پاورپوینت افزاره های غیر فعال


فصل 7 کتاب RF دکتر رضوی:

افزاره های غیر فعال

نمای کلی فصل 7:
فصل 7: افزاره های غیر فعال
ساختار های سلف
سلف های متقارن
اثر لایه محافظ زمین شده
سلف های حلقوی پشته ای
سلف ها
ساختار پایه
معادلات اندوکتانسی
خازن های پارازیتی
مکانیسم تلفات
مدل سازی سلف
خازن های متغیر
پیوند های PN
خازن های متغیر MOS
مدل سازی خازن متغیر
ترانسفورماتور ها
ساختار ها
اثر خازن تزویج
مدل سازی ترانسفورماتورها

دلیل ساخت سلف به صورت مجتمع :
فصل 7:افزاره های غیرفعال
در صورت استفاده از سلف خارج از تراشه :
تزویج بین سیمک های اتصال با دنیای بیرون از تراشه

ایجاد المان های پارازیتی که در فرکانس های بالا مهم خواهند شد
نیاز به تعداد زیادی سلف در مدارات RF

ساختار پایه
CH 7 Passive Devices

4

وجود تزویج متقابل بین هر دو دور باعث میشود که سلف های حلقوی اندوکتانس بیشتری نسبت به خطوط مستقین با همان طول داشته باشند.

برای حداقل کردن مقاومت های سری و خازن های پارازیتی سلف های حلقوی در بالا ترین لایه فلزی ساخته میشوند ( که ضخیم ترین لایه ها هستند ).

اندوکتانس سلف حلقوی با N دور :
CH 7 Passive Devices

5
اندوکتانس یک سلف حلقوی با N دور دارای جمله خواهد بود .

دو عامل نرخ رشد بر حسب تابعی از N را محدود میکند :

حلقه های درونی کوچکترند و در نتیجه دارای اندوکتانس کمتری هستند .

ضریب تزویج متقابل برای دورهای مجاور تنها حدود 7. است و برای دور های غیر مجاور کاهش می یابد .

تاثیر هندسه سلف بر اندوکتانس
CH 7 Passive Devices

6
یک سلف حلقوی مربعی دو بعدی توسط 4 کمیت مشخص می گردد:

ابعاد بیرونی ِDout
تعداد دور ها N
پهنای خط W
فاصله خطوط S

CH 7 Passive Devices

7
این کار باعث کاهش قطر دور های داخلی میشود که موجب کاهش اندوکتانس خواهد شد .
افزایش بیشتر W ممکن است که باعث کاهش دورها شود و اندوکتانس را کم کند .

تاثیر دو برابر کردن پهنای خط بر اندوکتانس

CH 7 Passive Devices

8
بهتر است قطری 5تا 6 برابر W برای حفره داخلی انتخاب شود .

هدف: کمینه کردن ضریب تزویج مغناطیسی بین اضلاع روبروی داخلی ترین دور.
نمودار ضریب تزویج مغناطیسی بین دو خط مستقیم

ساختار های مختلف سلف
CH 7 Passive Devices

9

8 ضلعی
متقارن
پشته ای
با لایه محافظ زمین شده
حلقه های موازی
دایره ای
تنوع این ساختار ها نشان دهنده تلاش های بسیار زیاد طراحان برای بهبود تقابل های موجود در طراحی سلف هاست (برای مثال تقابل بین ضریب کیفیت و مقدار خازن یا بین اندوکتانس و ابعاد )

CH 7 Passive Devices

10

معدلات اندوکتانس
معادلاتی که با اساس برازش منحنی یا بر اساس ویژگی فیزیکی سلف ها هشتند

این فرمول برای سلف های 5nH تا 50nH کمتر از 10% خطا دارد .

