المذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators

يثبت أنّ النظام الذي يتألف من زوج متقاطع من أنظمة فرعية معينة أي “Cross-Coupled Oscillators” والتي هي نفسها متقاربة بشكل متقاطع، قادر على توليد أربع إشارات في التربيع تماماً ومتساوية في الاتساع، كما يتم عرض مذبذب “RC” مع هذه الخاصية، وكما يعرف في مذبذب “CMOS”.

أساسيات المذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators:

تم اقتراح منهجية تصميم مذبذب تقارن “CMOS” يعمل بالقرب من تردد التذبذب الأقصى للترانزستور “f max” من خلال استخدام مطابقة مقاومة الحلقة، وتقنية التحكم في إزاحة الطور لتعظيم كسب حلقة المذبذب، كما تم تنفيذ مذبذب أساسي يتبع منهجية التصميم المقترحة في “65 نانومتر” لـ “CMOS”.

تظهر النتائج المقاسة أنّ المذبذب يحقق تردد تذبذب “192.3 جيجاهرتز” وهو “71.1%” من التردد “f max” الخاص بالترانزستور، وطاقة ناتج الطيف هي “-10.4 ديسيبل ميلي واط” مع ضوضاء المرحلة “-100 ديسيبل / هرتز” عند إزاحة “10 ميجاهرتز”، كما يستمد المذبذب تيار “14 مللي أمبير” فقط من مصدر طاقة “1.2 فولت”.

• “RC” هي اختصار لـ “resistor and a capacitor”.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary Metal Oxide”.

• “f max” هي اختصار لـ “maximum frequency”.

مزايا المذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators:

• تقوم بطبيعتها على فصل عُقد مصدر الجهاز للأجهزة المتقاربة دون المساومة على حالة بدء تشغيل “VCO“.

• يضمن الهيكل الجديد كلاً من ضوضاء المرحلة المنخفضة وطاقة التيار المستمر المنخفضة.

• ضوضاء طور فائقة قريبة “1 / f3”.

• أداء سحب العرض المتفوق.

• عرض النطاق الترددي لضبط التردد المنخفض والطاقة المنخفضة.

ملاحظة:“VCO” هي اختصار لـ “Voltage Controlled Oscillator”.

التطبيقات المحتملة للمذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators:

• اتصالات لاسلكية تجارية عالية الأداء.

• وصلات اتصالات لاسلكية دفاعية عالية الأداء وأنظمة رادار واسعة النطاق للمراقبة.

آلية عمل المذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators:

تتطلب الأنظمة اللاسلكية الحديثة مذبذبات “CMOS” متكاملة للتحكم في الجهد “VCOs” مع ضوضاء منخفضة المرحلة واستهلاك منخفض للطاقة ونطاق ضبط واسع، كما تحقق الفئة “C VCO” تحويلاً فعالاً من التيار المستمر إلى الأساسي وبالتالي مستوى عالٍ من الجدارة “FoM”، ولكن في كثير من الأحيان مع ظروف بدء التشغيل المعرضة للخطر.

يمكن أن يؤدي تشكيل شكل الموجة التوافقية إلى تقليل تحويل ضوضاء الوميض، ومع ذك فإنّه يتطلب تصميماً معقداً للخزان مع ضبط مخصص للمعاوقة التوافقية، ممّا يحد من أدائه الممكن تحقيقه على نطاق تردد واسع واعتماده على نطاق واسع في الممارسة العملية بسبب تأرجح جهد التذبذب المخترق أو هامش بدء التشغيل المتدهور، لذلك فإنّ تحسين ضوضاء طور “CMOS VCO” بشكل كبير مع موازنة مقاييس الأداء الأخرى لا يزال يمثل مهمة تصميم صعبة.

• “FoM” هي اختصار لـ “Filter Oscillator Mixer”.

تردد التذبذب للمذبذبات المتقاطعة VCO المتداخل مع انحياز نهاية المقاوم:

صيغة للتنبؤ بتردد التذبذب لمذبذب متقاطع متحكم فيه الجهد “VCO”، كما تم تنفيذ “VCO” بتقنية “CMOS 0.13 mum”، ويُظهر التكرار المحسوب للعملية اتفاقاً وثيقاً مع نتائج المحاكاة، كما يعمل “VCO” بتردد “10 جيجاهرتز” ويستهلك “490 ميجاواط” من الإمداد الرابع، وضوضاء الطور المحاكية عند تخالف “1 ميجاهرتز” هي “-114.4 ديسيبل / هرتز” ممّا ينتج عنه رقم الجدارة “FOM” البالغ “197.6 ديسيبل”.

يمكن أن يغطي “VCO” نطاق تردد “748 ميجاهرتز” ويحتل مساحة “0.096 مم ²” من منطقة الرقاقة، كما تبلغ حساسية المحاكاة؛ لتكرار التشغيل والسعة من الذروة إلى الذروة بسبب درجة الحرارة “4.58 ميجاهرتز / درجة مئوية” و”3.6 مللي فولت / درجة مئوية” على التوالي، حيث تبلغ حساسية تردد التشغيل والسعة من الذروة إلى الذروة بسبب مصدر الطاقة “1.1 جيجاهرتز / فولت” و”1.82 جيجاهرتز / فولت” على التوالي.

