراشه با اندازه اختارهاي مشخص بوسيله شركت سازندةبعضي از س. باشيممجتمع مي

ه از اين ساختارهاي مشخص مدل آنها در اند كه در صورت استفادمدل شده ،هاي ساخته شده

هاي مجتمع مارپيچي مطابق براي سلف 0.18um TSMCدر تكنولوژي مثالً. دسترس خواهد بود

.مدل در دسترس است 8-4بخش

ها از نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي سه بعدي به نام سازي سلفشبيهدر اين رساله براي

Sonnet چند اليه مارپيچي هايي با ساختار فاده از اين نرم افزار سلفبا است. استفاده شده است

ساختاري مناسب براي عالوه بر آن .اندمدلسازي شده CMOSاليه فلزي در تكنولوژي 3در مربعي

مساحت كمتر و كيفيت ،هاي چند اليه مارپيچي متداولسلفسازي سلف كه نسبت به پياده

.بهتري خواهد داشت، معرفي خواهد شد

استفاده TSMCشركت 0.18um CMOSتكنولوژي از پارامترهايها سلفسازي شبيهبراي

الية 6ژي در اين تكنولو. آمده است 7- 4شكل درها در اين تكنولوژي ساختار اليه. ستشده ا

-، كه بين آنها با اليهاستدر دسترس (PO1)پلي سيليكن در باالي الية AlCu (M1-M6)فلزي

.آمده است 1-4در جدول ي هاديهااليهفاصله و ضخامت .اندليكن پر شدههاي اكسيد سي

0.18um [48]در تكنولوژي ي هاديهااليه فاصلهضخامت و : 1-4جدول

66

TSMC 0.18um CMOS [48]هاي مختلف در تكنولوژي اليه: 7-4شكل

[48] الكتريك بين فلزاتهاي ديضخامت و مشخصات اليه: 2-4جدول

67

ضخامت . هاي فلزي ضخامت يكساني دارنداليه داراي ضخامت بيشتري است و بقية M6فلزي الية

.آمده است 2- 4در جدول الكتريك بين فلزات دي هاياليهو مشخصات

ي در آن هادالكتريك و هاي ديابتدا اليه Sonnetبا نرم افزار سلف براي شبيه سازي

بدست آمده است، TSMC، كه توسط شركت 6 عي در اليةسلف مارپيچي مربمدل . تعريف شدند

براي اطمينان از صحت تنظيمات، ابتدا اين Sonnetدر شروع كار با نرم افزار . استدر دسترس

حاصل از شبيه سازي با )S(پراكندگي پارامترهاي ج يسازي شد كه نتاشبيه) 8- 4شكل (سلف

.منطبق بود TSMCنتايج

Sonnetدر يك اليه پياده سازي شده مارپيچي مربعي سلف :8-4شكل

(N=2.5, W=15um, S=1.5um, 2R=100um)

:چند اليه مارپيچيشبيه سازي سلف - 4-5-1

ها از در اين سلف. ساختار مربعي انجام گرفت مارپيچي باهاي چند اليه سازي براي سلفشبيه

با توجه به رابطةاستفاده شده است تا ) 6و 4، 2هاي اليه(اليه هاي فلزي بصورت يك در ميان

و ضريب كيفيت بهتري داشته باشيم [50] ها كمتر شدههاي پارازيتيكي بين اليهخازن) 4-18(

. )9-4شكل (

68

(N=4, W=10um, S=1.5um, 2R=100um)سلف چند ال يه مارپيچي شبيه سازي شده : 9-4شكل

دور در هر اليه 4و 3، 2تعداد دورهاي مختلف ءازاه سازي بشبيهبراي تعيين مدل سلف،

20هاي ميكرومتر با پله 200تا 60انجام گرفت كه در هر حالت براي مقادير قطر داخلي از

ميكرومتر و فاصله بين 10در اين حالت (W)عرض فلز. سازي انجام شده استميكرومتري شبيه

سازي انجام شده و تار چند اليه مختلف شبيهساخ 24براي عمالً. ميكرومتر است 5/1 (S)دورها

.انداستخراج شده 0.5GHzهاي با پله 20GHz تا فركانس Sپارامترهاي

:شبيه سازي سلف با ساختار سلنوييدي - 4-5-2

شود كه مي پيشنهادمجتمع سلف سازي سلنوييدي براي پياده يساختاردر اين رساله

هاي چند اليه و با ضريب كيفيت بهتري نسبت به سلف مقادير بزرگتر سلف را در مساحتي كمتر

ها با توجه به اينكه در هر اليه فقط يك دور وجود دارد، خازنهاي بين اليه. دهدمتداول ارايه مي

حلقه فلزي را ) 6تا 1هاي اليه( هااليههمه در كوچك بوده و مي توان براي افزايش مقدار سلف

اند، لذا هاي سلف بصورت عمودي زير هم قرار گرفتهساختار حلقه در اين .)10-4شكل (ايجاد نمود

. توان رسيدتري ميدر مساحت كمتري به سلف بزرگ

69

-براي سلف. نشان داده شده است Viaمكان و شكل 10-4در نماي باالي سلف در شكل

-اي سلفسازي براين شبيه. )10- 4شكل ( سازي انجام گرفتشبيههايي با ساختار سلنوييدي نيز

تا 60از (R)ميكرومتر و بازاي مقادير مختلف شعاع داخلي 20و 10 ،15 (W) هايي با عرض فلز

ساختار سلنوييدي 24براي انجام شده است و عمالً) ميكرومتري 20با پله هاي (ميكرومتر 200

.انداستخراج شده 20GHzتا فركانس S مختلف نيز شبيه سازي انجام شده و پارامترهاي

(W=15um, 2R=100um)شبيه سازي شده سلنوييديسلف :10-4شكل

كه در فايلي با فرمت است Sشامل مقادير پارامترهاي سازنرم افزار شبيه اطالعات خروجي

Touchstone پارامترهاي حقيقي و موهومي در آن مقادير واند ذخيره شدهS در فركانسهاي

قابل Hspiceمشخص در Sوان يك دو قطبي با پارامترهاي همين فايل بعن. مختلف آمده است

.و در آن يك سلف دو سر تعريف شده است شودمعرفي مياستفاده خواهد بود كه به شكل زير

SL1 n1 n2 0 mname=s_inductor

********** S parameters are in touchstone file "inductor.s2p"

.model s_inductor S TSTONEFILE = 'C:\inductor\inductor.s2p'

70

:مدلسازي سلف با شبكه عصبي -4-6

براي مدلسازي سلف با ابعاد دلخواه استفاده از نرم افزارهاي تحليل الكترومغناطيسي بسيار

كه تعيين اين [49] باشدروش ديگر استفاده از معادالت توصيفي رفتار سلف مي. استزمانبر

. از مشكالت اين روش خواهد بود د و دقت نه چندان باالي آن،رهاي جديروابط براي ساختا

براي اينگونه مؤثربراي مدلسازي يك راه حل (ANN)استفاده از شبكه عصبي مصنوعي

كاربردهاست چون اين روش قابليت آموزش رابطه بين هر ورودي و خروجي غير خطي را داراست

موقعيكه شبكه عصبي آموزش . [51]دهد ته ارايه ميهاي گسسو يك تخمين همواري را از داده

بسته بين آيد و يك رابطةهاي شبكه بدست ميها و باياسداده شد، پارامترهاي مدل از قبيل وزن

خير بسيار كمي ها را با تأآموزش داده شده خروجيلذا شبكه . ها خواهيم داشتورودي و خروجي

تحليل تر از مدلسازي با نرم افزارهاي يار سريعمدلسازي با شبكه عصبي بس. كندتوليد مي

ساده مدلهاي تحليلي همواره از در چونكه استهاي تحليلي تر از مدلو دقيق الكترومغناطيسي

با هاي جديدتكنولوژيدر و ديگر قطعاتبه سادگي براي اين روش .سازي مدل استفاده مي شود

شبيه سازي ساختار قطعات با نرم افزارهاي تحليل الكترومغناطيسي و آموزش شبكه عصبي

.استسازي پيادهقابل مناسب

- پسيو بعلت سهولت در اندازه قطعاتالكتريكي مشخصة معموالً RFمدارهايدر طراحي

بعنوان خروجي Sسازي نيز از پارامترهاي لذا در اين مدل. شودبيان مي Sگيري با پارامترهاي

هاي مورد شبيه سلف ،هاي پسيو معكوس پذيركه براي شبكهاز آنجايي. مدل استفاده شده است

بعنوان خروجي در نظر گرفته S21 فقط ،با يكديگر يكسان هستند S21و S12پارامترهاي ،نظر

ده شده هاي سلنوييدي آموزش داهاي چنداليه و سلفدو شبكه عصبي مجزا براي سلف. شده است

.است

71

براي مدلسازي سلف چند اليه ورودي شامل قطر داخلي، تعداد ،الف- 11- 4مطابق شكل

S11 ،S22 و خروجي شامل مقادير حقيقي و موهومي پارامترهاي استدورها و فركانس مورد نظر

.اندثابت فرض شده (S) و فاصله بين دورها (W)در اين حالت مقدار عرض فلز . باشدمي S12و

(W=10um, S=1.5um)

)الف(

)ب(

سلف سلنوييدي) ب(سلف چند اليه مارپيچي ) الف(مدلسازي با شبكه عصبي : 11-4شكل

براي مدلسازي سلف سلنوييدي ورودي شامل قطر داخلي، عرض ،ب- 11- 4مطابق شكل

S11 ،S22باشد و خروجي شامل مقادير حقيقي و موهومي پارامترهاي فلز و فركانس مورد نظر مي

.است S21و

حاصل از شبيه سازي با نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي Sپارامترهاي ،الهرسدر اين

Sonnet نمونه 960تعداد . تشريح شد، براي آموزش شبكه استفاده شده است 4-4 بخشكه در

ساختار براي هر حالت كه تا 24( شده است و چنداليه استخراج ييديحالت سلنو هربراي

.)شبيه سازي شده است 0.5GHzبا پله هاي 20GHzفركانس

و % 20، % 60با نسبت هاي Validationو Train ،Testداده هاي آموزشي به سه دسته

سه اليه با يك اليةپرسپترون جهت آموزش يك شبكة Trainاز داده هاي . دشدنتقسيم % 20

72

ي اليه مخفي با توجه به دقت مورد انتظار و تعداد نرون ها .نرون استفاده گرديد 100مخفي شامل

feed-forwardشبكه آموزش داده شده از نوع .با سعي و خطا بدست آمده است

Backpropagation ها و باياس شبكه را با روش مقادير وزن ،است كه در آن تابع آموزش شبكه

انجام شده است كه در يادگيري با مومنتم . آوردبدست مي Levenberg-Marquardtبهينه سازي

.در نظر گرفته شده است 0.9ثابت مومنتم و 0.01آن نرخ يادگيري

در حين آموزش . استآخر خطي اليةتوابع و سيگموئيد - اول تانژانت محرك الية توابع

و در لحظه شروع افزايش خطاي شده بررسي Validationقابليت تعميم دهي شبكه توسط دسته

تابع خطاي متوسط .دشون over-fittingشبكه دچار مشكل تا متوقف گرديدخروجي، روند آموزش

هاي نرم افزار تحليل و داده ANNبين خروجي شبكه (Mean Square Error)مجموع مربعات

.نشان داده شده است 12-4در حين آموزش براي هر دو شبكه در شكل ،الكترومغناطيسي

از Validationا افزايش خطاي داده هاي نشان مي دهد كه آموزش شبكه ب 12-4شكل

صحت عملكرد مدل با نتايج حاصل از . مقدار معيني، متوقف مي شود تا عموميت مدل حفظ شود

.شبيه سازي قطعه مقايسه مي شود

الزم به ذكر است كه . ديگردبررسي Testشبكه در برابر دسته صحت عملكرد در نهايت

هاي عصبي آموزش داده شده و ميزان ويژگيهاي شبكه .ندابودههاي آموزشي ننمونهاين دسته جزو

.آمده است 3-4خطاي نرماليزه شده آنها در جدول

هاي سلنوييدي و چنداليههاي عصبي آموزش داده شده براي دو حالت سلفمشخصات شبكه: 3-4جدول Total

Training

Time (min)

Training

Epochs Normalized

Test Error

Normalized

Training

Error

ANN

Structure Type

15 190 0.067 % 0.062 % 3-100-6 Solenoidal 15 399 0.048 % 0.044 % 3-100-6 Multi Layer

73

)الف(

)ب(

مدل سلف سلنوييدي) ب(مدل سلف چنداليه ) الف( مقادير خطا در حين آموزش: 12-4شكل

74

هاي هاي آموزش داده شده، تابع رگرسيون خطي بين دادهكهبراي نشان دادن كيفيت شب

هاي ، براي دادهSonnetهاي حاصل از تحليل الكترومغناطيسي با نرم افزار خروجي شبكه با داده

. دهدشبكه را نشان مي هر دو رسم شده است كه عملكرد مناسب 13-4در شكل Testدستة

)ب( )الف(

و داده هاي نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي براي داده هاي ANN ون بين خروجي شبكهتابع رگرسي: 13-4شكل

مدل سلف سلنوييدي) ب( مدل سلف چنداليه ) الف( testدسته

75

:هاي چنداليه و سلف سلنوييديسازي سلفنتايج شبيه -4-7

آمده و از آنجا در فركانسهاي مختلف بدست Sمقادير پارامترهاي ،عصبي از روي مدل شبكة

3- 4بخش روابط شود سپس مقادير پارامترهاي سلف با توجه بهمحاسبه مي Yو Zپارامترهاي

.اندبدست آمده

اعتبار نتايج مدل شبكه عصبي با نتايج حاصل از شبيه سازي با استفاده از داده هاي تست

و در مدل سلف 3e-6سنجيده شده است كه خطاي حاصل در مدل سلف چند اليه كمتر از

. برآورده شده است (1e-4)مي باشد كه دقت مورد انتظار 2e-5سلنوييدي كمتر از

منحني تغييرات مقادير سلف، ضريب كيفيت و فركانس تشديد با تغيير قطر 14- 4در شكل

فركانس در (Qd) مقدار سلف و ضريب كيفيت دوسر. داخلي براي سلف سلنوييدي آمده است

1GHz عرض فلز مختلف رامقد 3ها بازاي اين منحني. اندمدهبدست آ(W) ،10um ،15um و

20um بصورت تقريباًالف با افزايش قطر داخلي مقدار سلف -14- 4مطابق شكل .رسم شده است

شكل (فزايش ابعلت كاهش مقاومت فلز ضريب كيفيت با افزايش عرض فلز . يابدافزايش ميخطي

يابدفركانس تشديد كاهش مي ،هاخازنهاي پارازيتيكي بين اليهبعلت افزايش ليو) ب- 14- 4

، 2ها براي سلف چند اليه نيز براي سه حالت كه تعداد دور هر اليه اين منحني .)ج-14-4شكل (

شود در مالحظه مي الف -15- 4همانطور كه در شكل . اندرسم شده 15-4 است، در شكل 4و 3

يابد كه بصورت خطي با افزايش مقدار قطر داخلي افزايش مي مقدار سلف تقريباًنيز اين ساختار

در قطرهاي باال بعلت كم شدن فركانس تشديد و نزديك شدن اين فركانس به فركانس البته

1GHz با افزايش تعداد دورها مقدار سلف افزايش يافته ولي ضريب .مقدار سلف كاهش يافته است

ومت فلز و افزايش خازنهاي پارازيتيكي بين سيم پيچها بعلت افزايش مقا كيفيت و فركانس تشديد

.)ب و ج- 15- 4شكل ( يابندكاهش مي و بين اليه ها

76

)الف(

)ب(

)ج(

منحني تغيير مشخصات سلف سلنوييدي : 14-4 شكلضريب ) ب(مقدار سلف ) الف(با تغيير قطر داخلي فركانس تشديد) ج(كيفيت

)الف(

)ب(

)ج(

با منحني تغيير مشخصات سلف چنداليه: 15-4شكل ضريب كيفيت ) ب(مقدار سلف ) الف(تغيير قطر داخلي فركانس تشديد) ج(

77

هاي چنداليه مقدار شود كه اگر چه سلف، مشاهده مي15-4و 14- 4با مقايسه بين شكلهاي

ركانس تشديد بيشتر و مساحت كمتري هاي سلنوييدي ضريب كيفيت و فبيشتري دارند ولي سلف

ها دارند كه با توجه به آن نشان داده خواهد شد كه در بسياري از كاربردها استفاده از اين سلف

. [52]تر خواهد بودمناسب

:طراحي سلف -4-8

VCOر يا ، ميكسLNAسلف به عنوان بار در مدار در يك كاربرد، ،مجتمع مدارهايدر

بايستي لذا كندسلف در فركانس مشخصي مثل مدار تانك عمل مي حالت،اين در .شوداستفاده مي