:Am مساحت فلز,
:Atot مساحت کل سلف

CH 7 Passive Devices

11

خازن های پارازیتی سلف های مجتمع
سلف های حلقوی دارای مشکل خازن های پارازیتی هستند :
خازن های صفحه موازی و خازن های لبه به بستر
خازن های لبه های مجاور

خازن های صفحه پاینی
خازن های میان دوری

CH 7 Passive Devices

12

تقریب خازن های پارازیتی

مدل خازن توزیع شده به زمین
برای سادگی محاسبات دو فرض داریم:
هر دو بخش سلف دارای تزویج متقابل M هستند
تزویج به اندازه کافی قوی است که M را تقریبا با Lu uبرابر فرض کرد .
ولتاژ بر روی هر بخش از سلف

CH 7 Passive Devices

13

تقریب خازن های پارازیتی

خازن معادل فشرده سلف= Ctot /3

اگر M = Lu
انرژی الکتریکی ذخیره شده در خازن گره مورد نظر:
مجموع انرژی های ذخیره شده همه واحد های خازنی:
اگر K∞ , و Cu0 به طوری که Kcu برابر با کل خازن سیم باشد آنگاه خواهیم داشت :

CH 7 Passive Devices

14

مکانیزم تلفات :مقاومت فلزی

مقاومت فلزی Rs حلقوی با اندوکتانس »
Q ضریب کیفیت :
(اندازه گیری تلفات در سلف )

CH 7 Passive Devices

15

مکانیزم تلفات: اثر پوستی

توزیع جریان در سلف در
(a) فرکانس پایین (b) فرکانس بالا

عمق پوستی =
مقاومت اضافی=

CH 7 Passive Devices

16

اثر پوستی:اثر جریان گردابی

(a) توزیع جریان در دورهای مجاور(b) دید جزئی تر بخش a

در فرکانس fcrit . میدان مغناطیسی توسط جریان لبه در دور های مجاور تولید می شود که باعث توزیع غیر یکنواخت جریان درطول هادی میشود که باعث عوض شدن مقاومت دور ها میشود.

بر اساس ملاحظات در[7,8] روابط زیر حاصل میشود :
At fcrit , the magnetic field produced by adjacent turn induces
eddy current, causing unequal distribution of current across the
conductor width, hence altering the effective resistance of the turn.

CH 7 Passive Devices

17
اثر جریان گردابی بر خازن های پارازیتی

عبور جریان از عرض کم هادی باعث کاهش سطح موثر بیم فلز و بدنه میشود که کاهش خازن کل را در پی دارد :

CH 7 Passive Devices

18

تزویج خازنی به بدنه

تلفات بستر به دلیل تزویج خازنی
ولتاژ در هر نقطه روی سلف حلقوی با زمان کم و زیاد میشود و منجر به جابجایی می گردد.
این جریان باعث تلفات و کاهش Q سلف می شود.

CH 7 Passive Devices

19

یادآوری قوانین مغناطیس:

قانون لنز: بیان می کند که جریان القا شده توسط میدان مغناطیسی باعث ایجاد میدان مغناطیسی دیگری مخالف میدان اولی می گردد.
قانون فارادی:بیان میکند میدان مغناطیسی متغیر با زمان یک ولتاز و در نتیجه یک جریان در دو سر رسانا القا میکند.

قانون آمپر: بیان می کندعبور جریان در یک رسانا میدان مغناطیسی را در اطراف آن القا میکند.

CH 7 Passive Devices

20

تزویج مغناطیسی به بستر :
d

.جریان متغیر با زمان یک سلف جریان گردابی در بستر ایجاد می کند .
. قانون لنز بیان می کند جریان در جهت مخالف عبور می کند .
. القای جریان گردابی در بستر را می توان به عنوان تزویج ترانسفورماتوری مجسم نمود.

CH 7 Passive Devices

21

مدلسازی تزویج مغناطیسی با ترانسفورماتور:

Vin = L1sIin + MsI2

-Rsub I2 = L2I2s + MsIin

CH 7 Passive Devices

22

مدل سازی تلفات با مقاومت های سری و موازی

مقاومت ثابت سری Rs تلفات سلف را برای بازه فرکانسی محدود مدل می کند .
.
مقاومت ثابت موازی Rp تلفات سلف را برای بازه فرکانسی باریک مدل می کند

مشاهده فوق نشان می دهد که می توان وابستگی Q به فرکانس را با ترکیب این دو مدل کنیم .

