وبلاگ

شکل ۳-۲ سمبل p-n varactor و مدل ساده شده ی آن
۳-۳- ساختارهای Varactor با بهره گرفتن از ترانزیستورهای MOS
ساختارهای متفاوتی جهت طراحی Varactor ها با ترانزیستورهای MOS وجود دارد به طوریکه بتوان به ضریب کیفیت مناسبی رسید[۱۷].
اولین ساختار مورد مطالعه‏،‏ساختار D-S-Bمی‏باشد. طبق شکل ۳-۳- الف‏،‏این ساختار از یک ترانزیستور PMOS که در آن درین و سورس و bulk به هم وصل شده‏اند و یک نود خازن را تشکیل می‏دهند و نیز نود دیگر که همان وصل به گیت می‏باشد،‏تشکیل شده است. با توجه به اینکه این ساختار در هر سه ناحیه معکوس ، کاهشی و افزایشیمی تواند کار کند‏،‏طبق شکل ۳-۳- ب ‏،‏ خازن به دست آمده به صورت غیر یکنواخت تغییر خواهد کرد. خازن ماکزیمم به دست آمده در ناحیه غیر معکوس، با C_ox تخمین زده می‏شود که برابر است با :
(۳-۳)
که در پروسه ی m? ۰٫۱۸، مقدار ضخامت اکسید گیت می‏باشد. به علت این تغییر غیر یکنواخت‏،‏از این مدل استفاده نخواهیم کرد.

(ب) (الف)
شکل ۳-۳ (الف) ساختار D=S=B (ب) نمودارC-V ساختار D=S=B
دومین ساختار مورد مطالعه که در شکل ۳-۴- الف نشان داده شده است‏،‏ساختار افزایشی یاAMOS (accumulation-mode MOS) می‏باشد‏. در این ساختار برخلاف PMOS معمولی، نواحی p+ درین و سورس با n+ جایگزین شده‏اند‏. ‏این عمل سبب می‏شود که از نفوذ حفره‏ها به کانال جلوگیری شده و از معکوس شدن جلوگیری شود. به علت اینکه این مدل تنها در دو ناحیه‏ی کاهشی و افزایشی کار می‏کند، طبق شکل۳-۴- ب، دارای منحنی خروجی یکنواخت خواهد بود. ولی به علت اینکه این مدل رفتار یک ترانزیستور معمولی MOS را ندارد‏، رفتار فیزیکی آن دقیقا قابل برآورد نبوده و لذا مورد استفاده واقع نخواهد شد.

(ب) (الف)
شکل ۳-۴ (الف) ساختار حالت افزایشی (ب) نمودارC-V ساختار حالت افزایشی
سومین مدل‏،‏استفاده از IMOS (inversion mode MOS) می‏باشد که در شکل ۳-۵-الف نشان داده شده است. در این مدل که همانند یک MOS می‏باشد‏،‏درین و سورس به هم وصل شده، یک نود و گیت ترانزیستور نود دیگر را تشکیل می‏دهند.‏ همچنین bulk به ولتاژ V_dd وصل می‏شود. با توجه به اینکه قسمت n-well به بالاترین ولتاژ یا حداقل ولتاژی برابر ولتاژ گیت وصل می‏شود، بنابراین، این مدل فقط در حالت معکوس کار خواهد کرد. منحنی یکنواخت این مدل در شکل۳-۵- ب نشان داده شده است. همچنین با توجه به اینکه n-well به V_dd وصل بوده و به ولتاژ tune وصل نخواهد بود،‏در نتیجه، در این مدل‏،‏ترانزیستور نسبت به حالت latch-up، کمتر آسیب پذیر خواهد بود‏. بنابراین، در این پایان نامه از این مدل استفاده خواهیمکرد.

(ب) (الف)
شکل ۳-۵ (الف) ساختار I-MOS (ب) نمودارC-V ساختار I-MOS
۳-۴- طراحی Varactor استفاده شده
ابتدا در این قسمت به طراحی Varactor ساخته شده در حالت IMOS بصورت single می‏پردازیم و در نهایت حالت تفاضلی این مدل را مطرح و بررسی خواهیم کرد.
با توجه به اینکه مدار کل پیشنهادی در فرکانس ۴GHz باید طراحی گردد‏،‏با فرض L=4nHو با توجه به رابطه (۲-۱۴) ، به محاسبه ی میزان خازن شبکه ی LC می‎پردازیم :
(۳- ۴)
برای طراحی Varactor در حالت single‏،‏مطابق شکل ۳-۶- الف، خازن Varactor از دو ترانزیستور PMOS سری شده ساخته می‏شود که معادل شکل ۳-۶- ب می‏باشد. با توجه به رابطه‏ی (۲-۱۳) ، می‏توان کل خازن مدار سلفی-خازنی را برابر مقدار زیر در نظر گرفت :

(ب) (الف)
شکل ۳-۶ (الف) اتصال سری varactor ها (ب) علامت اتصال سری varactor ها
با توجه به طراحی اسیلاتور انجام شده‏،‏مقدار خازن پارازیتیک در حد ?.?pF خواهد بود.بنابراین ، طبق روابط (۴-۳) و (۵-۳) و مقدار خازن پارازیتیک ،مقدار C_varactor برابر?.???pF باید درنظرگرفته شود.
با توجه به رابطه (۳-۳)و مقادیر ،،در پروسه یm ? ۰٫۱۸،خواهیم داشت :
بنابراین مقدار اندازه ی هر کدام از ترانزیستورهای شکل ۳-۶-الف ، برابر به دست می آیند. هر کدام از این ترانزیستورهای pmos سری شده را مطابق شکل ۳-۷ ، از ? ترانزیستور موازی شده با تعداد انگشتی هرکدام ?? عدد و با اندازه یw=?µm ساخته شده ایم. برای تست کردن مقادیر خازن ، مطابق شکل‏،‏ولتاژ dc مشترک ?.?v با ورودی سینوسی با دامنه‏ی ??mv و فرکانس ?GH به دو طرف مدار اعمال می کنیم. شکل ۳-۸، مشخصه C-V خازن varactor طراحی شده در حالت singleرا نشان می‏دهد.