-استفاده از سلف در اين كاربرد .[50]ماكزيمم باشد (Q.L) آن حاصلضرب مقدار در ضريب كيفيت

پسيو تطابق را قطعهدر كاربرد ديگر سلف بعنوان يك . است ترمناسبهاي سلنوييدي يا چنداليه

در اين كاربردها ) سورس مشترك LNAدر گيت و سورس مثالً. (كندميايجاد LNAدر ورودي

بايستي لذا .)ماكزيمم چند نانو هانري(نيست هم مقدار زياداين كه معموالًمقدار سلف مهم است

يك اليه مارپيچيهاي اين كاربردها استفاده از سلفدر كهداشته باشيم دقيقسلفي با مقدار

هدف ،پس با توجه به نوع كاربرد. دنت چون ضريب كيفيت بهتري دارتر اسمناسب )8- 4شكل (

سازي و نوع سلف مناسب هدف از بهينه ،فوق ر دو حالتد. شودطراحي سلف و نوع آن مشخص مي

:به شكل زير خواهد بوددر هر مورد،

:سلف بار - 1

:هدف از بهينه سازي در يك فركانس مشخص عبارت است از

)4-19 ( .Maximize L Q

Maximize SRFMinimize Area

.تر استهاي چند اليه و سلنوييدي مناسبكه در اين حالت استفاده از سلف

78

:سلف تطبيق - 2

:سازي عبارت است ازهدف از بهينه

)4-20( givenMinimize Error L L

Maximize QMaximize SRFMinimize Area

= −

.تر استمناسب ،يك اليه استانداردمارپيچي هاي كه در اين حالت استفاده از سلف

ف در فركانس هاي مختلف با ساختار سلنوييدي يا چند اليه طراحي در ادامه چند سل

مساحت براي كاربرد در يك كمترين فركانس تشديد وبيشترين هدف طراحي سلفي با . كنيممي

سازي يك الگوريتم بهينه. در طراحي از دو بلوك اصلي استفاده شده است. س معين استفركان

اليه را سلف سلنوييدي و چند 5-4 مطابق بخش و يك بلوك مدلسازي كه مسألهبراي حل

.كندميشبكه عصبي مدل بوسيلة

توسط الگوريتم ) W,R,Nمقادير (مقادير پارامترهاي فيزيكي سلف ابتدا ،در اين روش

سلف Sسپس با استفاده از مدل شبكه عصبي مقادير پارامترهاي ،شودسازي پيشنهاد ميبهينه

. شوندمحاسبه مي آن ر سلف، ضريب كيفيت و فركانس رزونانساقدم روي آنو از ،استخراج شده

ابع هدف در الگوريتم واين مقادير بعنوان ت .آيدمساحت سلف نيز با توجه به ابعاد سلف بدست مي

هاي سلنوييدي عملكرد در ادامه نشان خواهيم داد كه سلف .سازي استفاده خواهند شدبهينه

براي مقايسه نتايج يك معيار شايستگي . داليه خواهند داشتهاي چنبهتري در مقايسه با سلف

)59FoM ( مطابق معادله)كنيمتعريف مي) 21- 4 .

)4-21 ( 2( ). . ( )

( )L nH Q SRF GHzFoM

Area mm=

59 Figure of Merit

79

يك سلف بهينه از نوع سلنوييدي و سپس يك سلف چند اليه براي كاربرد :طراحي سلف بار

دو جواب منتخب از جبهه پارتو بعنوان نتايج . كنيمطراحي مي 2.4GHzبعنوان بار در فركانس

نشان FoMهمانطور كه . آمده است Aقسمت 4- 4طراحي و بهينه سازي از هر نوع در جدول

.عملكرد بسيار بهتري دارنددر اين كاربرد، هاي سلنوييدي دهد، سلفمي

در چندين ،ف تطبيقبعنوان سل 15nHيك سلف با مقدار مشخص :طراحي سلف تطبيق

نتايج طراحي . كنيماز هر دو نوع سلف طراحي مي (1GHz, 2.4GHz, 5.2GHz)فركانس مختلف

در مخصوصاً ،هاي سلنوييديدهد كه در اين حالت نيز سلفنشان مي Bقسمت 4-4در جدول

.اندعملكرد بهتري نشان دادهفركانسهاي باالتر،

هايي بهينه بعنوان بار در چندين فركانس سازي سلفريتم بهينهر آخرين تحقيق، با استفاده از الگو

در اين حالت نوع سلف نيز توسط الگوريتم بهينه سازي مشخص . مختلف طراحي خواهيم كرد

نتايج طراحي در . شودمزمان در هر دو نوع سلف انجام ميخواهد شد، بعبارت ديگر جستجو بطور ه

ها از دهد كه اين سلفلنوييدي است و اين نشان ميهاي سفقط شامل سلف Cقسمت 4-4جدول

. [52]هاي چنداليه عملكرد بهتري در كاربردهاي مختلف خواهند داشتهر نظر از سلف

80

نتايج بهينه سازي سلف با شرايط و فركانسهاي مختلف: 4-4جدول

FoM Area

(mm^2) SRF

(GHz) Q

L

(nH) W

(µm) 2R

(µm) TypeFreq.Section

13004 0.0256 9.25 2.95 12.2 15 80 Sol.

2.4

GHz A

232270.019614.253.279.771070 11956 0.0253 13.25 2.67 8.55 2 65

Mul.9687 0.028610.752.4210.65275 18051 0.0266 9.25 3.44 15.09 10 80 Sol. 1

GHz

B

107430.03249.752.3815.00276 Mul.

8189 0.0299 8.25 1.98 14.99 15 93 Sol. 2.4

GHz 7704 0.03429.251.8915.07291 Mul.

213620.025311.253.1915.061089 Sol. 5.2

GHz 7919 0.03179.751.7214.97284 Mul.

126310.0328 7.25 3.61 15.83 20 91 Sol. 1.8

GHz

C

246120.016916.253.048.421060 Sol. 9067 0.0313 7.75 2.61 14.03 20 87 Sol. 2.4

GHz 268360.017216.253.418.331061 Sol.

130520.0169 16.25 1.88 7.22 10 60 Sol. 5.2

GHz

81

:TSMCتكنولوژي در عناصرسازي مدل -4-9

ةهايي شامل كلياز مدلتي بايسباالي مدار، كاري بعلت فركانس RFتحليل مدارهاي در

ها بر اساس فيزيك قطعه پيشنهاد شده و با اندازه گيري اين مدل. عناصر پارازيتيك استفاده كرد

در . آيندتراشه و يا با تحليل الكترومغناطيسي بدست مي ةهاي سازندپس از ساخت بوسيله شركت

. استفاده شده است قطعات ية، براي كلTSMCسازي پيشنهادي از مدلهاي شركت الگوريتم بهينه

عناصر پارازيتيكي در آن در نظر گرفته كه كليةاز يك زير مدار قطعهبدين معني كه بجاي يك

كه بوسيله 0.18umدر تكنولوژي هامدلاين در اين بخش مروري بر . شودشده است، استفاده مي

.[48] باشندصادق مي 20GHzها تا فركانس اين مدل. ارايه شده، خواهيم داشت TSMCشركت

: MOSترانزيستور - 1- 4-9

(BSIM3V3) هاي باال به مدل ترانزيستور عاديسازي ترانزيستور در فركانسبراي شبيه

. [48]اضافه شده است الف- 16- 4 عناصر پارازيتيك مطابق شكل

)ب( )الف(

ترانزيستور جانماييساختار ) ب( NMOSترانزيستور RFمدار معادل ) الف(: 16-4 شكل

Rsb

G

Cds_m

Rd

Rb

B

Csb

Djdb_f

Djsb_g

D

Djdb_g

Cdb

M1

Rs

Rdb

Cgs_m

Rg

Djsb_f

S

Cb

Cgd_m

82

عناصر پارازيتيك به ترانزيستور اضافه شده و كل مدار بعنوان يك ةدر اين شكل كلي

و Rb ،Rsb (هاي بدنه مقاومت: عناصر پارازيتيك عبارتند از. شودزيرمدار جايگزين ترانزيستور مي

Rdb(هاي بدنه ، خازن )Cb ،Csb وCdb( گيت مؤثر، مقاومت)Rg ( لفه شامل مقاومت مؤكه از دو

ديودهاي بين درين و بدنه و بين ،كانال تشكيل شده است ةشد ءفيزيكي فلز گيت و مقاومت القا

هاي اتصاالت و خازن) Rs ،Rd(هاي مسير اتصاالت فلزي درين و سورس سورس و بدنه، مقاومت

.)Cds_mو Cgd_m ،Cgs_m( هافلزي پايه

- گيري نمونهاند و با اندازهسازي شدهب پياده- 16-4ل نزيستورها با ساختاري مشابه شكترا

مدلسازي (ترانزيستورهاي موجود . مدلسازي انجام گرفته است ،هاي ساخته شده با ابعاد مختلف

- مي 0.35umو 0.18umو عرض كانال 1.5um, 5um, 8umداراي ابعاد ثابت با طول كانال ) شده

. قابل انتخاب است 64تا 1هاي آن از باشند كه تعداد انگشتي

: سلف مجتمع مارپيچي - 2- 4-9

، )6اليه فلزي (در باالترين اليه فلزي شش ضلعي براي ساخت سلف از ساختار مارپيچي

سه نوع سلف .است 2.34umداراي ضخامتي برابر AlCuاين اليه فلزي از جنس .شوداستفاده مي

ارن با سر وسط مدلسازي شده است شامل سلف استاندارد مارپيچي، سلف متقارن و سلف متق

.آمده است 5-4هاي مدلسازي شده در جدول سلفپارامترهاي مجاز محدودة. )الف-17-4 لشك(

[48] هاي شبيه سازي شدهمجاز ابعاد سلف محدودة: 5-4جدول

83

اطيسي حاصل از آن بر ها قرار داده شود چونكه شار مغني نبايستي زير سلفاقطعههيچ

و (R)، شعاع سلف (N)تواند با انتخاب تعداد دورها طراح مي. گذاردمي تأثيرروي عملكرد آنها

.مقدار سلف را تعيين كند (W)عرض فلز سلف

شامل تلفات اهمي فلز سلف، اثر پوسته و اثر مجاورتي استاندارد آل سلفاثرات غير ايده

هاي پارازيتيك بين سيم پيچها و همچنين بين سلف و ده، خازنكه باعث افزايش اين مقاومت ش

اين مدل، يك . مدل شده استب - 17- 4 مطابق با شكل Eddyبدنه و تلفات بدنه ناشي از جريان

مقاومت Riمقدار سلف و Liدر اين مدل . استصادق 20GHzمدل پهن باند است كه تا فركانس

خازن بين Coxiسلف ناشي از اثر پوسته فلز سلف، مقامت و Lsiو Rsiاهمي سيم پيچ سلف،

خازن كوپلينگ C12مقاومت و خازن ناشي از تلفات بدنه بوده و Csubiو Rsubiسلف و بدنه،

.استسلف 2و1 هايبين پورت

)الف(

P2L2

Cox2

Rs2

Cox3

Rs1

Rsub2

Ls2Ls1

C12

Csub2

R1

Rsub1

P1

Csub3

Cox1

L1

Rsub3Csub1

R2

)ب(

[48]سلف استانداردمدار معادل )ب(ساختار سلف مارپيچي چند )الف( :17-4 شكل

84

و N (0.5 - 5.5)، بازاي مقادير مختلف تعداد دور TSMCسازي توسط شركت اين مدل

انجام شده W (9um, 15um, 30um)بازاي مقادير مختلفو ) R ) 30um - 120umشعاع سلف

فرمولبراي استخراج اين . اندبصورت تابعي از ابعاد فيزيكي سلف مدل شده قطعاتمقادير . است

Yپارامترهاي گيريبا توجه به نتايج اندازههايي با ابعاد مختلف ساخته شده و سلف ،تجربي يها

سلف استاندارد با فرمولهاي مقادير مدل براي 6- 4جدول در .شده است اين مدلسازي انجام آنها

DA ، DOكه در آن . آمده است) الف- 6شكل ( S=2umو فاصله بين دورها W=15um عرض فلز

.استبه ترتيب قطر متوسط، قطر بيروني و تعداد دور سلف Nو

[48] مدار معادل سلف عناصرمقادير : 6-4 جدول

: MIMخازن - 3- 4-9

فلزي براي ساخت خازن اضافه شده است كه خازن بين آن و در ساخت تراشه يك الية

،د يكي با اليه شيلدند طراحي شونتوانبه دو شكل مياين خازنها . شوداليه فلزي زير آن ساخته مي

خازن بدون اليه يديگر و شودبعنوان شيلد استفاده شده و به زمين متصل مي ،4كه از اليه فلزي

قطعاتخازن اصلي و بقيه Cmimكه در آن آمده است 18- 4شكل درمدل خازن . است يلدش

.پارازيتيك هستند

85

Rtop وRbot مقاومت وLtop وLbot هاي ناشي از اتصاالت الكترودهاي بااليي و سلف

الت براي ح كهاست اليه شيلد يا بدنه باخازن پارازيتيك بين الكترود پاييني Cox. پاييني هستند

مدلسازي توسط .ناشي از اثر بدنه نيز وجود خواهند داشت Csubو Rsub قطعاتبدون شيلد

براي تجربي يهايفرمول. براي ابعاد مختلف خازن با اندازه گيري انجام شده است TSMCشركت

[48] استخراج شده است، گيري ساختارهايي با ابعاد مختلفبا توجه به نتايج اندازه، قطعاتمقادير

.

)ب( )الف(

بدون شيلد) ب( زمين شده شيلد با) الف( MIMمدار معادل خازن : 18-4شكل

مل پ

یه سازی ر LNA دا

و ذف ر ی با

86

: LNA طراحي -5-1

به عدد نويز كل و عدد نويز آن مستقيماً اولين طبقه در مسير گيرنده است LNAمدار

مورد نياز نيز با ميزان بهرة. نويز كمي داشته باشد شود لذا اين طبقه بايستيسيستم اضافه مي

ر نويز طبقات بعد آيد، هر چه كه بهره بيشتر باشد اثكل گيرنده بدست مي IP3توجه به عدد نويز و

براي LNAامپدانس ورودي معموالً. يابدكاهش مينيز IP3ولي ميزان ،كمتر شده LNAاز

كه فيلتر حذف ،هتروداين ميزان امپدانس خروجي در گيرندة. داهم باش 50بايستي ،تطبيق توان

اخل تراشه اهم باشد ولي در حالتي كه فيلتر حذف تصوير د 50نيز بايستي ،تصوير بيروني دارد

بعدي طراحي نس خروجي براي تطبيق توان با طبقةبوده يا معماري گيرنده هموداين باشد، امپدا

. اهم نيست 50 شود كه لزوماًمي

در محاسبات از نويز فليكر صرفنظر كند، باال عمل ميهاي در فركانس LNA معموالً چون

در در تحليل انجام شده . ر شده استو بعلت تاثير كم از نويز حرارتي گيت نيز صرفنظ شده است

روابط طراحي داراي پيچيدگي در نظر گرفته نشده است Cgdخازن عليرغم اينكه [53]مرجع

.زيادي است

) ب( ) الف(

ac [53]مدار معادل ) ب(كسكود LNA مدار) الف: (1-5شكل

87

به )الف-1-5شكل ( ،Cascode يز براي ساختارپارامترهاي نو، )1-5( با توجه به رابطة

: [53]دنآيشكل زير بدست مي

)5-1 ( 2

minn s opt

s

R Y YNF NF

G

−= +

)5-2 ( 0 1.nm

Rg

γα

=

)5-3 ( 20 (1 ) . (1 )5 5opt gs gsY C c S C cδ δαω αγ γ

= − − +

)5-4 ( 20min

21 (1 )5 T

NF cω γδω

= + −

0كه در اين روابط nR 0نويز، معادل مقاومت

optY جهت رسيدن به حداقل منبع ادميتانس بهينة

0و عدد نويزminNF مقادير .حداقل عدد نويز استγ، α، δ وc در .اندمعرفي شده 3- 2در بخش

.كه سورس زمين شده است ي استباالنويس صفر براي حالت )4-5(تا )2-5(معادالت

امپدانس ورودي مطابق رابطه در ب-1- 5است كه مطابق شكل توجه به اين نكته ضروري

توان نميادي درجه آز دواست، بديهي است كه با gmو Cgsقابل تنظيم هايتنها پارامتر ،)5-3(

،براي غلبه بر اين مشكل ساختاري. درامپدانس ورودي را ايجاد كتطبيق همزمان تطبيق نويز و

مطلوب نقطةسمت را به optZتوان مقدار با استفاده از فيدبك مي. توان از فيدبك استفاده كردمي

.جابجا كرد

از فيدبك موازي يق بهتر در ورودي و خروجي پهن باند براي ايجاد تطب مدارهايدر

براي ،را خراب كند NFبدون آنكه ،در وروديفيدبك سري ،LNAدر مدارت . شوداستفاده مي

روش 60فيدبك سري با استفاده از سلف در سورس. رودامپدانس و نويز بكار ميهمزمان تطبيق

. شودباند باريك استفاده مي مدارهاي دركه است Cascodeمعمول در مدار سورس مشترك و

60 Inductive source degeneration

88

در سورس و مدار معادل سيگنال كوچك آنرا نمايش با سلف Cascodeمدار ، 2-5 شكل

. تاس Lgسلف مدار تطبيق منبع ورودي شامل يك . دهدمي

)ب( ) الف(

ac [53]ار معادل مد )ب(هاي تطبيق كسكود با سلف LNAمدار )الف(: 2-5شكل

محاسبه خواهد )6-5(عدد نويز مطابق رابطه سلف، پارازيتيك از مقاومتهاي اغماضبا

در .دنآيبدست مي )9- 5(تا )7-5(ابط وپارامترهاي نويز مطابق ر ،)1- 5( با معادلة اين رابطهبا .شد

مقدار )8-5(رابطه . سلف در سورس نداشته باشيمروابط باالنويس صفر براي حالتي است كه اين

0كه در آن دهدمي را نشان NFminبه نورودي براي رسيد بهينةامپدانس optZ 10-5(از رابطه(

. [53]آيدبدست مي

)5-6(2

2 2 20

22 2 2 2

. 1 ( )(1 ) ( ) (1 )1 5 51 .