Q = L1 ω/Rs
Q = Rp /L1 ω

CH 7 Passive Devices

23

Modeling Loss by Both Series and Parallel Resistors

رفتار Q
مدلسازی تلفات با مقاومت های سری و موازی
Q سلف :

CH 7 Passive Devices

24

مدل پهن باند سلف

مدل اثر پوستی پهن باند
مدل پهن باند
در فرکانس های پایین جریان به صورت یکنواخت در سراسر رسانا تولید می شود و مدل به to R1||R2||…..||Rn ساده می شود .

با افزایش فرکانس جریاناز استوانه های درونی دور می شود که به صورت افزایشی امپدانس سلف ها در هر شاخه مدل می شود .

CH 7 Passive Devices

25

تعریف Q

ساده سازی هر شبکه تشدید به تانک RLC
فشرده کردن همه تلفات به Rp
تعریف:

CH 7 Passive Devices

26

سلف های متقارن

مدارهای تفاضلی می توانن از یک سلف متقارن تنها به جای دو سلف حلقوی استفده کنند.
. مزایا:
صرفه جویی در مساحت
Q بالاتر

CH 7 Passive Devices

27

خازن معادل فشرده میان دوری

(aسلف متقارن با 3 دور b) مشخصه ولتاژ(c مدار معادل

ساختار را باز کرده و به عنوانیک تقریب فرض می کنیم که تمامی سلف هاو واحد با یکدیگر برابر بوده و هم چنین تمام خازن های واحد با یکدیگر یکسان می باشند..

CH 7 Passive Devices

28

خازن معادل فشرده میان دوری

این معادله در مقایسه با همتای مربوط به ساف تک سر خود حدود 18 برابر بزرگتر است .در حقیقت خازن معادل میان دوری سلف تفاضلی به طور معمول بسیار بزرگتر از خازن به بستر است که منجر به غالب شدن فرکانس خود تشدیدی می شود .
انرژی الکتریکی ذخیره شده در چهار خازن =

C1= C2 = C3 = C4 & C1+ C2 + C3 + C4 = Ctot ,

خازن معادل :

CH 7 Passive Devices

29

تقارن آینه ای و تقارن پله ای:

Leq = L1 + L2 – 2M
Lower Q

سلف های بار در یک زوج تفاضلی با
(a) تقارن آینه ای (b) تقارن پله ای

Leq= L1 + L2 + 2M
Higher Q

CH 7 Passive Devices

30

تزویج مغناطیسی در طول محور تقارن

سلف های حلقوی دیفرانسیلی یک میدان مغناطیسی بر روی محور تقارن ایجاد می کند

(a) سلف تک سر (b) سلف متقارن

CH 7 Passive Devices

31

مثال : سلف برای تزویج کوچک

می باشد.این ساختار دارای تقارن بیشتری از سلف های حلقوی تک سر با تقارن پله است.
میدان مغناطیسی دو قسمت بر روی محور تقارن همدیگر را خنثی می کننند.
این ساختار دارای Q کمتری از سلف های دیفرانسیلی است زیرا هر قسمت تلفات بستر مخصوص به خود را دارد.

CH 7 Passive Devices

32

سلف یا لایه محافظ زمین

این ساختار اجازه می دهد تا جریان جابجایی از طریق مقاومت کوچک به سمت زمین جریان یابد و جلوی تلفات ناشی ازتزویج الکتریکی به بستر گرفته شود.

جریان های گردابی در یک لایه محافظ پیوسته به شدت میزان اندوکتانس و Q را کاهش می دهند.
لایه محافظ زمین الگو یافته تنها اثر تزویج خازنی به بستر را کاهش می دهد.
جریان های گردابی ناشی از تزویج مغناطیسی هم چنان از طریق بستر عبور می کند.

CH 7 Passive Devices

33

سلف های پشته ای

Ltot = L1 + L2 + 2M M = L1 = L2
Ltot = 4L

به طور مشابه N سلف حلقوی پشته شده که به صورت سری با یکدیگر کار میکنند اندوکتانس را تقریبا N2 زیاد می کنند.