شکل ۳-۷ خازن varactor طراحی شده در حالت single به همراه مدار آزمایش
شکل ۳-۸ مشخصه C-V خازن varactor طراحی شده در حالت single
همانطور که در شکل ۳-۸ دیده می‏شود‏،‏تغییرات مقادیر خازن در بازه‏ی بسیار کوچکی از ولتاژ tune بوده ودر نتیجه، رنج تغییراتفرکانس سیگنال های خروجی‏کمترخواهد بود. بنابراین، برای افزایش محدود‏ه ی ولتاژ tuneو در نتیجه ، افزایش رنج تغییراتفرکانس سیگنال های خروجی از حالت تفاضلیVaractorهامطابق شکل ۳-۹ استفادهمی‏کنیم. همچنین یکی دیگر از مهم ترین مزایای استفاده از ساختار تفاضلی، کاهش قابل توجه اعوجاج در ساختار Varactorها می باشد.
در این حالت، مطابق شکل ۳-۹، در قسمت PMOS، هرکدام از ترانزیستورها‏،‏دارای طول و عرضL=?.??µm وw_p=???µm خواهند بود. مطابق شکل‏،‏هرکدام از ترانزیستورهای PMOS،‏از دو ترانزیستور موازی با اندازه‏ی w=5µm و تعداد انگشتی N=20 ساخته شده‏اند. همچنین با توجه به اینکه می‎باشد،هرکدام از ترانزیستورهای NMOS سری شده دارای w=100µm هستند. بنابراین، هرکدام از این ترانزیستورهای NMOS، از دو ترانزیستور موازی با اندازه w=5µm و تعداد انگشتی N=10 ساخته می شوند.
مشخصه C-V خازن varactor طراحی شده در حالت تفاضلی، مطابق شکل ۳-۱۰ می‏باشد. همان طور که دیده می شود رنج تغییرات ولتاژ tune و در نتیجه ، رنج تغییراتفرکانس سیگنال های خروجیافزایش خواهد یافت. مطابق شکل‏،‏مقادیر به ترتیب برابر و می‏باشند.بنابراین طبق رابطه (۳-۵) و با توجه به اینکه مقدار خازن پارازیتیک در حد ?.?pFمی باشد، حدودا بین مقادیر وتغییر خواهد کرد.
در نتیجه، مطابق رابطه (۳-۴)، مقادیرf_min و f_max برابر خواهند بود.بنابراین طبق رابطه زیر مقدار رنجtuning فرکانس خروجی، حدودا برابر .?۱۲% خواهد بود :
(۶-۳)

شکل ۳-۹ خازن varactor طراحی شده در حالت تفاضلی
شکل ۳-۱۰ مشخصه C-V خازن varactor طراحی شده در حالت تفاضلی
شکل Layout ساختار خازن varactor طراحی شده در حالت تفاضلی، مطابق شکل ۳-۱۱ می‏باشد. همچنین، مشخصه C-V مربوطه بعد از extract شدن، مطابق شکل ۳-۱۲ می‏باشد.
شکل ۳-۱۱ Layoutخازن varactor طراحی شده در حالت تفاضلی
شکل ۳-۱۲ مشخصه C-V خازن varactor در حالت تفاضلیبعد از extract شدن
برای تعیین ضریب کیفیت‏،‏به محاسبه ی مقاومت سریخازنها می‏پردازیم. طبق رابطه‏ی زیر‏،‏R_s برابر است با [۱۸] :
(۷-۳)
که R_ch مقاومت معادل کانال معکوس شده و R_poly مقاومت معادل contactهای اعمال شده به پلی سیلیکان است؛ N نیز نشان‏دهنده‏ی تعداد انگشتی است.R_ch از رابطه‏ی زیر به دست می‏آید‏[۱۹] :
(۸-۳)
برای قسمت PMOS با و Vth=?.?? v و ، R_chحدودا برابر Ω?????خواهد بود.بنابراین می‏توان در رابطه )۳-۵ (ازR_poly صرف نظر کرد. با توجه به ,L=?.??µm w=?µmوN=??، R_sبرابر ?.?Ωبه دست می‏آیدکه در حالت سری دو مقاومت،?.?Ωخواهد شد.
همچنین در طرف NMOS،‏با توجه به، R_ch حدودا برابر ?.??kΩ خواهد بود. با توجه به N=?? , L=?.??µm , w=?µm، R_s برابر ?.??Ω به دست می‏آیدکه در حالت معادل سری دو مقاومت،?.??Ωخواهد شد.
در این حالت برای دو شاخه موازی، مقاومت معادل برابر R=1.??Ω خواهد بود.
در حالت کلی، ضریب کیفیت یک شاخه RC سری برابر است با :
(۹-۳)
با توجه به اندازه ی درمحدوده ی بین مقادیر وو فرکانس نوسان به دست آمده در محدوده ی ‏،‏Qحدودا بین مقادیر ??.و?? خواهد بود که نشان دهنده‏ی بالا بودن ضریب کیفیت varactorها می‏باشد.