(1 ) ( ) ( )5

gd gs g s gs s

m sm gs s g

S C L L c SC R cNF

g Rc g SC R SL

δ δγ α αγ γ

αδ

⎧ ⎫⎧ ⎫⎡ ⎤⎪ ⎪⎪ ⎪+ + + − +⎨⎢ ⎥ ⎬⎪ ⎪⎪⎣ ⎦ ⎪= + ⎩ ⎭⎨ ⎬⎪ ⎪⎪ ⎪− − −⎩ ⎭

)5-7( 0 1.n nm

R Rg

γα

= =

)5-8( 0opt opt sZ Z SL= −

)5-9( 20min min

21 (1 )5 T

NF NF cω γδω

= = + −

89

)5-10( 2

00 2

22

(1 )55 (1 )1

(1 )55 (1 )

optopt

gs

j cc

ZY

C cc

δ δα αγγ

α δ δω αγγ

+ +−

= =⎧ ⎫⎪ ⎪+ +⎨ ⎬

−⎪ ⎪⎩ ⎭

و مقاومت نويز، مقدار NFشود كه بدون تغيير مقدار با توجه به روابط فوق مالحظه مي

Zopt براي هر تركيب مدار توجه به اين نكته ضروري است كه روابط فوق . اده شده استشيفت د

'Zتطبيق و مقدار s بدست مي )11- 5(امپدانس ورودي از رابطه 2-5مطابق شكل . صادق هستند-

. آيد

)5-11( 1 1m sin T s

gs gs gs

g LZ SLs SLs LSC C SC

ω= + + = + +

امپدانس ورودي مقدار حقيقي در در اين حالتهمانطور كه از اين رابطه مشهود است

اين . تاشدامپدانس ورودي مقدار حقيقي ن ،ورسدر حاليكه بدون سلف در س ت،شدا يمخواه

نزديك شود، بدون آنكه مقدار inZمنبع به مقدار امپدانس بهينة Zoptموجب خواهد شد كه

NFmin وRn توان تطبيق توان و تطبيق نويز در بعبارت ديگر با استفاده از اين روش مي .تغيير كند

:است كه بايستي روابط زير برقرار شود اين بدين معني .ان ايجاد كردورودي را بطور همزم

)5-12 ( Re[ ] Re[ ]opt sZ Z=

)5-13( Im[ ] Im[ ]opt sZ Z=

)5-14( Re[ ] Re[ ]in sZ Z=

)5-15( Im[ ] Im[ ]in sZ Z= −

.آيدبدست مي )16-5(از رابطه 2-5با توجه به شكل و استامپدانس منبع Zs در آن كه)5-16 ( s s gZ R SL= +

ثير كمي دارد در حاليكه عدم تأ LNAدر تطبيق توان ورودي بر روي عملكرد عدم تطابق

. گذاردمي اثر NFبطور مستقيمي بر مقدار ، Zoptتطابق در مقدار

90

طول :به ترتيب عبارتند از )15-5(تا )12-5(پارامترهاي طراحي براي رسيدن به روابط

4كه با يك مساله . Lgو ) gmيا مقدار ( VGS، ولتاژ باياس Ls، ) Cgsيا مقدار ( Wترانزيستور گيت

حداقل به مقدار حداكثر خود برسد، Tωبراي اينكه كانالطول . مجهول روبرو هستيم 4معادله و

بدين ترتيب تطبيق توان در ورودي و تطبيق نويز براي رسيدن به .شودانتخاب ميمقدار ممكن

NFmin ، به اين روش تطبيق همزمان نويز و ورودي .شود خواهدبه طور همزمان برآورده

(SNIM)61 شودگفته مي.

و زياد باشد LNAكاري ، توان )W(باشد بزرگنزيستور اگر ابعاد ترا ،با توجه به روابط فوق

ولي در حالتيكه .مناسب بدست خواهند آمد قطعاتمقادير انجام شود، باال در فركانسهايطراحي

يابد و افزايش مي Re(Zopt)مقدار )10- 5(مطابق رابطه باشد،هر كدام از اين شرايط وجود نداشته

بزرگ Lsاين .آيدبزرگ بدست مي LSمقدار ،اس مشخصباييك در )11- 5( با رابطةمطابق

و افزايش )12- 5(اين به معني عدم برقراري رابطه و قابل پياده سازي نخواهد بودبصورت بهينه،

بزرگ معادالت قبلي داراي خطا خواهند Lsبازاي ،عالوه بر آن. است NFminمقدار از NFمقدار

، بين گيت و Cexتوان يك خازن براي حل اين مشكل مي. ردتوان صرفنظر كنمي Cgdبود چون از

Cgsدر اين حالت روابط قبلي كماكان صادق خواهند بود و فقط بايستي خازن . سورس اضافه كرد

tروابط با خازن را در كلية gs exC C C= جريانهاي باياس كوچك و يا در در . جايگزين كرد +

به Cexبا انتخاب مناسب توان ميهميشه شود، ف مورد نياز بزرگ ميفركانسهاي كم كه مقدار سل

آزادي در حقيقت با اين كار يك درجة. سازي باشد، رسيدهكه قابل پياد Lsبراي كوچكتري ر يدامق

تواند، ميمحدوديت نايكه ردطراحي اضافه ك ديگر بهتوان يك محدوديت ايم و ميضافه كردها

به اين روش تطبيق همزمان نويز و ورودي با محدوديت توان . باشد LNA كاري حداكثر توان

.شودگفته مي 62(PCSNIM)مصرفي

61 Simultaneous Noise and Input Matching

62 Power Constrained Simultaneous Noise and Input Matching

91

را طوري انتخاب Vgsابتدا ولتاژ باياس : روش طراحي در اين حالت بدين شكل خواهد بود

س بر اسا (W)دوم سايز ترانزيستور در مرحلة .بدست آيد (NFmin)كنيم كه عدد نويز مينيمم مي

شوند به شكلي انتخاب مي Lsو Cexدر نهايت نيز مقدار . شودمحدوديت توان مصرفي مشخص مي

اي بين شود كه مصالحهطوري انتخاب مي Cexمقدار . برآورده شوند) 14- 5(و )12-5(تا معادالت

ه نيز د اما بهرشومي مك Lsمقدار سلف Cexبا افزايش مقدار . و مقدار بهره برقرار شود Lsمقدار

.يابدكاهش مي

: LNAچند ساختار -5-2

: Cascode مدار -1- 2- 5

كه در مقايسه با مدار سورس مشترك از ايزوالسيون است LNAمدار متداولترين نوع اين

بعلت ايزوالسيون معكوس بيشتر اثر نشت . معكوس باالتر و پايداري بيشتري برخوردار است

ورودي مطابق توضيحات قطعاتدر اين مدار . متر خواهد بودرسد، ككه به آنتن مي LOسيگنال

خروجي در هاي گرهبا خازن شود كهاي انتخاب مي، به گونهLdسلف . شوندطراحي مي ،1-5بخش

).3- 5شكل (رسد تا بهره مناسبي داشته باشيم ببه تشديد LNAفركانس كاري

Ls

Vb

g1in1

out

+1.8V

s1Cex

Lg

Vin

M1

M2

Rs

in

Ld

Cascode، با ساختار LNAمدار : 3-5شكل

92

:تفاضلي Cascodeمدار -2- 2- 5

شده كه براي IP2دارد، از طرفي باعث افزايش استفاده از مدار تفاضلي مزاياي متعددي

با توجه به . [54] دهدباشد و از طرف ديگر نويز مشترك را كاهش ميگيرنده هموداين مهم مي

.داستفاده شو مستقيماً Double Balance تواند براي اتصال به ميكسرخروجي دو سر مي

M4

Ld1

Vb

Lg2M1

Ld2

Rs2

Lg1

Rs1

M3

+1.8V

Cs

Vin-

out-

Ls

M2

Vin+

out+

تفاضلي Cascode با ساختار LNAمدار : 4-5شكل

اتصال به زمين و تغذيه از توجه به اين نكته ضروري است كه LNAهمچنين در طراحي

اين سلف .كنداتصال ايجاد مي Bond Wireناشي از هاي تراشه، يك سلف پارازيتيك طريق پايه

و يا با استفاده از )به خوبي مدل شود(ود در نظر گرفته شبزرگ يا بايستي در طراحي نسبتاً

اما در تركيب ديفرانسيل . [13]اثر آنرا كاهش داد ،چندين اتصال كردن روشهايي مانند موازي

، )tail )Ls,Csسلف و خازن . هاي پارازيتيك حذف خواهد شدوسط مدار زمين شده و اثر اين سلف

.)4- 5شكل (شود نويز مشترك مي كاري به تشديد رسيده و موجب حذف بيشتر در فركانس

: (folded cascode) تا شده Cascodeمدار -3- 2- 5

چون تعداد ترانزيستورهاي استتاشده، براي ولتاژهاي تغذيه كم مناسب cascodeمدار

، Cascodeورودي مشابه با مدار قطعات، 5-5مطابق شكل . سري بين تغذيه تا زمين كمتر است

93

، Ldسلف . شوندنويز و تطبيق امپدانس در يك توان مشخص طراحي ميبراي رسيدن به حداقل

كند و موجب كم شدن حذف مي LNAرا در فركانس كاري M1خازنهاي موجود در گره درين

- اي انتخاب مي، به گونهLoسلف .[53] شودنويز ناشي از ترانزيستور گيت مشترك در خروجي مي

رسد تا بهره مناسبي داشته ببه تشديد LNAنس كاري خروجي در فركا هاي گرهبا خازن شود كه

.باشيم

Vbin1

+1.8V

Rs g1

M2

L0

s1

Ld

Lg

Ls

OUT

in

Cex

Vin

M1

تاشده Cascodeبا ساختار LNAمدار : 5-5شكل

با فيلتر حذف تصوير LNA مدارهاي -5-3

معماري هتروداين است كه در آن به كارايي و RFهاي ل براي گيرندهمعماري متداو

كه استفيلتر كردن فركانس تصوير ضروري ها در اين گيرنده. توان دست يافتپايداري بااليي مي

سازي اين فيلترها بزرگ و گران بوده و با مجتمع .شودفيلتر بيروني انجام مي SAWتوسط معموالً

تحقيقات زيادي در راستاي پياده سازي اين فيلترها بصورت ،براي غلبه بر اين مشكل. ناسازگارند

انجام شود و يا قبل از LNAتواند در صوير ميفيلتر كردن فركانس ت. مجتمع انجام گرفته است

تواند فركانس تصوير را بخوبي همزمان از هر دو مي استفادة. ك يا دو مرحله انجام شودميكسر در ي

، ميزان حذف تصوير بايستي حداقل IEEE 802.11aمطابق با استاندارد. [57]-[55] تضعيف كند

30dB [58]. باشد

94

:فيلتر حذف تصويربا Cascodeمدار -3-1- 5

دهد كه به آن يك فيلتر حذف تصوير از نوع را نشان مي 3- 5شكل ، همان مدار 6-5شكل

LNAدر فركانس كاري M1امپدانس ديده شده از درين . ده استدرجه سوم پسيو اضافه ش

.استفركانس تصوير صفر بينهايت و در

Vb

Cex

Ld

M1Lg

Ls

in

out

M2

Vin L1g1

s1

Image Reject

RsC1in1

g2

d1

+1.8V

t1C2

با فيلتر حذف تصوير LNA ،Cascodeمدار : 6-5شكل

[22] :آيندبه شكل زير بدست مي قطعاتبراي اين منظور مقادير

)5-17 ( 1 1 2

12 ( )imagef

L C Cπ=

+

)5-18( 1 1

12RFf

L Cπ=

ين معني دكمتر است و اين ب (RF)فركانس تصوير از فركانس مطلوب توجه شود كه در اين حالت

.(Low Side Injection) تر باشدكم RFاز فركانس LOست كه بايستي فركانس ا

95

:تا شده با فيلتر حذف تصوير پيشنهادي Cascodeمدار -3-2- 5

,L1هاي سلف. توان فيلتر حذف تصوير اضافه كردمي 7- 5شكل براي اين مدار نيز مطابق

L2 و خازنC1 ين ساختار ساختار جديدي است كه در ا. كنندبعنوان فيلتر حذف تصوير عمل مي

تركيب مدار باز و ،شوند كه در فركانس كاريشود و مقادير به شكلي محاسبه مياينجا پيشنهاد مي

براي اين منظور بايستي معادالت زير برقرار .صال كوتاه داشته باشيمتركيب ات ،در فركانس تصوير

:[59] شود

)5-19 ( 1 1

12 . .imagef

L Cπ=

)5-20 ( 1 2 1

12 . ( ).RFf

L L Cπ=

+

Lgin

M2

LdCex

Vb

C1

+1.8V

in1

Image Reject Filter L2

Ving1

L1

s1

Rs

Ls

M1

OUT

تا شده با فيلتر حذف تصوير Cascodeمدار : 7-5شكل

LNAشود در اين حالت فركانس تصوير بزرگتر از فركانس كاري نطور كه مالحظه ميهما

آنها بزرگتر از فركانس كاري است، LOانس خواهد بود كه اين در گيرنده هاي هتروداين كه فرك

. (High Side Injection) افتداتفاق مي

96

: تفاضلي با فيلتر حذف تصوير Cascodeمدار -3-3- 5

-5مطابق شكل توان فيلتر حذف تصويرمينيز )4-5شكل (تفاضلي Cascodeبراي مدار

ز و در فركانس تصوير اتصال كوتاه اين مدار بايستي در فركانس كاري مدار با .اضافه كرد الف- 8

بايستي را در نظر گرفت، كه ) ب-8-5شكل (نيم مدار معادل ديفرانسيل فيلتر توان مي. باشد

. فيلتر در فركانس كاري بينهايت و در فركانس تصوير صفر باشدنيم مدار معادل امپدانس ورودي

.آيندبدست مي) 18-5( و) 17- 5(باز هم مطابق روابط قطعاتبراي اين منظور مقادير

g1

t1

Ls

out1 out2

g2

C2

Vin+

Ld1

Rs2

IN1 in-

C1

Vin-M1Lg1

Vb

s1

Rs1

Ld2

Lg2in+

L1

M2 M22

d1

M11

Cs

+1.8V

d2

)الف(

2.C1

d1

Zin

t1

Image Reject2.C2

L1 /2

)ب(

نيم مدار معادل ديفرانسيل فيلتر) ب( تفاضلي با فيلتر حذف تصوير LNA ،Cascodeمدار ) الف: (8-5شكل

97

:نتايج طراحي و بهينه سازي -5-4

اي پيچيده روابط نسبتاً ،ذكر شد 1-5 همانطور كه در بخش LNAبراي طراحي مدار

استفاده از اين روابط مشكل و زمانبر خواهد بود و بعلت تقريبي بودن روابط طراحي با. وجود دارد

با سعي و ،در ابتدا نتيجه مطلوب حاصل نخواهد شد و طراح بايستي با احاطه بر روابط حاكم

و Cgdدر روابط قبلي بعلت صرفنظر كردن از خازن . خطاي زيادي به نتايج مطلوب دست يابد

. ها خطاي بااليي خواهيم داشتدن خازنها و سلفآل فرض كرهمچنين ايده

،3در فصل توسط روش ارايه شدهمختلف مدارهايسازي در اين بخش طراحي و بهينه

جانمايي، با توجه به 9-4مطابق بخش قطعاتدر اين روش عناصر پارازيتيك . دخواهد شانجام

. شدآنها در نظر گرفته شده و مدار با توجه به آن بهينه خواهد

، تعداد مدار هايتعداد دور و قطر سلفپارامترهاي طراحي شامل ،سازي مداردر بهينه

و قطعاتابعاد تغييرات محدودة. است و ولتاژهاي باياس ترانزيستورها، ابعاد خازنهاهاي انگشتي