CH 7 Passive Devices

34

خازن معادل برای سلف های حلقوی پشته ای

علاوه بر خازن به بستر و خازن میان دوری سلف های پشته ای شامل خازن بین حلقه ها نیز می باشند.
Cm = خازن بین حلقه ای

CH 7 Passive Devices

35

ترانسفورماتورها

کاربردهای مفید ترانسفورماتورها در طراحی RF

تطبیق امپداننس
پسخور یا پیشخور با قطبیت مثبت یا منفی
تبدیا تک سر به تفاضلی یا بالعکس
تزویج ac بین طبقات

CH 7 Passive Devices

36

ویژگی های ترانسفورماتور با طراحی خوب

مقاومت سری پایین در شاخه های اولیه و ثانویه

تزویج مغناطیسی بالا بین اولیه و ثانویه

تزویج خازنی کم بین اولیه و ثانویه

خازن پارازیتی کم به بستر

CH 7 Passive Devices

37

ساختار ترانسفورماتورها

بخش های AB و CD به عنوان سلف های تزویج شده متقابل عمل می کنند.

این ساختار را به عنوان یک ترانسفورماتور یک به یک در نظر میگیریم چرا که اولیه و ثانویه آن با یکدیگر یکسان هستند.

یک ترانسفورماتور مجتمع عموما شامل دو سلف حلقوی با تزویج مغناطیسی قوی می باشد.

CH 7 Passive Devices

38

مدل ساده ترانسفورماتور و مشخصه انتقالی

عملکرد ترانسفورماتور منجر به معادلات زیر می شود :
حل دو معادله بالا برای I2

CH 7 Passive Devices

39

مدل ساده ترانسفورماتور و مشخصه انتقالی

KCL در گره خروجی
با جایگذاری I2 و ساده سازی خواهیم داشت :

CH 7 Passive Devices

40

امپدانس ورودی ترانسفورماتور با CF = 0

با قرار دادن CF = 0
امپدانس ورودی
تابع انتقال ورودی/خروجی:

CH 7 Passive Devices

41

ترانسفورماتور با نسبت دورهای بالاتر از یک

ضریب تزویج ضعیف تر
ضریب تزویج قویتر

CH 7 Passive Devices

42

ترانسفورماتور های پشته ای

یک به یک
یک به دو
جابجایی دورها برای کاهش خازن تزویج

تزویج مغناطیسی بالاتر
برخلاف ساختارهای صفحه ای اولیه و ثانویه می توانند متقارن و یکسان باشند
مساحت کلی اشغال شده توسط ترانسفورماتورهای سه بعدی کمتر از همتایان دو بعدیشان است.

CH 7 Passive Devices

43

اثر خازن تزویج

برای M>0 پاسخ فرکانسی دارای یک شکاف در ω Hz خواهد بود.

برای M<0 هیچ گونه شکافی وجود نخواهد داشت و ترانسفورماتور می تواند در فرکانس های بالاتر عمل کند.
بنابراین می گوییم ترانسفورماتورهای غیر وارونساز نسبت به ترانسفورماتورهای وارون ساز سرعت کمتری دارند.

تابع انتقال ترانسفورماتور در s = jω

CH 7 Passive Devices

44

مدلسازی ترانسفورماتور

به دلیل پیچیدگی این مدل یافتن مقدار هر المان از اندازه گیری یا شبیه سازی میدانی که تنها دارای پارامترهای S یا Y را برای کل ساختار تامین می کند بسیار مشکل است .

CH 7 Passive Devices

45

خطوط T به عنوان انتقال امپدانس

یک خط با طول d که انتهای آن امپدانس بار ZL دارد دارای امپدانس ورودی زیر است :

, Z0 = امپدانس مشخصه

برای مثال در d= λ/4 then
یک بار خازنی می تواند به یک مولفه سلفی تبدیل شود.
β=2π/λ

CH 7 Passive Devices

46

خطوط انتقال ریزنوار:

ریزنوار شامل یک خط سیگنال پیاده سازی شده در بالاترین لایه فلزی و یک صفحه زمین در یک لایه فلزی پایین تر می باشد .
یک ویژگی مهم این ساختار این است که می تواند حداقل اندرکنش را بین خط سیگنال و بستر داشته باشد.