حدود التذبذب لمذبذبات HBT المتقاطعة:

عند تقييم إمكانات تقنية دائرة متكاملة معينة يتم استخدام نهج الموصلية السالبة لتقدير الحد الأقصى للتردد لقدرة بنية الترانزستور ثنائي القطب غير المتجانسة “HBT”، وعلى العمل كمذبذب عند الترددات العالية، كما يتم توسيع التقدير البسيط منخفض التردد للموصلية السلبية والذي يشيع استخدامه في العديد من التطبيقات، من خلال اشتقاق تعبير جديد يأخذ في الاعتبار طفيليات “HBT”.

يتم إعطاء تعبير عن التردد الذي يعبر فيه التوصيل السالب للدائرة الصفر والذي يُعطي أقصى تردد للتذبذب لخزان مثالي أي لا توجد خسائر في الخزان، وبالإضافة إلى ذلك يتم تحليل تأثير مكثف التغذية المرتدة والذي يضاف عادةً لفصل التيار المباشر “DC” وتعزيز التوصيل السالب، ويتم تقديم رؤية جديدة حول اختيار قيمة هذه السعة، كما تم إثبات النتائج من خلال عمليات المحاكاة باستخدام ترانزستورات “SiGe HBT” بأسفل “190 جيجاهرتز”.

• “HBT” هي اختصار لـ “Heterojunction Bipolar Transistor”.

• “DC” هي اختصار لـ “Direct current”.

المذبذب المتصالب المعدل في المذبذبات المتقاطعة Cross-Coupled Oscillators:

يتم تقديم مذبذباً متصالباً معدلاً في عملية “CMOS” بقيمة “0.18 ميكرومتر”، والسبب في ذلك هو توفير نهج مبتكر لتحسين ضوضاء المرحلة، كما تقدم الطريقة المقترحة مواصفات محسّنة لضوضاء الطور مقارنةً بأكثر الأفكار التقليدية التي يكون فيها تبديد التيار العالي هو العنصر الأساسي في تحسين ضوضاء المرحلة، والمذبذب قادر على زيادة سعة التذبذب دون زيادة المستوى الحالي مع الاستفادة من إزالة تيار النهاية وتحسين الهيكل.

يمكن أن يتحقق تحليل سعة ذروة الجهد من الأداء الأمثل للمذبذب المستخدم، وكما يتم تقديم تحليل دقيق لضوضاء الطور النظري للمذبذب المستخدم، والصيغة المغلقة مشتقة من ضوضاء الطور في منطقة “1 / f 2″، وللتحقق من النتائج المشتقة يتم التحقق من صحة النتائج مقابل عمليات المحاكاة وتوضيح التطابقات الجيدة.

كما أنّ خطأ الضوضاء الطور الكلي له خطأ أقل من “dB 3” على ترددات التخالف من الموجة الحاملة، كما تظهر نتائج محاكاة ما بعد التخطيط عند “2.4 جيجاهرتز”، وبتردد إزاحة قدره “1 ميجاهرتز” و”3 ميجاهرتز” وضوضاء المرحلة “- 127.2 ديسيبل / هرتز” و”- 138 ديسيبل / هرتز” على التوالي، ومع تيار “1.2 مللي أمبير” في تزويد “1.8 فولت”، وبالإضافة إلى ذلك يتم استخدام محاكاة “مونت كارلو” للتأكد من أنّ حساسية المذبذب المستخدم للعملية وتغيرات التردد واعدة جداً.

كما يتم اقتراح تقنية جديدة لتقليل ضوضاء الطور لمذبذبات “LC” المتقاربة باستخدام التصفية التوافقية الثانية لضوضاء تيار النهاية، وباستخدام شبكة “LC” بين تيار النهاية وتبديل الترانزستورات يتم تصفية التوافقية الثانية لضوضاء تيار النهاية، كما تعمل دائرة الترشيح في نفس الوقت كمرشحات تمرير منخفض وإيقاف نطاق.

لذلك يتم تقليل ضوضاء مرحلة الإنتاج ويتم تصميم ومحاكاة ثلاث دوائر بما في ذلك مذبذب أساسي متقاطع مع تيار النهاية، وكذلك اثنين من مذبذبات متقاطعة مقترنة بالطريقة التقليدية والمقترحة لضوضاء تيار الذيل الثاني للترشيح التوافقي في تقنية “0.13 ميكرومتر CMOS”، ومع نفس استهلاك الطاقة من مصدر “1.2 فولت”.

حيث تُظهر نتائج المحاكاة أنّه بالنسبة للدائرة المستخدمة عند تردد “2 جيجاهرتز” وإزاحة “1 ميجاهرتز” تكون ضوضاء الطور وشكل الاستحقاق “FoM”، هو “130dBc / Hz” و”192.3 ديسيبل” على التوالي ومقارنة بالدوائر الأساسية والتقليدية تقدم الطريقة المقترحة تحسينات في ضوضاء الطور تبلغ “13 ديسيبل” و”7.5 ديسيبل” على التوالي، على حساب زيادة مساحة القالب وبسبب محث الترشيح.