در سازي الگوريتم بهينه .استآمده 1- 5 جدول دركد كردن آنها مورد نياز براي هاي تعداد بيت

.دهداين محدوده جستجو را انجام مي

قطعاتمحدودة تغييرات ابعاد : 1-5جدول

Parameter Min. Max. Bit2R-inductor 40um 120u 8 N-inductor 1 5 4

L=W- capacitor 5um 100u 8 NoF*-transistor 1 64 6

*NoF= Number of Finger

در اين . اندسازي طراحي شده، بوسيله الگوريتم بهينه3-5و 2-5ش مدارهاي بخ كلية

ها از نوع شش ضلعي استاندارد سلفاستفاده شده است كه در آن TSMCاز مدلهاي ها طراحي

كه . اندانتخاب شده )ب- 18- 4شكل ( بدون شيلد مربعي MIMو خازنها از نوع ) الف- 17- 4شكل (

98

نتايج نهايي ارايه شده توسط الگوريتم بهينه سازي، حاصل . ستدر ادامه نتايج طراحي ها آمده ا

:شبيه سازي است كه اهداف طراحي را برآورده كرده اند

Cascodeبا ساختار LNAمدار - 4-1- 5

، با الگوريتم پيشنهادي طراحي و بهينه )3- 5شكل ( Cascodeبا ساختار LNAمدار

- سلف (R-L)و قطر سيم پيچ (N-L) تعداد دورل شام وروديدر اين طراحي پارامترهاي . گرديد

8كه داراي ابعاد M2و M1هاي ترانزيستورهاي انگشتي، تعداد Lgو Ld ،Lsهاي 0.18

W mL m

μμ

=

.هستند (Vbias)و ولتاژ باياس ورودي M2 (Vb)هستند، مقادير ولتاژ باياس گيت

5.7GHzدر فركانس Cascodeبا ساختار LNAنتايج طراحي : 2-5جدول

Ans. 4 Ans. 3 Ans. 2 Ans. 1 3.75 3.5 3.75 3.5 N-Ld

75 72 74 73 R-Ld (um) 3.0 2.5 2.75 3.0 N-Lg 77 65 74 85 R-Lg (um) 1.0 1.0 1.0 1.25 N-Ls 41 62 47 43 R-Ls (um) 0.7 0.63 0.67 0.68 Vin(DC) (V) 1.09 1.23 1.14 1.19 Vb (V)

18 34 23 16 NoF-M1

17 25 20 29 NoF-M2

14.4 12.7 14.3 13.8 S21 (dB) -14.1 -13.9 -15.3 -18.7 S11 (dB)

-15.2 -12.8 -17.4 -17.4 S22 (dB) 2.66 2.13 2.30 2.88 NF (dB)

11.1 11.7 11.4 9.0 Power (mW)

0.13 0.12 0.13 0.13 Area(mm^2)

99

تطبيق عدم كردن ميزان كمينهو (S21)دن ميزان بهره كر بيشينهاهداف طراحي شامل

. دباشنمي، توان مصرفي و مساحت تراشه (NF)، عدد نويز (S11 , S22) و خروجي ورودي

شامل 2-5جدول . طراحي شده است WLANبراي 5.7GHzدر فركانس LNAاين

نتايج پارامترهاي . ستدر اين جدول آمده ااز جبهه پارتو جواب منتخب 4 كه استنتايج طراحي

، (S21)منحني ميزان بهره . [59]آمده است 9-5، جوابهاي منتخب در شكل NFو )S(پراكندگي

ا تغيير ب dBو عدد نويز بر حسب (S22)ي خروجميزان تطبيق ، (S11)ميزان تطبيق ورودي

.سم شده اندفركانس ر

Cascodeبا ساختار LNAجوابهاي منتخب مدار NFو Sنمودار پارامترهاي : 9-5شكل

100

با فيلتر حذف تصوير LNA Cascodeمدار - 4-2- 5

الگوريتم پيشنهادي طراحي ، نيز با)6-5شكل ( با فيلتر حذف تصوير LNA Cascodeمدار

-در اين طراحي پارامترهاي طراحي شامل تعداد دور و قطر داخلي سيم پيچ سلف. و بهينه گرديد

8 كه داراي ابعاد M2و M1هاي ترانزيستورهاي انگشتي، تعداد Lgو Ld ،Lsهاي 0.18

W mL m

μμ

=

و تعداد دور و قطر (Vbias)اياس ورودي و ولتاژ ب M2 (Vb)هستند، مقادير ولتاژ باياس گيت

.هستند L1داخلي سيم پيچ سلف

1.9GHzبا فيلتر حذف تصوير 5.7GHzدر فركانس LNA Cascodeنتايج طراحي :3-5جدول

Ans. 4 Ans. 3 Ans. 2 Ans. 1 3.25 3.25 4 3.25 N-Ld

74 79 64 77 R-Ld (um) 1.75 2.25 3.5 1.75 N-Lg 110 100 53 120 R-Lg (um) 1.0 1.75 1.25 1.0 N-Ls 52 54 58 51 R-Ls (um)

0.67 0.81 0.84 0.68 Vin(DC) (V) 1.59 1.59 1.44 1.58 Vb (V)

26 24 13 23 NF-M1

44 30 24 42 NF-M2

3.0 3.25 3.75 3.0 N-L1

82 80 90 79 R-L1 (um)

15 14 12 16 LC1 (um)

43 41 34 44 LC2 (um)

14.2 11.6 13.5 14.1 S21 (dB)@Freq -2.23 -2.63 -1.5 -3.44 S21(dB)@image

-15.9 -16.4 -11.7 -16.4 S11 (dB)

-11.9 -16.9 -25.5 -11.7 S22 (dB)

2.08 2.6 2.84 2.19 NF (dB)

17.7 28.3 18.5 13.8 Power (mW) 0.15 0.17 0.21 0.15 Area (mm^2)

101

هتروداين فركانس در دو مرحله با در گيرندة والًمعم 1- 2-2مطابق توضيحات بخش

در نظر WLAN ،5.7GHzبراي LNAفركانس كاري . شودپايين آورده مي fRF، 1/3و 2/3مقادير

باشد كه در اين صورت 3.8GHzبايستي LOگرفته شده است پس در مرحله اول فركانس

. خواهد بود 1.9GHzفركانس تصوير

كردن همينكدر فركانس كاري و (S21)كردن ميزان بهره ينهبيشاهداف طراحي شامل

، عدد نويز (S11 , S22)و خروجي تطبيق ورودي عدم در فركانس تصوير، ميزان (S21)ميزان بهره

(NF)باشند، توان مصرفي و مساحت تراشه مي .

ور سازي مقادير قطر داخلي و تعداد دفيلتر حذف تصوير، الگوريتم بهينهطراحي براي

از رابطه سلف مقدار، TSMC ارايه شده توسط، 6- 4جدول دهد كه با توجه رايه ميارا L1سلف

. [48] شودمحاسبه مي) 5-21(

)5-21 ( 44 1.731 2.228 1.034 9.96*10( ) 2*(4.381*10 * * * 19.27* 19.34L nH N DA DO N−− −= − +

تعداد دور سلف مورد نظر Nقطر خارجي بر حسب ميكرومتر و DOقطر داخلي، DAكه در آن

.باشدمي

از .دونشميمحاسبه ) 18-5(و )17- 5(براي تحقق روابط C2و C1زنهاي ر خااسپس مقد

-5(از رابطه خازنابعاد ، )22-5(با توجه به رابطه ،و با فرض مربعي بودن آنهار خازنها، اروي مقد

. [48] محاسبه خواهد شد) 23

)5-22 (2( ) *1.025 4* *0.2425MIMC fF W W= +

)5-23 ( 2 150.97 4*1.025* *10 0.97

( )2.05

MIMCW mμ

+ −=

با فيلتر حذف LNA ،Cascodeنتايج طراحي مدار جواب منتخب از 4، شامل 3- 5جدول

. [59]آمده است 10-5، جوابهاي منتخب در شكل NFو Sنتايج پارامترهاي .استتصوير

102

يلتر حذف تصويربا ف LNA Cascodeجوابهاي منتخب مدار NFو Sنمودار پارامترهاي : 10-5شكل

با فيلتر حذف تصوير تفاضلي LNA Cascodeمدار - 4-3- 5

، نيز با الگوريتم )الف- 8-5شكل ( تفاضلي با فيلتر حذف تصوير LNA Cascodeمدار

در اين طراحي پارامترهاي طراحي شامل تعداد دور و قطر . پيشنهادي طراحي و بهينه گرديد

هاي ترانزيستورهاي انگشتي، تعداد Lg1=Lg2و Ld1=Ld2 ،Lsهاي داخلي سيم پيچ سلف

103

M1=M11 و M2=M22 8كه داراي ابعاد0.18

W mL m

μμ

, M2هستند، مقادير ولتاژ باياس گيت =

M22 (Vb) و ولتاژ باياس ورودي(Vbias) تعداد دور و قطر داخلي سيم پيچ سلف ،L1 و طول

.، هستندكه بصورت مربعي در نظر گرفته شده Csخازن

1.9GHzبا فيلتر حذف تصوير 5.7GHzتفاضلي در فركانس LNA Cascodeنتايج طراحي :4-5جدول

Ans. 4 Ans. 3 Ans. 2 Ans. 1 4.5 4.25 4.25 4.5 N-Ld 50 57 56 50 R-Ld (um) 3.5 3.25 3.25 3.25 N-Lg 65 79 79 71 R-Lg (um)

2.75 2.25 2.0 2.75 N-Ls 80 48 77 79 R-Ls (um) 70 56 57 70 LCs(um)

0.71 0.75 0.72 0.72 Vin(DC) (V) 1.0 1.0 0.99 1.03 Vb (V)

10 9 9 11 NoF-M1

36 39 39 37 NoF-M2

2.5 3.0 3.0 2.5 N-L1

81 78 78 72 R-L1(um)

18 15 15 19 LC1(um)

72 62 62 76 LC2(um)

13.3 13.4 13.0 13.8 S21 (dB)@Freq -12.5 -10.2 -11.8 -11.2 S21(dB)@image

-13.1 -13.9 -14.4 -11.2 S11 (dB)

-13.0 -14.7 -13.8 -15.3 S22 (dB)

3.32 3.45 3.48 3.07 NF (dB)

12.1 14.7 12.2 14.0 Power (mW)

0.35 0.34 0.33 0.35 Area (mm^2)

104

كردن همينكو در فركانس كاري (S21)كردن ميزان بهره بيشينهاهداف طراحي شامل

عدد نويز ،(S11 , S22)ميزان عدم تطبيق ورودي و خروجي در فركانس تصوير، (S21)ميزان بهره

(NF)باشند، توان مصرفي و مساحت تراشه مي .

فيلتر . در نظر گرفته شده است 1.9GHzو فركانس تصوير LNA، 5.7GHzفركانس كاري

4، شامل نتايج 4-5جدول .حي خواهد شدطرا 2-4-5بخش به روش مشابه نيز حذف تصوير

، اين جوابهاي منتخب در (NF)و عدد نويز Sنتايج پارامترهاي . استجواب منتخب از جبهه پارتو

.رسم شده است 11-5شكل

تفاضلي با فيلتر حذف تصوير LNA Cascodeجوابهاي منتخب مدار NFو Sنمودار پارامترهاي : 11-5شكل

105

با فيلتر حذف تصوير LNA Cascode Foldedمدار -4-4- 5

، نيز با الگوريتم )7-5شكل ( با فيلتر حذف تصوير LNA Cascode Foldedمدار

در اين طراحي پارامترهاي طراحي شامل تعداد دور و قطر . پيشنهادي طراحي و بهينه گرديد

كه داراي M2و M1هاي ترانزيستورهاي انگشتي، تعداد Lgو Ld ،Lsهاي داخلي سيم پيچ سلف

8ابعاد 0.18

W mL m

μμ

و (Vbias)و ولتاژ باياس ورودي M2 (Vb)هستند، مقادير ولتاژ باياس گيت =

.هستند L1تعداد دور و قطر داخلي سيم پيچ سلف

در فركانس (S21)كردن ميزان بهره بيشينهاهداف طراحي نيز به شكل مشابه شامل

ميزان عدم تطبيق ورودي و خروجي در فركانس تصوير، (S21)هره ميزان ب كردن همينككاري و

(S11 , S22)، عدد نويز(NF)باشند، توان مصرفي و مساحت تراشه مي .

در اين مدار . در نظر گرفته شده است WLAN ،2.4GHzبراي LNAفركانس كاري

پس . باشد )RF(فركانس كاري بايستي بيشتر از تصوير فركانس ، 2- 3- 5مطابق توضيحات بخش

و فركانس تصوير 3.2GHzمقدار LOفركانس ، fRF.2/3براي پايين آوردن فركانس به اندازه

4GHz خواهد بود .

را L1براي فيلتر حذف تصوير، الگوريتم بهينه سازي مقادير قطر داخلي و تعداد دور سلف

سپس . شودمحاسبه مي) 21-5(ه با توجه به رابط سلف اندازه ،با توجه به اين مقادير .دكنرايه ميا

.آيندبدست مي) 20-5(و ) 19-5(براي تحقق روابط L2و سلف C1مقادير خازن

تعداد دور .محاسبه خواهد شد) 23- 5(طبق رابطه ابعاد خازن ،C1 خازن رااز روي مقد

و قطر 25/0با پله هاي 5تا 1تعداد دور از با سوييپ كردن مقادير نيز و قطر داخلي آن L2سلف

براي رسيدن به كمترين خطا در مقدارميكرومتري، 1هاي ميكرومتر با پله 120تا 40داخلي از

.آيندبدست مي) 21- 5( طبق رابطة، سلف

106

تاشده با فيلتر LNA ،Cascodeجواب منتخب از نتايج طراحي مدار 4، شامل 5- 5جدول

در فركانس 30dBبيش از 3و2ابهاي دهد در جوهمانطور كه نتايج نشان مي. استحذف تصوير

- را برآورده مي IEEE 802.11aتصوير تضعيف خواهيم داشت كه اين شرايط طراحي در استاندارد

. [59]آمده است 12- 5جوابهاي منتخب در شكل (NF)و عدد نويز Sنتايج پارامترهاي . كند

4GHzا فيلتر حذف تصوير ب 2.4GHzدر فركانس LNA Cascode Foldedنتايج طراحي :5-5جدول

Ans. 4 Ans. 3 Ans. 2 Ans. 1 4.5 5 4.75 5 N-Ld 119 114 117 115 R-Ld (um) 4.0 4.25 4.5 4.25 N-Lg 107 89 89 90 R-Lg (um) 1.5 1.25 1.25 1.25 N-Ls 47 54 50 54 R-Ls (um)

0.67 0.65 0.61 0.64 Vin(DC) (V) 0.79 0.81 0.77 0.80 Vb (V) 46 45 38 41 NF-M1 54 41 46 40 NF-M2

1.25 1.5 1.25 1.5 N-L1 106 108 108 106 R-L1 (um) 2.5 3.0 1.75 3.5 N-L2 60 58 113 40 R-L2 (um) 39 34 39 34 LC1 (um)

16.2 12.9 12.9 21.4 S21(dB)@Freq -8.4 -18.2 -18.2 -5.4 S21(dB)@Image -14.2 -14.5 -13.7 -15.5 S11 (dB) -14.3 -12.6 -12.2 -21.2 S22 (dB) 1.91 3.38 3.39 2.16 NF (dB) 69.4 54.8 55.0 52.0 Power (mW) 0.24 0.26 0.24 0.27 Area(mm^2)

107

با فيلتر حذف تصوير LNA Cascode Foldedجوابهاي منتخب مدار NFو Sنمودار پارامترهاي : 12-5شكل

108

: داف طراحيقابل بين اهميزان تبررسي - 5-5

در Cascodeبا ساختار LNAبراي بررسي نحوه تقابل بين اهداف مختلف، طراحي

:اهداف طراحي به شكل زير بوده است. انجام شد 2.4GHzفركانس

اهداف طراحي و حداقل شرايط قابل قبول: 6- 5جدول

پارامتر اهداف طراحي حداقل شرايط قابل قبول

> 10 dB > 14 dB Gain

< -5 dB < -12 dB S11 < -5 dB < -12 dB S22 < 6 dB< 3 dB NF

-As low as possiblePower

-As low as possibleArea

جواب قابل قبول بدست آمده است كه اهداف طراحي را 15نسل اجرا 150پس از

نكه تعداد پس از اي. عضو محدود شده است 150تعداد اعضاء جبهه پارتو به . كنندبرآورده مي

عضو بيشتر شد، جوابهايي در پارتو كه حداقل شرايط قابل قبول را 150اعضاي جبهه پارتو از

.نداشته باشند، حذف مي شوند

در ادامه منحني مقادير پارامترهاي خروجي جوابهاي نهايي پارتو، دو به دو نسبت به

.ديكديگر رسم شده اند تا ميزان تقابل اين مقادير نشان داده شو

منحني بهره بر حسب توان مصرفي را نشان مي دهد كه اين منحني نشان 13-5شكل

.دهد كه با افزايش بهره، توان مصرفي نيز افزايش يافته استمي

را نشان مي دهد كه اين منحني نشان (NF)منحني بهره بر حسب عدد نويز 14-5شكل

بد پس اين دو پارامتر با هم رابطه مستقيم يانيز كاهش مي NFكه با افزايش بهره، ميزان دهدمي

.شودنيز مي NFدارند و بهبود بهره باعث بهبود

109

10 12 14 16 18 20 22 240.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045Gain - Power

Gain (dB)

Pow

er (W

)

توان مصرفي براي اعضاء جبهه پارتو –منحني مقادير بهره : 13-5شكل

10 12 14 16 18 20 22 241.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6Gain - NF

Gain (dB)

NF

(dB

)

عدد نويز براي اعضاء جبهه پارتو –منحني مقادير بهره : 14-5شكل

110

را نشان مي دهد كه اين منحني نشان منحني بهره بر حسب مساحت تراشه 15-5شكل

يابد پس اين دو پارامتر با هم رابطه كه با افزايش بهره، مساحت تراشه نيز كاهش مي دهدمي

.شودمستقيم دارند و بهبود بهره باعث بهبود مساحت نيز مي

را نشان مي دهد كه (S11)منحني بهره بر حسب ميزان عدم تطبيق ورودي 16-5شكل

.شودميبيشتر S11مقدار بهرهبا افزايش

دهد كه به طور متوسط، با افزايش بهره ميزان عدم تطبيق خروجي نشان مي 17- 5شكل

(S22) اين به معني تقابل اين دو پارامتر است شود وبيشتر مي.