CH 7 Passive Devices

47

مشخصه امپدانسی ریزنوار

این معادلات دارای خطاهایی به بزرگی 10% هستند.

اگر خط سیگنال دارای ضخامت t و ارتفاع h نسبت یه صفحه زمین باشد :

CH 7 Passive Devices

48

Q برای خطوط انتقال

CH 7 Passive Devices

49

ساختار خطوط انتقال : خطوط هم صفحه

امپدانس مشخصه خطوط هم صفحه می تواند نسبت به ریزنوار بزرگتر باشد زیرا:
1-ضخامت خطوط زمین و سیگنال بسیار کوچک است که منجر به کاهش بیشتر خازن می شود.
2-فاصله بین دو خط می تواند بزرگ باشد که منجر به کاهش بیشتر خازن می شود.

CH 7 Passive Devices

50

ساختار خطوط انتال : خط نواری

خط نواری از یک خط سیگنال که توسط صفحات زمین احاطه شده است تشکیل می شود .
نشت میدانی کوچکی به محیط اطراف دارد.
خط نواری امپدانس مشخصه کوچکتری نسبت به ریزنوار و ساختارهای هم صفحه دارد.

CH 7 Passive Devices

51

خازن های متغیر

خازن متغیر در حقیقت یک خازن وابسته به ولتاژ است .

دو مشخصه خازن های متغیر در طراحی نوسان گر بسیار مهم خواهند بود:

1-محدوده ظرفیت خازنی به عبارت دیگر نسبت حداکثر و حداقل ظرفیت خازنی که یک خازن متغیر می تواند فراهم کند.

2-ضریب کیفیت خازن متغیر که توسط مقاومت های سری پارازیتی داخل ساختار محدود
می شود.

CH 7 Passive Devices

52

پیوند PN خازن متغیر

Cjo = خازن در بایاس صفر
Vo = پتانسیل درون ساخته.
m = توانی در حدود3.
Cj وابستگی ضعیفی به Vd دارد زیرا :
(Vd,max = 1V ) Cj,max/Cj,min ~ 1.23 (Low range) .

CH 7 Passive Devices

53

محاسبه Q خازن متغیر

به دلیل طبیعت دو بعدی مسیر جریان تشخیص یا محاسبه مقاومت سری معادل ساختار بسیار مشکل است.
مقاومت صفحه ای چاه n را نمی توان مستقیما برای محاسبه مقاومت سری خازن متغیر استفاده کرد .
Q خازن متغیر با اندازی گیری روی نمونه ساخته شده به دست می آید
توزیع جریان در خازن متغیر

CH 7 Passive Devices

54

خازن های MOS

یک ماسفت معمولی دارای خازن وابسته به ولتاژ گیت است .

رفتار غیر یکنوای آن انعطاف پذیری طراحی را محدود می کند.
تغییرات خازن گیت با Vgs
افزاره های MOS معمولی :

CH 7 Passive Devices

55

حالت انباشتگی

حالت انباشتگی خازن متغیر MOS با جایگیری NMOS داخل nwell به دست می آید

تغییرات خازن با Vgs یکنواست.

مشخصه C/V خازن های متغیر با نسل های مختلف تکنولوژی CMOS تطبیق یافته است.
برخلاف پیوند های PN خازن های MOSمی توانند هم واتاژهای مثبت و هم ولتاژهای منفی را تحمل کنند.
مشخصه C/V خازن متغیر

CH 7 Passive Devices

56

عملکرد خازن متغیر

Vg < Vs

ایجاد ناحیه تخلیه زیراکسید گیت .

خازن معادل توسط ترکیب سری خازن اکسید و خازن تخلیه به دست می آید

Vg > Vs

ایجاد کانال زیر گیت

CH 7 Passive Devices

57

حالت انباشتگی خازن MOS : مدل برازش منحنی

در این جا a و Vo امکان برازش را به ترتیب برای عرض از مبدا و همچنین شیب فراهم می کنند.
مدل برازش منحنی:

مدل خازن متغیر فوق به مشخصه های مختلفی در شبیه سازی های مداری مختلف ترجمه می شود.
HSPICE محدوده تنظیم باریک تری را برای نوسانگر نسبت به CADENCE پیش بینی میکند.

