تصميم مستقبلات الراديو المتكاملة منخفضة الطاقة / منخفضة الحساسية لتغيرات التصنيع باستخدام تكنولوجيا الـ CMOS الميكرونية العميقة

الملخص:

"لقد توسع مجال اللاسلكى و ترددات الراديو خلال العقدين الأخيرين إلى أبعاد لم تكن متوقعة. فلقد أصبحت ترددات الراديو الآن جزءا من حياة المرء العادية. و مثال على ذلك الهواتف الخلوية، نقاط الولوج للشبكة العنكبوتية من خلال شبكات محلية لاسلكية، سماعات الرأس بتكنولويا البلوتوث و أطراف الحاسب الآلى اللاسلكية. و لقد أدى هذا التقدم إلى تقدم مشابه فى صناعة دوائر ترددات الراديو المتكاملة. و يتضع هذا فى تسارع كل صانعى هذه الدوائر إلى إضافة أنظمة قياسية لاسلكية أكثر إلى دوائرهم المتكاملة. و لقد تم دفع هذا التسارع من خلال صانعى الأجهزة المحمولة الذين يريدون إضافة المزيد و المزيد من الوظائف لأجهزتهم. فلقد أصبح الهدف الأسمى الآن أن تتملك عدة محمولة صغيرة قادرة على العمل حسب أنظمة قياسية لاسلكية مختلفة و تحتوى على جميع الوظائف و الرفاهية اللاسلكية الممكنة.

أدى ذلك إلى تسارع ناحية المرسلات و المستقبلات متعددة الأنظمة المتكاملة باستخدام تكنولوجيا الـCMOS   وذلك حتى يمكن دمجها مع الطرف الخلفى الرقمى على نفس الشريحة. و لكن مستقبلات الـ CMOS المتكاملة تعانى من اختلافات بين مسارى الطور المتعامد IQ مما قد يؤدى إلى أن يصبحوا معدومى النفع. اختلافات الـ IQ تزداد بزيادة تغيرات التصنيع و بالتالى فإنه لابد من تخفيض حساسية مستقبلات الراديو المتكاملة بتكنولوجيا الـ CMOS  لتغيرات التصنيع. أما الطاقة فهى عنصر أساسى آخر فى الأجهزة المحمولة و ذلك لكونها تعمل بواسطة بطارية. و لهذا السبب يجب الاهتمام بشدة باستهلاك الطاقة أثناء تصميم المستقبلات المتكاملة.

تعرض هذة الرسالة تسلسلا عن كيفية الوصول من المواصفات المعطاه فى الأنظمة القياسية الحالية إلى المستقبل المتكامل بتكنولوجيا الـ CMOS بأقل حساسية لتغيرات التصنيع و أقل استهلاك للطاقة ممكن. و لقد تم اتخاذ نظام البلوتوث القياسى كمثال و ذلك لأنه يعمل فى المدى الصناعى العلمى الطبى ISM الحرعند تردد 2.4 جيجاهرتز مثله مثل نظام الشبكات المحلية اللاسلكية IEEE 802.11b على أمل أن يكون هناك عمل مستقبلى لإضافة مستقبل و مرسل خاص بهذا النظام على نفس الشريحة مما يؤدى إلى الحصول على مرسل و مستقبل متكامل متعدد الأنظمة.

ولقد تم تقسيم الرسالة كما يلى :

الفصل الاول: فى هذا الفصل يتم شرح أساسيات التصميم فى ترددات الراديو. يتعرض الفصل كذلك للأنظمة البنائية المختلفة لمستقبلات الراديو مع التركيز على إمكانية تكاملهم و على مزاياهم و عيوبهم. يحتوى الفصل كذلك على نقاط متعلقة بالحساسية لتغيرات التصنيع و استهلاك الطاقة.

الفصل الثانى: و به يتم أولا عرض الجزء الخاص بترددات الراديو فى نظام البلوتوث القياسى. ثم يتبع ذلك وصف تفصيلى لكيفية الوصول من مواصفات النظام إلى متطلبات المستقبل. يلى ذلك عرض النظام البنائى المقترح للمستقبل و كيفية استخدام الجداول البيانية للوصول لمواصفات أجزاء المستقبل المختلفة. النظام البنائى المقترح هو مستقبل منخفض التردد المتوسط ذو نقل ترددات إلى الترددات المنخفضة مزدوج التعامد و مركب الترشيح. تم اختيار التردد المتوسط ليكون 2 ميجاهرتز. و بهذا الفصل شرح لمزايا هذا النظام البنائى المختار.

و يوجد فى هذا الفصل كذلك الاحتياطات المتخذة من ناحية النظام البنائى للحصول على حساسية منخفضة لتغيرات التصنيع ولخفض استهلاك الطاقة؛ ومنها استخدام نقل الترددات المزدوج التعامد و استخدام محدد و مزيل للتعديل عن طريق اكتشاف عبور الصفر بدلا من استخدام محول من نظرى إلى رقمى.  

الفصل الثالث: و به يتم عرض تصميم الدوائر المختلفة للمستقبل مصحوب بنتائج المحاكاة والاحتياطات المتخذة فى المخطط الفيزيائى. و يحتوى هذا العمل على مكبرتام المفارقة منخفض الشوشرة ذى محث عند مصدر الترانزستور و ذى توفيق بين المرحلتين، وعلى مولد للتعامد مكون من مرحلتين من دوائر المقاومات و المكثفات السلبية متعددة الأطوار، و على أربعة خلاطات من النوع جلبرت مع استخدام المحث عند مصدر الترانزستور، مرشح الترددات المتوسطة مكون من خمس مراحل من الدوائر متعددة الأطوار الايجابية، و مزيل للتعديل عن طريق اكتشاف عبور الصفر.

ويعرض الفصل كذلك للاحتياطات المتخذة من ناحية الدوائر للحصول على حساسية منخفضة لتغيرات التصنيع و على استهلاك منخفض للطاقة؛ و منها استخدام الدوائر المتعددة الأطوار، استخدام التوفيق بين المرحلتين فى دائرة المكبر منخفض الشوشرة، استخدام دوائر تحيز الجهد ذات الـ gm الثابتة و استخدام دائرة حفظ الشكل ذات الحالة الثابتة الواحدة بداخل مزيل التعديل.

أظهرت نتائج المحاكاة أن الطرف الأمامى يستهلك تيار قيمته 6.79 ميللى أمبير من مصدر جهد قيمته 3.3 فولت. كما أظهرت أن له معامل تكبير الجهد قيمته 23 dB ، و له معامل شوشرة قيمته 11 dB و كذلك له نقطة التقاطع الثالث المنسوبة للدخل قيمتها -9 dBm. أقل نسبة رفض الإشارة المنعكسة هى 37 dB.

و تحتوى الرسالة كذلك على ملحقين. الأول به إثبات نسبة رفض الإشارة المنعكسة فى المستقبل المقترح. و الآخر به نتائج استخدام الجداول البيانية فى الحصول على مواصفات الأجزاء المختلفة للمستقبل.

و تختتم الرسالة باستخلاص النتائج و بيان العمل المستقبلى الذى قد يتم بناء على هذه الرسالة."