10 12 14 16 18 20 22 240.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7Gain - Area

Gain (dB)

Are

a (m

m2 )

براي اعضاء جبهه پارتو مساحت تراشه –منحني مقادير بهره : 15-5شكل

111

10 12 14 16 18 20 22 24-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

Gain (dB)

S11

(dB

)

Gain - S11

براي اعضاء جبهه پارتو S11 –بهره منحني مقادير: 16-5شكل

10 12 14 16 18 20 22 24-30

-25

-20

-15

-10

-5Gain - S22

Gain (dB)

S22

(dB

)

براي اعضاء جبهه پارتو S22 –منحني مقادير بهره : 17-5شكل

112

، ميزان عدم تطبيق S11) كاهش(دهد كه به طور متوسط، با بهبود نشان مي 18- 5شكل

.اين به معني تقابل اين دو پارامتر است شود ومي) بيشتر(بدتر (S22)خروجي

تقابل بين توان 20-5شكل دهد و را نشان مي (NF)و عدد نويز S11بين تقابل 19-5شكل

تقابل بين پارامترهاي 24- 5و 22-5، 21-5شكل هاي . دهدرا نشان مي (NF)و عدد نويز مصرفي

.ديگر را نشان مي دهند

دهد كه عدد نويز و مساحت تراشه با يكديگر رابطه مستقيمي دارند و بهبودنشان مي 23- 5شكل

-5و 14- 5هاي با توجه به اين شكل و شكل. شوديك پارامتر باعث بهبود نسبي پارامتر ديگر مي

، رابطه مستقيمي بين بهره، عدد نويز و مساحت تراشه داريم ولي اين پارامترها ماهيتي 15

.متفاوت دارند و در مساله بهينه سازي بعنوان اهدافي متفاوت بايستي بررسي شوند

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5-30

-25

-20

-15

-10

-5S11 - S22

S11 (dB)

S22

(dB

)

براي اعضاء جبهه پارتو S22بر حسب S11منحني مقادير : 18-5شكل

113

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -51.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6S11 - NF

S11 (dB)

NF

(dB

)

براي اعضاء جبهه پارتوبر حسب عدد نويز S11منحني مقادير : 19-5شكل

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.0451.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6Power - NF

Power (W)

NF

(dB

)

براي اعضاء جبهه پارتو بر حسب عدد نويز ان مصرفيتومنحني مقادير : 20-5شكل

114

-30 -25 -20 -15 -10 -50.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045S22 - Power

S22 (dB)

Pow

er (W

)

ه پارتوتوان مصرفي براي اعضاء جبه بر حسب S22منحني مقادير : 21-5شكل

-30 -25 -20 -15 -10 -51.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6S22 - NF

S22 (dB)

NF

(dB

)

براي اعضاء جبهه پارتو بر حسب عدد نويز S22منحني مقادير : 22-5شكل

115

1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.60.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7NF - Area

NF (dB)

Are

a (m

m2 )

براي اعضاء جبهه پارتو عدد نويز بر حسب مساحت تراشهمنحني مقادير : 23-5شكل

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.0450.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7Power - Area

Power (W)

Are

a (m

m2 )

براي اعضاء جبهه پارتو بر حسب مساحت تراشه منحني مقادير توان مصرفي: 24-5شكل

116

:پروسس -اژ ولت -تحليل در گوشه هاي دما -6- 5

درجه سانتيگراد، 85و 0بر روي جوابهاي نهايي تحليل در گوشه هاي دما شامل دو دماي

هاي پروسس شامل و تحليل در گوشه 2Vو 1.6Vهاي ولتاژ شامل دو مقدار تحليل در گوشه

در مدار مورد نظر استفاده NMOSچون فقط از ترانزيستور ( .انجام شده است SSو FFهاي گوشه

قبلي LNAدر طراحي .)هستند SSو FFهاي معادل گوشه SFو FSهاي ، گوشهه استشد

ها شرايط طراحي را برآورده جواب در كليه گوشه 6جواب نهايي قابل قبول، 15از بين )5-5بخش (

.جواب آمده است 6جواب منتخب از بين اين 4در جداول زير نتايج . كنندمي

شعاع داخلي Rlsو Rld ،Rlgها و تعداد دور سلف Nlsو Nld ،Nlg، 7-5در جدول

.هستند M2و M1هاي ترانزيستورهاي نيز تعداد انگشتي n2و n1. باشندپيچ سلف ميسيم

توان مصرفي بر و dBبر حسب NFو S11 ،S22مقادير بهره، ، 11- 5تا 8-5در جداول

.حسب وات و مساحت بر حسب ميلي متر مربع آمده است

.اندا عملكرد مناسبي داشتههجواب منتخب كه در كليه گوشه 4مقادير پارامترهاي ورودي : 7-5دول ج

ans. 1 ans. 2 ans. 3 ans. 4

Nld 4.75 5.00 4.75 5.00

Rld 107 111 110 109

Nlg 4.00 4.50 3.75 4.75

Rlg 115 83 120 87

Nls 1.50 2.25 1.50 2.25

Rls 40 41 41 51

n1 37 55 36 42

n2 47 37 48 45

Vg1 0.75 0.61 0.74 0.64

Vg2 1.45 1.29 1.49 1.39

117

هادر كليه گوشه 1نتايج پارامترهاي خروجي پاسخ شماره: 8-5جدول TT T0 T85 VL VH FF SS

Gain -20.7 -21.1 -19.9 -20.5 -20.7 -21.2 -19.4

S11 -20.3 -19.4 -22.0 -20.4 -20.2 -17.7 -15.9

S22 -18.3 -19.6 -15.8 -18.6 -16.9 -13.4 -17.3

NF 2.31 2.07 2.86 2.31 2.31 2.17 2.46

Power 0.0310 0.0311 0.0304 0.0275 0.0344 0.0465 0.0200

Area 0.60


Gain -16.5 -16.8 -16.0 -16.4 -16.6 -17.5 -14.2

S11 -22.7 -21.7 -25.1 -21.8 -23.6 -23.9 -13.9

S22 -19.2 -20.9 -16.2 -19.7 -18.3 -13.8 -20.0

NF 2.24 2.00 2.75 2.24 2.23 2.05 2.50

Power 0.014 0.013 0.016 0.012 0.016 0.026 0.007

Area 0.57

هادر كليه گوشه 3هاي خروجي پاسخ شمارهنتايج پارامتر: 10-5جدول TT T0 T85 VL VH FF SS

Gain -20.7 -21.1 -19.9 -20.6 -20.8 -21.2 -19.5

S11 -15.8 -15.7 -15.4 -16.8 -15.2 -12.9 -18.8

S22 -20.3 -22.1 -16.9 -20.7 -18.2 -14.1 -18.4

NF 2.17 1.94 2.70 2.17 2.17 2.05 2.30

Power 0.029 0.029 0.029 0.026 0.032 0.044 0.018

Area 0.61


Gain -16.17 -16.48 -15.63 -16.07 -16.25 -16.93 -14.43

S11 -20.06 -20.90 -18.05 -20.62 -19.53 -13.90 -20.61

S22 -21.59 -23.13 -18.35 -21.07 -20.52 -15.07 -17.43

NF 2.43 2.18 2.98 2.43 2.43 2.25 2.66

Power 0.0152 0.0145 0.0164 0.0135 0.0169 0.0268 0.0082

Area 0.601

م ل

نده و ر دا ردهه سازی

118

:آلخط انتقال ايده -6-1

كه طول آن با طول موج سيگنال ،يك خط انتقال يك خط اتصال دهنده بين دو نقطه است

ثر ر طول آن در مقايسه با زمانهاي مؤسيگنال د تأخيربطوريكه از . قابل مقايسه باشد ،بكار رفته

ين دو نقطه است كه آل بالف يك اتصال ايده-1- 6بعنوان مثال شكل . سيگنال نتوان صرفنظر كرد

. [60]مقاومت آن صفر است و يك صفحه زمين در زير آن قرار دارد

)ب( ) الف(

[60]مدار معادل توزيع شده آن) ب(خط انتقال ) الف: (1-6شكل

در تأخيرگنال در طول خط منتقل شده و يك اگر يك پله به يك سر آن اعمال شود سي

نردباني LCب خط انتقال را مي توان با يك شبكه -1-6شكل مطابق . طرف دوم خواهيم داشت

.به ترتيب مقادير سلف و خازن در واحد طول خط هستند C0و L0توزيع شده مدل كرد كه در آن

:شودبدست مي آيد، محاسبه مي )1-6(جه به سرعت حركت موج كه از رابطه با تو تأخير

)6-1 ( 0 0

1L C

ν =

اگر يك پله به يك سر آن اعمال . انتشار در خط انتقال يك خاصيت جالب دارد تأخير

. وابسته نيست ،اي آن به طول خط و باري كه سر ديگر آن متصل شده استشود، رفتار لحظه

مشخصه اساسي خط كند كه ارتفاع آن به يكايجاد ميبعنوان مثال يك پله جريان، يك پله ولتاژ

) 2-6شكل ( .وابسته است

119

پله جريان اعمال شده به يك خط انتقال بي نهايت: 2-6 شكل

0 :داريم 2-6شكل در 0

0

VZ

I :امپدانس مشخصه خط مي باشد و برابر است با Z0كه =

)6-2 ( 00

0

LZC

=

-يك عدد حقيقي است و هيچ رآكتانسي را شامل نمي Z0توجه كنيد كه در اين حالت

اي دهد كه امپدانس مشخصه در حقيقت مشابه امپدانس ورودي لحظهمياين مثال نشان . شود

را در هر I0شود و يك جريان در خط منتشر مي 2-6در شكل توليد شده پلة. استخط انتقال

قرار گرفته باشد وقتيكه موج Z0اگر در انتهاي خط يك مقاومت . كندد مينقطه از مسير خود ايجا

0 رسد، رابطهبه انتها مي0

0

VZ

I. در انتهاي خط نيز صادق است و حالت گذرايي نخواهيم داشت =

0LRاما اگر Z≠ ن اهم متناقض خواهد بود و كه در انتهاي خط داريم با قانوباشد، ولتاژ و جرياني

و ولتاژ و جريان در هر نقطه از خط اين بدين معني است كه يك موج برگشتي خواهيم داشت

موج برگشتي در طرف منبع، اگر امپدانس منبع برابر . باشدحاصل مجموع امواج رفت و برگشت مي

Z0 ،برابر صفر استباشد.

توان به شكل زير بيان خط انتقال را مي براي تحريك سينوسي، موج انتشار يافته در يك

:كرد

)6-3( 02 2( , ) . ( )V t x V Cos t xTπ π

λ= −

Tλ.: كه داريم. باشدمي) طول موج(پريود مكاني λپريود در حوزه زمان و Tكه در آن ν= به

:طور متداول مي نويسيم

120

)6-4( 0 02 2 . L C

Tπ πβ ωλ ν

= = =

همچنين شكل موج در يك لحظه .شودمتر تكرار مي λها پس از هر xشكل موج حول محور

t1 كامال مشابه لحظاتt1+T وt1+2T خط انتقال را بدون تلفات در در تحليل فوق .باشدو غيره مي

انتشار يافته در طول خط اعوجاج در اين حالت پلة. دي صرفنظر كرديمهانظر گرفتيم و از مقاومت

گوييم كه يك بدين علت مي. مستقل از فركانس خواهيم داشت تأخيرو يا تضعيفي نداشته و يك

يعني شيفت فاز . (نهايت و يك شيفت فاز خطي استخط انتقال بدون تلفات داراي پهناي باند بي

.)سب استبطور خطي با فركانس متنا

:خط انتقال با تلفات -6-2

-1مدل توزيع شده شكل .باشدخط انتقال واقعي داراي تلفات هادي و مواد دي الكتريك مي

. [60]ر نظر گرفته شونددتصحيح نمود تا تلفات نيز 3-6توان به شكل ب را مي

مدل توزيع شده خط انتقال با تلفات: 3-6 شكل

. كندتلفات دي الكتريك را مدل مي Gشي از تلفات هادي و مقاومت نا Rsدر اين مدل

.آيدبدست مي )5-6(ين خط از رابطه ا امپدانس مشخصة

)6-5 ( 00

0

sj L RZj C Gωω

+=

+

0به مقدار Z0در فركانسهاي باال مطابق رابطه فوق، 0 0/Z L C= افزايش خواهد رسيد البته با

تلفات را در يابد و لذا بايستي زايش ميفمقدار مقاومت اهمي خط نيز بدليل اثر پوسته افركانس

.نظر گرفت

121

براي يك خط انتقال با . در ادامه با فرض كم بودن ميزان تلفات بحث را ادامه خواهيم داد

:تلفات، رفتار انتشاري به شكل زير خواهد بود

)6-6 ( 02( , ) .exp( ). ( )V t x V x Cos t xTπα β= − −

:باشد و برابراست باضريب تضعيف مي αكه

)6-7 ( 0 0

0 0

1 ( )2 s

C LR GL C

α ≈ +

خالصه )8- 6(را به طور معمول به شكل رابطه )6- 6(رابطه . آيدبدست مي )4-6(از رابطه βو

:نندنويسي مي ك

)6-8 ( 0( ) exp( ).exp( )V x V x j xα β= − −

.مورد نظر است V(x)دهند و فقط مقدار حقيقي كه در آن وابستگي به زمان را نشان نمي

:گسترده تقويت كنندة -6-3

،طات نوريارتبا ،هاي راداركاربردهاي متنوعي در سيستم ،(DA63) هاي گستردهتقويت كننده

هاي گسترده تقويت كننده. دنارتباطات بيسيم و تجهيزات تست شبكه دار ،ايمخابرات ماهواره

شوند و چون بعنوان يك تقويت كننده پهن باند مناسب در مخابرات نوري استفاده مي معموالً

ي از پراكندگي سيگنال دريافت ،داراي بهره ثابتي در محدوده پهناي باند وسيع خود هستند

به تقويت سيگنال در ،(UWB64)همچنين در ارتباطات بيسيم پهن باند . دنكنجلوگيري مي

باشد كه يك انتخاب مناسب با توجه به پهناي نياز مي 10.6GHzتا 3.1GHzمحدوده فركانسي

. استهاي گسترده تقويت كننده ،باند وسيع آن

63 Distributed Amplifier

64 Ultra Wide Band

122

DA هاي اوليه با استفاده از المپهاي خال وMESFET هايGaAs ميسرعت باال ساخته-

وگ و هاي آنالرا قادر به ساخت قسمت ما VLSIتوسعه تكنولوژي در سالهاي اخير. [61] شدند

كرده (SoC)بصورت مجتمع بر روي يك تراشه ،ارتباطي پهن باند ةديجيتال يك فرستنده و گيرند

SiGeلوژي دو قطبي يا تكنو MMIC ، GaAsهايبجاي تراشه CMOSلذا از تكنولوژي . [62] است

هم قيمت تمام شده آن كمتر بوده و هم امكان مجتمع سازي را خواهد شود كهبيشتر استفاده مي

