بهبود پايداري فركانسي نوسانساز حلقويCMOS با تركيب طبقه هاي تاخيري

CMOS ring oscillator frequency stability with the combination of delay stages

نوسان ساز كنترل شده با ولتاژ يكي از قسمت هاي مهم و اساسي سيستم هاي آنالوگ و ديجيتال مي باشد. در حالي كه روش هاي متعددي براي پياده سازي اين نوع نوسان ساز وجود دارد يكي از رايج ترين روش ها ، نوسان ساز هاي حلقوي مي باشد كه مي تواند به عنوان كلاك درسيستم استفاده شود. دليل اصلي تمايل به طراحي نوسان سازتمام ترانزيستوري قابليت تجميع آسان آن درغياب عناصر پسيو مي باشد. كه به كاهش مساحت تراشه منجر خواهد شد. همين خاصيت مجتمع سازي آسان، اين نوع نوسان ساز را به يكي از بخش هاي جذاب سيستم هاي مخابراتي تبديل كرده است. اين نوسان سازهاي كنترل شده با ولتاژ كاربردهايي نظير كلاك ارتباطات سريال، سنتز كننده فركانسي مجتمع، توزيع كلاك درون چيپ و... را دارا مي باشد. مسئله مورد بررسي در اين تحقيق تغيير فركانس نوسان در ازاي تغييرات پارامتر هايي مثل دما و ولتاژ منبع تغذيه مي باشد. با شناخت و تركيب مناسب طبقه هاي تاخيري مي توان به عملكرد مناسبي از اين نوسان سازها رسيد. اصولا در نوسان سازها ايده آل اين است كه فركانس نوسان مستقل ازتغييرات ولتاژ تغذيه و دما، ثابت باشد. اما با استفاده از اين طبقه هاي تاخيري فركانس نوسان كاهش يافته است. اين كاهش قابل توجه فركانس كاري نوسانگر حلقوي در ازاي بهبود پايداري فركانسي مسئله ي اصلي اين تحقيق مي باشد. در اين تحقيق سعي بر اين است كه بتوان طوري به اين پايداري فركانسي رسيد كه فركانس نوسان كاهش نيابد يا حداقل كمتر كاهش يابد. اين بدين معني است كه بهبود پايداري فركانسي به شدت فركانس نوسان را كاهش مي دهد. هدف اين تحقيق جبران اين اثر كاهش فركانس نوسان است. به اين صورت كه بين سرعت (فركانس نوسان) و پايداري فركانسي مصالحه اي برقرار شود تا بتوان به نوسان‏سازهايي با فركانس بالاتر نوسان و پايداري فركانسي مناسب رسيد. پس به عنوان هدف اصلي اين تحقيق بررسي رياضي و پارامتري نوسانگر حلقوي سيماس براي رسيدن به مصالحه اي مناسب بين سرعت (فركانس نوسان) و پايداري فركانسي (عدم تغييرات شديد فركانس نوسان با تغييرات منبع تغذيه و دما) مد نظر مي باشد. دراين نوسانساز حلقوي از دو نوع معكوس كننده پايه و كشنده جريان استفاده شده است. با توجه به اصل نوسان در نوسانسازهاي حلقوي تعداد معكوس كننده‌‌ها در حلقه مشخص مي شود. و با محاسبه زمان تاخير دو معكوس كننده مشاهده مي شود، زمان تاخير اين دو معكوس كننده برخلاف هم است و نيز شيب تغييرات فركانسي با تغيير دما و منبع تغذيه در دو معكوس كننده برخلاف هم است پس به اين نتيجه مي رسيم كه با تركيب اين دو معكوس كننده زماني به حالت مطلوب خواهيم رسيد كه كمترين تغييرات فركانسي را با تغيير دما و منبع تغذيه داشته باشيم. بنابراين تركيبات مختلف را در نظر مي گيريم. با توجه به نتايج مشاهده شده معكوس كننده پنج طبقه بهترين پاسخ را دارد. حالا از بين تقويت‌كننده‌هاي پنج طبقه كه با يك معكوس كننده پايه و چهار كشنده جريان، و دو معكوس‌كننده پايه وسه كشنده جريان، و يا سه معكوس‌كننده پايه و دو كشنده جريان، بهترين پاسخ مربوط به دو معكوس كننده پايه و سه كشنده جريان است. و كمترين تغيير فركانس را در مقابل تغييرات دما ومنبع تغذيه از خود نشان مي دهد. اما در همه موارد به ازاي داشتن فركانس ثابت، مقدار فركانس كاهش مي يابد. در مرحله بعد سعي مي‌كنيم با اتصال مورب اين مشكل را تا حد امكان برطرف كنيم ودر خروجي مشاهده مي‌شود، فركانس افزايش مي يابد، بنابراين سعي مي شود با تكنيك هاي بيان شده به فركانس بالاتر و در عين حال با تغييرات كمتر در برابر تغييرات ولتاژ منبع تغذيه و دما دست يابيم.