زيرميكرون جديد با ترانزيستورهايي با فركانس قطع بيش از CMOSتكنولوژي هاي . داشت

100GHz سازي مدارهاي امكان پيادهRF زايش تعداد اليهبعالوه اف. اندفركانس باال را فراهم كرده-

سازي عناصر مجتمع امكان پياده CMOSهاي جديد هاي فلزي براي اتصاالت در تكنولوژي

هاي خطي با ضريب كيفيت مناسب را بوجود خطوط انتقال و خازن ،هاغيرفعال از قبيل سلف

.[63]نداآورده

پهناي باند بيان شد خط انتقال بدون تلفات دو خاصيت مهم دارد يكي همانطور كه قبالً

اگرچه يك خط انتقال واقعي . ثابت و يا بعبارت ديگر شيفت فاز خطي تأخيربي نهايت و ديگري

داراي تلفات است اما كماكان از چنين خواصي مي توان استفاده كرد و يك تقويت كننده گسترده

. را شكل داد

ساده را كه ركسورس مشت ، يك طبقةگسترده ين قدم براي فهم بهتر تقويت كنندةدر اول

).4-6شكل (گيريم شود را در نظر ميمي تحريك RSبوسيله يك منبع با امپدانس

سورس مشتركمدار : 4-6شكل

123

توان قطبهاي ورودي و خروجي تقويت كننده را به مي Cgdبا استفاده از قضيه ميلر براي خازن

: [60]شكل زير بيان كرد

)6-9( 1[ (1 )]in

s gs gd m DR C C g Rω =

+ +

)6-10 ( 1.out

D LR Cω =

اگر طول . درين ترانزيستور و كل خازنهاي بار است-، گيتدنهب-شامل خازنهاي درين CLكه در آن

.يابندهر دو كاهش مي outωو inωافزايش يابد تا به بهره بيشتري دست يابيم، قطبهاي M1گيت

شود پس يك تقابل بين بيشتري از آن بگيريم پهناي باند آن كمتر مي بهرهبعبارت ديگر هر چه

توان ترانزيستور بزرگ را به چندين ترانزيستور كوچكتر مي. بهره و پهناي باند خواهيم داشت

در الف -5-6مطابق شكل . كنواخت در طول يك خط انتقال توزيع نمودشكست و آنها را بصورت ي

.اين ساختار دو خط انتقال داريم، يك خط انتقال در ورودي و يك خط انتقال خروجي

) ب( ) الف(

[60] نتهايي خطوطنحوه باياس و مقاومتهاي ا) ب(تقويت كننده گسترده پايه ) الف: ( 5-6شكل

خط و سرعت موج در طول خط امپدانس مشخصة هر ترانزيستور صرفاًخازنهاي ناشي از

كنيم كه در اين حالت امپدانس مشخصه و سرعت خط بارگذاري شده فرض مي .دهندرا كاهش مي

Z0L 0وLν براي .خروجي يكسان باشدكنيم كه مشخصات خط انتقال ورودي و باشد و فرض مي

124

مدار باياس ورودي نشان . (ب متصل شوند–5- 6هر دو خط بايستي مطابق شكل ،عملكرد صحيح

.)داده نشده است

V0يك پرش از صفر به Vinفرض كنيم . ب را بررسي خواهيم كرد- 5-6ابتدا مدار شكل

كند و پس از يك مي توليد شده به سمت راست شروع به حركت پلة. داشته باشد t=0در لحظه

پس از رسيدن پله به گيت ترانزيستور، هر .رسدمشخص به گيت ترانزيستور دوم مي تأخير

از طرف Z0Lاين جريان يك امپدانس . از خط خروجي خواهد كشيد gmV0ترانزيستور يك جريان

اع پس دو پله با ارتف. شودچپ و از طرف راست خواهد ديد و به دو قسمت مساوي تقسيم مي

00 2

Lm

Zg V ه يكي به سمت ككند ايجاد ميRL1 و ديگري به سمتRL2 اگر . كندحركت مي

M2به درين M1سيگنال خروجي وقتي سرعت موج در خطوط ورودي و خروجي يكسان باشد،

رسيده است و تقويت شده آن در خروجي M2رسد همزمان سيگنال ورودي هم به گيت مي

RL2و RG2 ،RL1رسند بوسيله انتهاي خطوط ميبه موجهايي كه . شوندهم جمع مي با) درين(

.جذب شده و هيچ سيگنال بازگشتي مخرب نخواهيم داشت

گسترده، خازنهاي ترانزيستور باعث اينجا اينست كه در يك تقويت كنندةكليدي نكتة

خطوط انتقال ورودي و صةباعث كاهش امپدانس مشخ شوند و صرفاًمحدوديت پهناي باند نمي

ب -5گسترده شكل ط انتقال بدون تلفات، تقويت كنندةبعبارت ديگر با خطو. اندخروجي شده

با افزايش سورس مشترك هر طبقه . نهايتي را بوجود آوردنهايت و پهناي باند بيبي بهرهتواند مي

0را به مقدار بهرهطول خط،

2L

mZ

g دهد پس در افزايش ميDA تأخيرتقابلي بين بهره و

شوند و مشابه طبقات متوالي با هم جمع مي توجه شود كه در اينجا بهرة. داشت سيگنال خواهيم

.اندها در هم ضرب نشدهبهره (Cascade)متوالي تركيب

باشد كه بطور يكنواخت سورس مشترك طبقه nكنيم كه تقويت كننده شامل فرض مي

احد طول در و مؤثربا صرفنظر از اثر ميلر، ميزان خازن . توزيع شده است lل به طولدر خط انتقا

125

0در خط ورودي برابراست با gsnC

Cl

ي طراحي كنيم كه خط خروجي هم طورما فرض مي. +

:داريم پس. يكساني با خط ورودي داشته باشد شده است كه امپدانس مشخصة

)6-11 ( 00

0

Lgs

LZ

nCC

l

=+

:ولتاژ برابر است با بهره

)6-12 ( 02m

V LngA Z=

)6-13( ( ) 2 Dm n ox GS th

GS th

IWg C V VL V V

μ ⎛ ⎞= − =⎜ ⎟ −⎝ ⎠

:ترانزيستورها يكسان است، داريم VGS-Vthبا توجه به اينكه

)6-14( ( ) 0

02V n ox GS th

gs

Ln WA C V VnCL

Cl

μ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ +

2: صرفنظر كرد و با توجه به اينكه C0اگر بتوان از 3gs oxC WLC= داريم:

)6-17( ( ) 02

34

oxV n GS th

gs

C LA n V V

nCLl

μ= −

)6-18( 0

1

gsnCL

l

ν =

)6-19( ( )234

nV GS th

lA V VLμ

ν= −

lسيگنال تأخيرميزان بهره با ميزان 19-6كه مطابق رابطه ν

بهره را به شكل رابطة .متناسب است

:داريم ،صرفنظر كنيم Cgdاگر از خازن . ديگري هم مي توان نوشت

)6-20 ( 2 mT

gs

gfC

π =

)6-21 ( 0 0

0

22 2V m T gs

gs gs

L Ln nA g f CnC nC

Cl l

π= ≈+

126

)6-22( v TlA fπν

≈

را خيلي بزرگ در نظر گرفت و بهره زيادي بدست آورد nمي توان 12- 6رابطه مطابق

اگر يك تقويت .كندرا محدود مي nمقدار ،عمل ولتاژ تغذيه يا جريان باياس هر طبقهولي در

. يك پيش تقويت كننده داشته باشيم شود مثالً تحريكيك مدار ديگر كنندة گسترده بوسيلة

كل كند و ممكن است باعث كاهش بهرةقبلي را بارگذاري مي طبقة ،آنآنگاه امپدانس ورودي

I1Z0LAv: گسترده برابر است با ولتاژ خروجي تقويت كنندة ،6-6مطابق شكل . تركيب متوالي شود

:كند و داريمكل را مشخص مي مقدار بهرة Z0Lو Avپس مقدار حاصلضرب

)6-23 ( 0 0 0v L T L TlA Z f Z f lLπ πν

≈ =

.ماكزيمم شود L0وابسته نيست و بايستي Cgsكل به خازن در نتيجه بهرة

[60]تقويت كننده گسترده به همراه پيش تقويت كننده: 6-6شكل

:آلاثرات غير ايده -6-4

. نهايت خواهد داشتنهايت و نه پهناي باند بيگسترده نه بهره بي در عمل تقويت كنندة

كند و در نتيجه را محدود ميسورس مشترك ولتاژ تغذيه تعداد طبقات ) 1: (دليل آن عبارتست از

آمده است تلفات 7-6همانگونه كه در شكل ) 2. (شودتوان رسيد محدود ميكه به آن مي بهره

كند و تضعيف مي سيگنال اعمال شده به گيت ترانزيستورها را به تدريج ،مقاومتي در خط ورودي

. ندشوغير قابل استفاده مي طبقات آخرخيلي كمي در گيت خواهيم داشت و در طبقات آخر دامنة

امپدانس خروجي ترانزيستورها ) 4(. كندتلفات اهمي در خط خروجي پهناي باند را محدود مي) 3(

127

Cgdازن خ) 5. (شودكند و باعث افزايش تلفات در خط خروجي ميايجاد مي Gيك هدايت

مسألهاين .شودشود و در خط خروجي ظاهر ميميلر در بهره ضرب مي ترانزيستورها مطابق قضية

سيگنال رسيده به گيت آنها كمتر و دامنه ، چون دامنةبراي ترانزيستورهاي آخر خط بيشتر است

ه در ادام. سيگنال خروجي آنها كه از جمع سيگنال مسيرهاي مختلف بدست آمده بزرگتر است

.كنيمبرخي از اين اثرات را بررسي مي

[60]اثر تلفات در يك تقويت كننده گسترده: 7-6شكل

بطور شهودي بيان كرديم كه هر قطعة. كندرا محدود مي DAيي خط انتقال كارآتلفات

-سيگنال ضعيف ،شودتضعيف خط ورودي باعث مي. دهدرا بطور يكنواخت افزايش مي بهره ،خط

مت بعدي برسد، پس از جايي به بعد افزايش يك طبقه، افزايش خيلي كمي در بهره تري به قس

.ايجاد خواهد كرددر خروجي ايجاد خواهد كرد در حاليكه توان مصرف كرده و افت ولتاژ

را در 8-6شكل ؟چند طبقه بايستي قرار دهيم ،شرايط بهينهبراي ايجاد مهم اينست كه مسأله

با توجه به .است luو طولي برابر gmه آن شامل يك ترانزيستور با هدايت كه هر طبق. نظر بگيريد

:، براي موج انتشار يافته در يك خط انتقال با تلفات داريم8- 6 رابطة

)6-24( 0( ) exp( ).exp( )V x V x j xα β= − −

128

[60]شكل يك تقويت كننده گسترده براي محاسبه تلفات: 8-6 شكل

آقاي رضوي از تلفات خط خروجي صرفنظر كرده و بهره را محاسبه كرده [60]در مرجع

.، روابط را با در نظر گرفتن تلفات خط خروجي محاسبه خواهيم كرددر اين رساله. است

. كندافت مي exp(-kαlu)طبقه با ضريب kسيگنال ورودي پس از با توجه به اينكه دامنة

قسمت را به nكل حاصل از بهرةتوان ميو خروجي را يكسان فرض كنيم، اگر تضعيف خط ورودي

ضريب تضعيف خط αoضريب تضعيف خط ورودي و αiدر اين حالت ( .كردشكل رابطه زير بيان

. )هستند خروجي

)6-25 ( ( ) 0 0

0 2 2i u o u i u

nk l n k l n lm L m L

vk

g Z g ZA e e neα α α− − − −

=

= =∑

0.5unبخوبي طراحي شده باشد، انتظار داريم كه DAدر حالتيكه lα توان مي پسباشد >

1e: از تقريب ε ε= :خواهيم داشت. رداستفاده ك +

)6-26 ( 0.(1 ).2

m Lv i u

g ZA n n lα= −

0α( اگر تلفات به سمت صفر ميل كند،كه 0ميزان بهره به مقدار ،)→

2L

mZ

ng مقدار . رسدمي

:آيدبراي حداكثر شدن بهره، با صفر قرار دادن مشتق بهره، به شكل زير بدست مي n بهينة

)6-27( 12 i u

nlα

=

129

0.1ulαبعنوان مثال براي 1).و مقدار آيدبدست مي 5برابر nبهينه مقدار = ) 2.5un n lα− خواهد =

1).يابد، ضريب كاهش 4به مقدار nاگر . شد ) 2.4un n lα− كاهش كمي در بهره كهشود مي =

.ايمجويي زيادي كردهخواهيم داشت ولي در مساحت و توان مصرفي صرفه

اند، بين درين تا زمين در يستورهايي كه در جريان بااليي باياس شدهمقاومت خروجي ترانز

Gاين مقاومتها ضريب هدايت . دهندهر ترانزيستور ظاهر شده و تلفات خط خروجي را افزايش مي

:دهند و داريم، تشكيل مي7-6را در رابطه

)6-28( 00

1 .( )2

sL

L o

R m ZZ r

α = +

در واحد طول خط انتقال داشته roترانزيستور با مقاومت خروجي mكه در آن فرض شده است كه

.باشيم

سيگنال در خروجي نسبت دامنة .دهداثر ضرب ميلر را نشان ميالف -9- 6شكل

در عدد بزرگتري Cgdدر نتيجه، خازن . برابر شده است m، نسبت به ترانزيستور اولي mترانزيستور

در واحد طول خط ورودي از مؤثرشود پس خازن و در خط انتقال ورودي ظاهر مي ضرب شده

يابد و باعث كاهش امپدانس مشخصه و سرعت حركت موج در خط چپ به راست افزايش مي

.شودورودي مي

)ب( ) الف(

Cascode [60]اثر ميلر با تركيب كاهش ) ب(سترده اثر ميلر در تقويت كننده گ) الف: (9-6شكل

130

البته .كاهش داد) ب- 9-6شكل ( Cascode تركيببا استفاده از توان اثر ضرب ميلر را مي

محدود را پهناي باند اين مقداري خط انتقال جذب نشده و بوسيلة Pدر اين حالت خازنهاي گره

.است M11بدنه و خازن گيت - ازن سورس، خ M1درين - اين خازنها شامل خازن گيت. دكنمي

:تقويت كننده گسترده با المانهاي فشرده -6-5

تقابل شديد بين . مشكالت متعددي دارد VLSIاستفاده از خط انتقال واقعي در تكنولوژي

ده مناسب كر GaAsپياده سازي آنرا بيشتر براي تكنولوژي ،خازن و تلفات خط انتقال مجتمع

هاي فلزي اتصاالت با ضخامت باال در دسترس نيمه عايق و اليه كنولوژي بدنةچون در اين ت. است

جديد با VLSIالبته در تكنولوژي هاي .يابداي كاهش مياست و اين تقابل به شكل قابل مالحظه

اين امكان وجود .) اليه فلزي داريم 0.13um ،8مثال در تكنولوژي (افزايش تعداد اليه هاي فلزي

اگرچه در بعضي كاربردها .وانيم خط انتقال را با كارآيي قابل قبولي پياده سازي كنيمدارد كه بت

كاري كمتر از فركانس در حالتيكه مثالً. را بصورت مجتمع با خط انتقال ساخت DAنمي توان

10GHz است، خط انتقال آنقدر بلند خواهد بود كه نتوان آنرا بعلت تلفات و محدوديتLayout

گسترده در ناسب براي پياده سازي تقويت كنندة، يك انتخاب م10-6مدار شكل . ي كردپياده ساز

. باشدفركانسهاي پايين تر مي

تقويت كننده گسترده با المانهاي فشرده: 10-6شكل

131

اندوكتانس بيشتري در سلف مارپيچي مقدار DCبازاي يك مقدار مشخص مقاومت

ند، در نتيجه سرعت موج، كمقايسه با يك خط انتقال ايجاد مي0 0

1L C

ν با توجه يافته و كاهش =

. [60]مي توان بهره بيشتري را در يك طول مشخص بدست آورد) 22-6(به رابطه

اما بعلت كم شدن .تواند كاهش يابدنيز مي C0توجه شود كه مقدار سرعت با افزايش

انتخاب .شودرا بايستي درايو كند، مشكل مي DAه امپدانس مشخصه خط انتقال، طراحي مداري ك

هم وابسته به فركانس كاري است و هم وابسته به ،هاي فشرده يا خط انتقالبين استفاده از سلف

.استتر استفاده از خط انتقال مناسب 40GHzبراي فركانسهاي باالي . تكنولوژي ساخت آن است

:گسترده نمونه طراحي و بهينه سازي يك تقويت كننده -6-6

به مشكل مخرب تزويج CMOSهاي گسترده در سازي تقويت كنندهيك مشكل پياده

ميزان ناخالصي باالي بدنه و ،ديجيتال جديد CMOSدر پروسه مخصوصاً. شودبدنه مربوط مي

-موجب تلفات بااليي در سلفهاي مجتمع در فركانسهاي باالي چند گيگا هرتز مي ،مقاومت كم آن

سازي ها سطح زياد مورد نياز براي پيادهسازي اين تقويت كنندهشكالت ديگر در پيادهم. شود

RFتوجه به اين نكته در طراحي مدارهاي مجتمع . استها و همچنين توان مصرفي باالي آن سلف

حائز اهميت است كه عناصر پارازيتيك ترانزيستورها و عناصر غيرفعال از CMOSدر تكنولوژي

ها استفاده از اين مدار در طراحي .كنداي مجتمع كارآيي مدار را به شدت محدود ميهجمله سلف

در . ضروري است ،گيرند سازي كه عناصر پارازيتيك را در نظر ميطراحي و بهينه CAD ابزارهاي

. [64]نشان داده شده است ،، مدار پيشنهادي بهينه شده در اين رساله11-6شكل

132

M2

M1

Ld

LgLg

M2

Vdd

out

RL250

Lg

Vb

Vdd

RG250

M1

M2

Ld Ld

Lg

Ld

Lg

M2

M1

RL150

Vb Vb

Ld

VbM1

vin 12

RG1

50

رسالهگسترده مورد استفاده در اين ده تقويت كنن: 11-6 شكل

براي ترانزيستورها استفاده شده است كه مزيت آن Cascodeاز تركيب ،لهرسادر اين

است چون در تركيب سورس مشترك با Cgdنسبت به تركيب سورس مشترك كم شدن اثر خازن

و پهناي باند را شودتوجه به اثر ميلر اين خازن در بهره طبقه ضرب شده و در گيت ظاهر مي

.[65]كندمحدود مي

اينست كه خطوط انتقال درين و گيت از هم مجزا شده و Cascodeمزيت ديگر تركيب

توان طراحي بصورت مستقل از ديگري مي M2و M1هر خط را با تنظيم ابعاد ترانزيستورهاي

M2د ترانزيستور هر چه ابعا. توجه به اين نكات ضروريست ،11-10 در طراحي مدار شكل. كرد

جريان ترانزيستورها را ،ولتاژ باياس ورودي. شودبزرگتر باشد بهره بيشتر ولي پهناي باند كمتر مي

يابد ولي از طرف ديگر توان مصرفيكند كه هر چه جريان بيشتر باشد بهره افزايش ميمشخص مي

. شودتر ميكمو سويينگ ولتاژ خروجي بيشتر

فعال يبايستي طوري انتخاب شود كه ترانزيستورها در ناحيه M1ولتاژ باياس ترانزيستور

خطوط انتقال درين و گيت ةد كه امپدانس مشخصنآيها به شكلي بدست ميباشند و مقادير سلف

.اهم شود 50

)6-29 ( 01 2

50gd

dtot gtot

LLZC C

= = =

133

با توجه Lgو Ldسازي در نقاط كار بدست آمده و مقادير مرحله شبيهبا يك Cgtot2و Cdtot1مقادير

پهناي باند مدار بوسيله پهناي باند خطوط انتقال درين و گيت . شوندمحاسبه مي )29- 6( به رابطة

: [66]شود و داريممحدود مي

)6-30 ( max

1 1min( , )g g d d

BWL C L C

≤

0 :بدست آمده و داريمموازي طبقات ةبهر ر نيز از جمعامد ةبهر12V mA n g Z= كه در

.انتخاب شده است 4تعداد طبقات برابر 4- 6با توجه به توضيحات بخش .تعداد طبقات است nآن

اند ولي در ل بدست آمدهآمعادالت فوق با فرض خط انتقال بدون تلفات و با سلفهاي ايده

CMOSهاي پياده سازي شده در تكنولوژي يب كيفيت نه چندان مناسب سلفعمل با توجه به ضر

لذا نياز . آيدها داراي تلفات بوده و با محاسبات تقريبي بهره و پهناي باند مطلوب بدست نميسلف

هاي دقيق عناصر در نظر گرفته شوند و مقادير كه در آن مدل ،طراحيدر مناسب CADبه يك

. ان مصرفي و سطح تراشه در آن بهينه شود، وجود خواهد داشتبهره، پهناي باند، تو

سازي پيشنهادي انجام شد كه در آن هر عضو بهينه سازي مدار فوق توسط الگوريتم بهينه

كه داراي ابعاد M2و M1 هايانگشتي ، تعدادLgو Ldمقادير تعداد دور و قطر سلفهاي شامل

80.18

W umL um

پارامترهاي . است، )11-10 شكل( M1و ولتاژهاي باياس ورودي و گيت باشندمي =

كه از خروجي شبيه و توان مصرفي S22و S11بهره، پهناي باند، مقادير :خروجي نيز عبارتند از

ها جداگانه محاسبه با توجه به ابعاد سلفكه نيز مقدار سطح تراشه اند واستخراج شده Hspiceساز

حله چنانچه ترانزيستورها در ناحيه فعال نباشند به آن عضو امتياز منفي بااليي در اين مر .شودمي

.شود تا در نسلهاي بعدي حذف شودداده مي

پارامتر 8عضو انتخاب شده است كه هر عضو شامل اطالعات 30تعداد اعضاي جمعيت،

و الگوريتم بودهدد ع 6تعداد پارامترهاي خروجي نيز . بيت كد شده است 48ورودي مدار است و با

.يابدنسل ادامه مي 100به تعداد

134

طبقه با 4 ةسازي تقويت كننده گستردتهيه شده طراحي و بهينه CADبا استفاده از

انجام شد كه حداقل شرايط مطلوب مطابق به شكلي ، )11-10شكل (مشابه هم Cascodeطبقات

. ، برآورده شود1-6 جدول

ب طراحيحداقل شرايط مطلو: 1-6 جدول

Specification Required

Gain >5 dB

Unity Gain Bandwidth >10GHz

S11 < -15 dB

S22 < -15 dB

Power Dissipation < 20 mw

Area of chip as low as possible

Vdd 1.8 v

تقويت كننده گسترده جوابهاي قابل قبول حاصل از بهينه سازي: 2-6 جدول

Spec Answers

#1 #2 #3 #4 #5

N_Ld 1.25 1.25 1.0 1.25 1.0

Rad_Ld 116um 113um 117um 110um 93um

N_Lg 1.5 1.0 1.0 1.5 1.5

Rad_Lg 67um 69um 67um 62um 63um

NoF*_M1 18 21 18 17 23

NoF*_M2 13 15 12 13 17

Vin (DC) 1.565V 1.558V 1.575V 1.648V 1.512V

Vb (M1) 1.195V 1.195V 1.196V 1.188V 1.171V

Gain (dB) 7.7 8.7 7.1 7.6 9.1

UGB** (GHz) 13.05 13.13 16.14 13.13 12.93

S11 (dB) -18.4 -20.5 -20.6 -19.7 -18.7

S22 (dB) -16.7 -16.9 -17.7 -16.8 -19.2

Power (mW) 16.5 17.7 15.1 15.7 17.9

Area (mm^2) 1.33 1.26 1.26 1.28 1.10 *NoF=Number of Finger **Unity Gain Bandwidth

135

جواب 5عضو رسيد كه در بين آنها 167جبهه پارتو به ينسل تعداد اعضا 100پس از

از جدول 5و 3، 1بازاي سه جواب .آمده است 2-6قابل قبول وجود داشت كه نتايج آن در جدول

. [67]آمده است 12-6 در شكلرسم شده كه S22و S21 ، S11نمودارهاي مقادير، 2- 6

است كه در اين طراحي كالً Hspiceزمان اجراي الگوريتم وابسته به تعداد اجراهاي

ساعت 5/2حدود Celeron 2.5GHzاجرا شد و اجراي برنامه بر روي كامپيوتر Hspiceبار 3000

ي كيفيت جوابهاي حاصل از اين روش دارا ةشود مجموعهمانطور كه مالحظه مي .به طول انجاميد

از روش طراحي و تنوع بيشتري بوده و از نظر زمان مورد نياز طراحي نيز اين روش خيلي سريعتر

.باشدمي دستي

سه جواب مختلف S22و S21 ، S11مقادير : 12-6كل ش

م ل

ھادات ری و پ

136

:نتيجه گيري - 7-1

ارايه شده است كه جستجوي وسيع و CADيك RF مدارهايله براي طراحي رسادر اين

شبيه سازي شده و نتايج Hspiceدر هر مرحله مدار با .ددهميطراحي انجام ةمؤثري را در محدود

ر كه نتايج همانطو .وب كار ادامه پيدا خواهد كردشود و تا حصول نتيجه مطلسازي بررسي ميشبيه

تر هستند، دست طراح دهد، تنوع جوابهاي ارايه شده كه هر كدام از نظري بهينهطراحي نشان مي

.را در انتخاب گزينه مورد نظر باز خواهد گذاشت

سازي مسايل چندهدفه معرفي كرده ارايه شده روش جديدي براي بهينهسازي بهينهالگوريتم

حوزه توابع هدف از سرعت همگرايي بااليي نيز برخوردار است كه ضمن حفظ پراكندگي جوابها در

. اي از قبيل تابع ازدحام و روش توليد نسل بعد ارايه شده استدر اين الگوريتم مفاهيم تازه. است

اكثر مسايل (سازي كه محاسبه توابع هزينه آن زمانبر است اين الگوريتم براي مسايل بهينه

Simulation Based ( سازي بيشتري گي پيادهاگرچه اين روش پيچيده. باشدمي يترمؤثرروش

دهد اما با توجه به افزايش همگرايي در تعداد دارد و زمان اجرا را در توليد نسل بعد افزايش مي

رسيم و لذا به همان نسبت توابع هزينه كمتر محاسبه نسل كمتري به جوابهاي قابل قبول مي

. رنامه بسيار كاهش خواهد داشتخواهد شد و در مجموع زمان اجراي ب

:عبارتند از يه شدهاار CADويژگيهاي بطور خالصه

(Layout Aware) در طراحي جانماييتوجه به - 1

(Parasitic Aware) قطعاتدر نظر گرفتن عناصر پارازيتيكي - 2

لذا جوابهاي حاصله ويژگي ديگر اين روش استفاده از نرم افزار شبيه ساز در طراحي است - 3

(Simulation Based) .يار دقيق خواهد بودبس

كاهش زمان طراحي در نتيجه همگرايي بهتر الگوريتم بهينه سازي و - 4

شود كه دست طراح در در اين روش بجاي ارايه يك جواب، يك دسته جواب ارايه مي - 5

.تر با توجه به معيارهاي خاص خود باز خواهد بودانتخاب جواب مناسب

137

فقط است، RFديگر مدارهاين اين روش براي طراحي كليه نكته ديگر عمومي بود - 6

تغييرات مجاز آنها و ، پارامترهاي ورودي و محدودةكافيست كه فايل ورودي مدار

از قبيل ديگر مدارهايمي توان اين روشبا استفاده از .پارامترهاي خروجي تعيين گردد

PA را نيز طراحي كرد، ميكسر، اسيالتور و غيره.

، انجام شد LNAسازي چندين ساختار مختلف تهيه شده، طراحي و بهينه CADتفاده از با اس

همچنين مدارهاي حذف تصوير، . دهندتنوع و كيفيت مناسب جوابها را نشان مي ،كه نتايج طراحي

با اين فيلترهاي حذف تصوير نيز LNAپيشنهاد شد و مدارهاي LNAبراي انواع ساختارهاي

. بهينه شدند

بهينه ارايه شده طراحي و CADطراحي نمونه ديگري، مدار تقويت كننده گسترده توسط در

. دهدنشان مي RF مدارهاييي اين روش را در طراحي انواع حاصل از طراحي كارآنتايج . شد

در اين رساله ساختار جديدي براي سلف مجتمع بصورت سلنوييدي پيشنهاد شد و همچنين

همچنين مدلي . تر هستندهاي چنداليه متداول بهينهها نسبت به سلفنشان داديم كه اين سلف

در مدلسازي از شبكه . سازي الكترومغناطيسي سه بعدي ارايه گرديدها با شبيهاينگونه سلف براي

اين روش براي كاربردهاي مشابه و . كندعصبي استفاده شد كه بسيار سريع مدل سلف را ارايه مي

تواند بكار رود كه در آن، بجاي مدلسازي مستقيم با نرم افزارهاي گر نيز ميدي قطعاتدر مدلسازي

اين نوع . توان استفاده كردتحليل الكترومغناطيسي كه بسيار زمانبر هستند، از اين مدل سريع مي

سازي داريم و بايستي مدلسازي در حلقه براي حالتهايي كه نياز به بهينه مدلسازي، مخصوصاً

.نه سازي به دفعات زياد تكرار شود، بسيار مناسب استالگوريتم بهي

138

:پيشنهاداتي براي ادامه كار -7-2

:شودبه اختصار بيان ميپيشنهاداتي براي ادامه كار در ادامه

سازي و مقايسه سرعت چندهدفه بعنوان الگوريتم بهينه PSOاستفاده از الگوريتم - 1

كه ممكن است سرعت همگرايي سازيينههاي چندهدفه بههمگرايي آن با ديگر الگوريتم

.بيشتري داشته باشد

acفقط تحليل بهينه سازي، در حلقه اصلي الگوريتم براي افزايش سرعت اجراي برنامه - 2

انجام شده است و جوابهايي كه حداقل شرايط مطلوب را دارند در اين مرحله بدست

يا تحليل Harmonic Balanceهاي زمانبر مثل تحليل حالت گذرا، تحليل تحليل. آيد مي

هاي دما و پروسس و يا تحليل مونت كارلو كه در انتها فقط بر روي جوابهاي در كليه گوشه

در اصلي گيرد، مي تواند بعنوان يك تابع هدف در حلقه بهينه سازي منتخب صورت مي

.نظر گرفته شود

براي مثالً سازي شود ادهتواند بصورت توپولوژي متغير پي الگوريتم ميارايه شده، CADدر - 3

را نيز ارايه قطعاتالگوريتم ضمن پيشنهاد توپولوژي مدار مقادير بهينه LNAطراحي

.دهد

(VCO)از قبيل تقويت كننده قدرت، ميكسر و اسيالتور RFديگر مدارهايسازي بهينه - 4

.الگوريتم پيشنهادي بوسيلة

هاي مجتمع از قبيل ساختار فسازي سلسازي ساختارهاي جديد ديگر براي پيادهشبيه - 5

با نرم افزار تحليل الكترومغناطيسي و سپس )1-7شكل ( هاي سلنوييدي چند دورسلف

ها را با انواع توان كارآيي اين نوع از سلفدر نهايت نيز مي. مدلسازي آنها با شبكه عصبي

.سلنوييدي يك دور مقايسه كردديگر از قبيل چنداليه مارپيچي و

139

[69]ساختار سلف سلنوييدي چند دور :1-7شكل

هاي با استفاده از سلف... ، ميكسر، اسيالتور و LNAاز جمله RFمدارهايسازي بهينه - 6

استفاده از مدل شبكه عصبي توان بادر اين حالت مي. سلنوييدي و چند اليه بعنوان بار

ج را بصورت يك فايلبدست آورد و نتايبراي سلف را در فركانسهاي مختلف Sپارامترهاي

Touchstone رامترهاي همين فايل بعنوان يك دو قطبي با پا .كردذخيرهS مشخص در

Hspice، قابل استفاده خواهد بودبعنوان مدل سلف .

140

:مراجع

[1] J. Park, k. Choi, J. Allstot, "Parasitic-Aware RF Circuit Design and Optimization,” IEEE Trans. on Circuits and Systems-I: Regular Papers, Vol. 51, No. 10, Oct. 2004.

[2] L. Liu and et al., “System Design and Matching Analysis of CMOS RFIC,” in Proc. IEEE APMC, 2005.

[3] Thomas H. Lee, Member, IEEE, Hirad Samavati, and Hamid R. Rategh, “5-GHz

CMOS Wireless LANs,“ IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 50, No. 1, Jan. 2002.

[4] Alireza Zolfaghari and Behzad Razavi, “A Low-Power 2.4-GHz

Transmitter/Receiver CMOS IC,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 2, Feb. 2003.

[5] James Chang, An Integrated 900 MHz Spread-Spectrum Wireless Receiver in 1-μm CMOS and a Suspended Inductor Technique, PHD Thesis, University of California, March 1998.

[6] Behzad Razavi, ”Design Considerations for Future RF Circuits,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2007.

[7] Behzad Razavi, “A 60-GHz CMOS Receiver Front End,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 41, Jan. 2006.

[8] Asad A. Abidi, "RF CMOS Comes of Age," IEEE Microwave Magazine, Dec.

2003.

[9] Min Chu and David J. Allstot, “Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm Based RF IC Optimizer,” IEEE Trans. on Circuits and Systems-I, Regular Papers, Vol. 52, No. 3, Mar. 2005.

[10] Min Chu and David J. Allstot, "An Elitist Distributed Particle Swarm

Algorithm for RF IC Optimization,” in Proc. Design Automation Conference (DAC), 2005.

[11] João Ramos and et al., “An Efficient, Fully Parasitic-Aware Power Amplifier Design Optimization Tool,” IEEE Trans. on Circuits and Systems-I, Regular Papers, Vol. 52, No. 8, Aug. 2005.

[12] Pengfei Zhang, "CMOS RF Receiver: From System Architecture to Circuit Implementation," in Proc. 6th International Conference On ASIC, 2005.

[13] Behzad Razavi, RF Microelectronics, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1998.

141

[14] Ho Ka Wai, A 1-V CMOS Power Amplifier for Bluetooth Applications, Master Thesis, The Hong Kong University of Science and Technology, Aug. 2002.

[15] Xiaoyong Li, Low Noise Design Techniques for Radio Frequency Integrated Circuits, PHD Thesis, University of Washington, 2004.

[16] Behzad Razavi, ”A 5.2-GHz CMOS Receiver with 62-dB Image Rejection,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 36, No. 5, May 2001.

[17] Shiau-Wen Kao and et al., “A Low-Power Dual-Band WLAN CMOS Receiver,” in Proc. Asian Solid-State Circuits Conference, 2005.

[18] M. Zargari and et al., “A singlechip dual-band tri-mode CMOS transceiver for 802.11a/b/g wireless LAN,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 39, No. 12, Dec. 2004.

[19] Pengfei Zhang and et al., ”A 5-GHz Direct-Conversion CMOS Transceiver,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 38, No. 12, Dec. 2003.

[20] Behzad Razavi, ”CMOS RF Receiver Design for Wireless LAN Applications,” IEEE Radio & Wireless Conf. , Aug. 1999

[21] Michael W. Baker, A BiCMOS RF Mixer of 5-GHz Receivers, Master Thesis, MIT University, May 2002.

[22] Trung-Kien Nguyen and et al., “Image-Rejection CMOS Low-Noise Amplifier Design Optimization Techniques,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 53, No. 2, Feb. 2005.

[23] Jinsung Park and et al., “Design and Analysis of Low Flicker-Noise CMOS Mixers for Direct-Conversion Receivers,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 12, Dec. 2006.

[24] S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt and M.P. Vecchi, “Optimization by Simulated Annealing,” Science, Vol. 220, No. 4598, 13 May 1983.

[25] E. Zitzler, Evolutionary Algorithms for Multiobjective Optimization: Methods and Applications, Ph.D. thesis, Shaker Verlag, Achen, Germany, 1999.

[26] J. Kennedy, R. Eberhurt, "Particle Swarm Optimization," in Proc. IEEE International Conf. on Neural Networks, Vol. 4, Dec. 1997.

[27] Jinho Park, Kiyong Choi and David J. Allstot, ”Parasitic-Aware RF Circuit Design and Optimization,” IEEE Trans. on Circuits and Systems-I: Regular Papers, Vol. 51, No. 10, Oct. 2004.

[28] J. D. Schaffer, “Multiple objective optimization with vector evaluated genetic algorithms”, Proceedings of the International Conference on genetic algorithm and their applications, 1985.

142

[29] A. Gaspar-Cunha, P. Oliveira, J.A. Covas, "Use of Genetic Algorithms in

Multicriteria Optimization to Solve Industrial Problems," 7th Int. Conf. on Genetic Algorithms, Michigan, USA ,1997.

[30] K. Deb, Multi-Objective Optimization Using Evolutionary Algorithms, John Wiley and Sons, 2001.

[31] E. Zitzler, M. Laumanns, L. Thiele, SPEA2: Improving the Strength Pareto Evolutionary Algorithm, TIK report no.103, Swiss Federal Institute of Technology, Zürich, Switzerland, 2001.

ارائه يك روش جديد در "خليل مافي نژاد، عباس گلمكاني، حبيب رجبي مشهدي و ]32[پانزدهمين كنفرانس "،بوسيله الگوريتم ژنتيك چند هدفه مدارات مجتمع آنالوگطراحي

.2007مهندسي برق ايران،

[33] N. Sriniva and K. Deb, “Multi-objective optimization using Non-dominated sorting Algorithms,” Journal of Evolutionary Computation, Vol.2, No.3, pp. 221-248, 1994.

[34] K. Deb, A. Pratap and et al., “A fast and elitist multi-objective genetic Algorithm: NSGA-II,” IEEE Trans. On Evolutionary Computation, Vol. 6, no.2, pp.182-197, 2002.

[35] D.W. Corne, J.D. Knowles and M.J. Oates, The Pareto Envelope-based Selection Algorithm for multiobjective optimization, Parallel Problem Solving from Nature conference (PPSN VI), Berlin, 2000.

[36] E. Zitzler, M. Laumanns and L. Thiele, SPEA2: Improving the Strength Pareto

Evolutionary Algorithm, TIK Report No. 103, Swiss Federal Institute of Technology, Zürich, Switzerland, 2001

[37] E. Zitzler, Web page, http://www.tik.ee.ethz.ch/~zitzler/testdata.html , 2008. [38] Abbas Golmakani, Khalil mafiNejad and Abbas kouzani, "A new method for

optimization of analog integrated circuits using Pareto-based multi-objective genetic algorithm," International Review on Modelling and Simulation (IREMOS), Vol. 2, No. 3, June 2009.

[39] Myounggon Kang, Joonho Gil and Hyungcheol Shin, "A Simple Parameter

Extraction Method of Spiral On-Chip Inductors," IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 52, no. 9, Sep. 2005.

[40] Joonho Gil and Hyungcheol Shin, "A Simple Wide-Band On-Chip Inductor

Model for Silicon-Based RF ICs," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 51, no. 9, Sep. 2003.

143

[41] Ivan C.H. Lai and Minoru Fujishima, "A New On-Chip Substrate-Coupled Inductor Model Implemented With Scalable Expressions," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 11, Nov. 2006.

[42] Fengyi Huang and et. all, "Frequency-Independent Asymmetric Double-π Equivalent Circuit for On-Chip Spiral Inductors: Physics-Based Modeling and Parameter Extraction," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 10, Oct. 2006.

[43] N.R. Das and Alakananda Mitra, "A New Approach to The Modeling of Si-RFIC Inductor," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 48, No. 6, June 2006.

[44] Jinglin Shi and et al, "The Enhancement of Q Factor for Patterned Ground Shield Inductors at High Temperatures," IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 42, No. 7, July 2006.

[45] Chang-Lee Chen, "Effects of CMOS Process Fill Patterns on Spiral Inductors," Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 36, No. 6, Mar. 2003.

[46] Alireza Zolfaghari, Andrew Chan and Behzad Razavi, "Stacked Inductors and Transformers in CMOS Technology," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 36, No. 4, Apr. 2001.

[47] J. Jiajiunn, CMOS RF Device Modeling and Low-Noise Amplifier Circuit Design, PHD Thesis, University of California, Berkeley, 2001.

[48] 0.18um Logic 1P6M Salicide 1.8v/3.3v Spice Models, TSMC,

Doc. T-018-MM-SP-001.

[49] Ali M. Niknejad and Robert G. Meyer, "Analysis, Design, and Optimization of Spiral Inductors and Transformers for Si RF IC’s," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33, No. 10, Oct. 1998.

[50] Alireza Zolfaghari, Low Power CMOS Design for Wireless Transceivers,

Kluwer Academic Publication, (2003). [51] Sushanta K. Mandal, Shamik Sural, and Amit Patra, "ANN- and PSO-Based

Synthesis of On-Chip Spiral Inductors for RF ICs," IEEE Trans. on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, Vol. 27, No. 1, Jan. 2008.

[52] Abbas Golmakani, Khalil Mafizejad, Milad Razzaghpour and Abbas Kouzani,

" Modeling and optimization of a solenoidal integrated inductor for RF ICs," International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 20, Issue 2, 2010.

[53] Trung-Kien Nguyen and et al, "CMOS Low-Noise Amplifier Design

Optimization Techniques," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 52, No. 5, May 2004.

144

[54] T. Maeda and et al., “A low-power-consumption direct-conversion CMOS

transceiver for multi-standard 5-GHz wireless LAN systems with channel bandwidth of 5–20 MHz,” IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 2, Feb. 2006.

[55] Rola A. Baki and Mourad N. El-Gamal, "A 1V 0.8mW Multi-GHz CMOS

Differential Tunable Image Reject Notch Filter," 48th Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2005.

[56] H. Samavati et al., “A 5-GHz CMOS wireless LNA receiver front-end,” IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 35, No. 5, pp. 765–772, May 2000.

[57] C. Guo et al., “A full integrated 900 MHz CMOS wireless receiver with on-

chip RF and IF filters and 79-dB image rejection,” IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 37, No. 8, pp. 1084–1089, Aug. 2002.

[58] Rola A. Baki and Mourad N. El-Gamal, "RF CMOS Fully-Integrated

Heterodyne Front-End Receivers Design Technique for 5 GHz Applications," IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2004.

[59] Abbas Golmakani, Khalil Mafizejad and Abbas Kouzani, " Design and

Optimization of LNA Topologies with Image Rejection Filters," International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 20, Issue 3, 2010.

[60] B. Razavi, Design of Integrated Circuits for Optical Communications,

McGraw-Hill, 1st ed, September 2002.

[61] Hee-Tae Ahn, ,David J. Allstot, “A 0.5–8.5-GHz Fully Differential CMOS Distributed Amplifier, IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 37, No. 8, Aug. 2002.

[62] Kambiz K. Moez, and Mohamed I. Elmasry, “ CMOS Distributed Amplifiers:

An Integrated Solution for Broadband Optical and Wireless Communication Applications,” Second IFIP International Conference, Wireless and Optical Communications Networks, 2005.

[63] Tao Wang and et al., “A Micromachined CMOS Distributed Amplifier by CMOS Compatible ICP Deep-Trench Technology,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, No. 4, April 2006.

طراحي و بهينه سازي يك "عباس گلمكاني، خليل مافي نژاد و محمد ميمندي نژاد، ]64[

گوريتم ژنتيك چند بوسيله البا در نظر گرفتن عناصر پارازيتيك CMOSتقويت كننده گسترده .2008شانزدهمين كنفرانس مهندسي برق ايران، "،هدفه

[65] Josef Shohat, Ian D. Robertson and Steve J. Nightingale, “Investigation of

Drain-Line Loss and the S22 Kink Effect in Capacitively Coupled Distributed Amplifiers,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 53, No. 12, Dec. 2005.

145

[66] Rony E. Amaya, N.G. Tam and Calvin Plett, “A 27 GHz Fully Integrated

CMOS Distributed Amplifier using Coplanar Waveguides,” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2004.

[67] Abbas Golmakani, Khalil mafiNejad and Abbas kouzani, " The Parasitic-

Aware Design and Optimization of CMOS Distributed Amplifier Using Multi Objective Genetic Algorithm," Majlesi Journal of Electrical Engineering, Vol. 2, No. 1, Summer 2008.

[68] Abbas Golmakani and Khalil Mafi nejad, " A New Optimization method:

Distributed Pareto-Based Multi Objective Genetic Algorithm," the second Joint Congress on Intelligent and Fuzzy Systems (ISFS2008), Aug. 2008.

[69] Chih-Chun Tang, Chia-Hsin Wu and Shen-Iuan Liu, "Miniature 3-D Inductors

in Standard CMOS Process," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 37, No. 4, Apr. 2002.

[70] C. Rajagopal, K. Sridhar and Adrian Nunez, "RF CMOS Circuit Optimizing

Procedure and Synthesis Tool," in Proc. IEEE GLSVLSI, April, 2003.

[71] Min Chu, David J. Allstot, Jeffrey M. Huard and Kim Y. Wong, "NSGA-Based Parasitic-aware Optimization of a 5GHz Low-noise VCO, " Proceedings of the Asia and South Pacific Design Automation Conference, 2004.

[72] Abhishek Somani, Partha P. Chakrabarti, Senior Member, IEEE, and Amit Patra, "An Evolutionary Algorithm-Based Approach to Automated Design of Analog and RF Circuits Using Adaptive Normalized Cost Functions, " IEEE Trans. on Evolutionary Computation, 2006.

[73] Rana J. Pratap, J.H. Lee, S. Pinel, G.S. May, J. Laskar and E.M. Tentzeris,

"Millimeter Wave RF Front End Design using Neuro-Genetic Algorithms, " Electronic Components and Technology Conference, 2005.

[74] Arthur Nieuwoudt and Yehia Massoud, " Multi-level Approach for Integrated

Spiral Inductor Optimization, " in Proc. Design Automation Conference (DAC), June , 2005.

[75] Wenhuan Yu and John W. Bandler, "Optimization of Spiral Inductor on

Silicon using Space Mapping, " IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, June 2006.

146

:كلمات اختصاري

ACPR Adjacent Channel Power Rejection AGC Automatic Gain Control ANN Artificial Neural Network BER Bit Error Rate CAD Computer Aided Design CAE Computer Aided Engineering DAC Digital to Analog Converter DPGA Distributed Pareto-based Genetic Algorithm DPSK Differential Phase Shift Keying DA Distributed Amplifier EA Evolutionary Algorithms EDPSO Elitist Distributed Particle Swarm Optimization ENSGA Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithm EM Electro Magnetic FOM Figure of Merit GA Genetic Algorithm IF Intermediate Frequency IIP3 Input Intercept Point 3 IM3 Inter Modulation 3 IP2 Intercept Point 2 IP3 Intercept Point 3 IR-LNA Image Reject Low Noise Amplifier LNA Low Noise Amplifier LO Local Oscillator LUT Look Up Table MIM Metal Insulator Metal MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuits MOGA Multi Objective Genetic Algorithm NF Noise Figure NoF Number of Finger NSGA Non-dominated Sorting Genetic Algorithm PCSNIM Power Constrained Simultaneous Noise and Input Matching PESA Pareto Envelope-based Selection Algorithm PGS Patterned Ground Shield PSO Particle Swarm Optimization RF Radio Frequency RFIC RF Integrated Circuits SA Simulated Annealing SCB Static Current Bleeding SFDR Spurious Free Dynamic Range SMD Surface Mounted Device

147

SNIM Simultaneous Noise and Input Matching SNR Signal to Noise Ratio SoC System on a Chip SPEA Strength Pareto Evolutionary Algorithm SRF Self Resonance Frequency TSMC Taiwan Semiconductor Manufacture Company UGB Unity Gain Bandwidth UWB Ultra Wide Band VCO Voltage Control Oscillator VEGA Vector Evaluated Genetic Algorithm VLSI Very Large Scale Integration WCDMA Wide-band Code Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Personal Area Network

Abstract: An important problem in designing RFIC in CMOS technology is the

parasitic elements of passive and active devices that complicate design

calculations. In this thesis, a new method for design and optimization of the

circuits based on a Pareto-based multi-objective genetic algorithm is proposed.

Through a link between HSPICE and MATLAB, all transistor sizes, bias

voltages and number of turns and diameter of inductors are proposed by CAD

and then circuits, with these values are simulated by Hspice-RF. The output

parameters, such as gain, bandwidth, S11, S22 and power are extracted from

output file and the area of chip is calculated separately. This output parameters

are used as cost functions for creating next generation. A set of optimum device

values and dimensions are obtained. The optimization method is layout aware,

parasitic aware and simulation based. Circuit simulations are carried out based

on TSMC 0.18 µm CMOS technology by using Hspice.

This thesis presents three LNA topologies including cascode, folded

cascode and differential cascode and then introduces image rejection filters for

low-side and high-side injection, Also a distributed amplifier is presented. Theses

circuits are designed and optimized by presented CAD tool.

In other section of this thesis, a solenoidal structure for implementation of

on-chip inductors is presented. An electromagnetic simulator is used to simulate

several different-size inductors for frequency up to 20 GHz. Additionally,

artificial neural network models are developed for different inductor topologies

to speed up inductor optimization process. Finally, it is demonstrated that the

solenoidal inductor exhibits a better overall performance in comparison to the

conventional multi-layer spiral inductors demonstrating its potential for RF ICs.

PartT

Intr

Ele

AFerdo

tial FulThe Deg

roducinOptim

RF

In the

ectrical En

A Thesiowsi Unfillmenree of DElectric

ng a CAmizatioF Integ

Abba

ThesiDr. Kh

name o

ngineering

is Submniversitynt of theDoctor ocal Engi

AD Tooon of Ingrated

By

as Golm

is Superhalil Ma

2010

of God

g Departm

mitted toy of Mae Requirof Philoineering

ol for Dnductor

Circui

makani

rvisor afinejad

ment

o ashhad rementsosophy ig

Designrs and its

d

s for in

and

Abbas golmakani PHD Thesis

Documents

Transcript of Abbas golmakani PHD Thesis