CH 7 Passive Devices

58

حالت انباشتگی MOS : معادلات بار

:مدل معادله بار

برنامه هایی که رفتار خازن را با معادلات بار نشان می دهند (برای مثال Spectre محصول Cadence ) نشان می دهند نیازمند آن هسند که این معادله به رابطه Q/V تبدیل شود.

CH 7 Passive Devices

59

Q خازن MOS در حالت انباشتگی

Q خازن متغیر
توسط مقاومت بین درگاه های سورس و درین تعیین می شود.

می تواند با مدل فشرده نشان داده شده در شکل فوق تخمین زده شوند.

CH 7 Passive Devices

60

محاسبه مقاومت و خازن در مدل فشرده:

`
مدل توزیع شده
مدار معادل برای نصف ساختار
ساختار استاندارد خط T

CH 7 Passive Devices

61

محاسبه مقاومت و خازن در مدل فشرده

Z1d=Rtot and Y1d=sCtot
. در فرکانس های کمتر از 1/(RtotCtot /4), :
در نتیجه
در نتیجه مدل فشرده نصف ساختار از خازن های توزیع شده سری با یک سوم مقاومت توزیع شده آن تشکیل یافته است. با در نظر گرفتن بخش خاکستری شکل قبلی: :

tanh e = e – e3/3
= e /(1+ e 2/3)

CH 7 Passive Devices

62

تغییرات Q خازن متغیر با ظرفیت خازنی

تغییرات Q خازن متغیر با ظرفیت خازنی

برای Cmin خازن کوچک و مقاومت بزرگ است .
برای Cmax خازن بزرگ و مقومت کوچک است.
در نتیجه معادله Q=1/(RCW) نشان می دهد که Q ممکن است نسبتا ثابت باقی بماند .
در عمل هنگامی که Cgs از Cmin تا Cmax افزایش می یابد شکل فوق نشان می دهد افزایش نسبی در مقدار خازن بزرگتر از کاهش نسبی در مقدار مقاومت است.

CH 7 Passive Devices

63

Effect of Overlap Capacitance on Capacitance Range

خازن همپوشانی نسبتا مستقل از ولتاژ است..
خازن همپوشانی مشخصه C/V را به طرف بالا شیفت می دهد.
(Cmax + 2WCov)/(Cmin + 2WCov)

CH 7 Passive Devices

64

خازن ثابت:

مدارهای RF به دلایل متعددی از خازن های ثابت استفاده می کنند :
1-تنظیم فرکانس تشدید تانک های LC .
2-فراهم کردن تزویج ac بین طبقات .
3-مسیر کنارگذر ریل تغذیه به زمین .

پارامترهای مهم خازن ها که در IC های RF استفاده می شوند شامل چگالی خازن (مقدار خازن در واحد سطح بر روی تراشه ) خازن های پارازیتی و Q می باشند.

CH 7 Passive Devices

65

خازن های MOS

خازن MOS به عنوان افزاره تزویج

خازن MOS به عنوان عنصر کنارگذر

CH 7 Passive Devices

66

خازن متغیر :Layout

خازن MOS با چندین انگشت(finger) موازی با مقاومت
خازن MOS با یک انگشت (finger ) دارای مقاومت

CH 7 Passive Devices

67

خازن های با صفحه فلزی

خازن های با صفحه موازی
ساختار صفحه موازی از صفحاتی در لایه های فلزی متفاوت به صورت شکل فوق استفاده می نماید.

CH 7 Passive Devices

68

خازن های پارازیتی صفحه پایین

خازن های صفحه موازی دارای مشکل خازن های پارازیتی صفحه پایین هستند
مقدار این خازن ها در یک فرایند معمول به حدود 10% می رسند که مشکلات جدی در طراحی مدار ایجاد می کند.

CH 7 Passive Devices

69

Fringe Capacitor

ساختار خازن لبه از خطوط باریک فلزی با حداقل فاصله تشکیل شده است
میدان الکتریکی افقی بین خطوط فلزی مجاور برای رسیدن به چگالی خازنی بالا استفاده می شود.

CH 7 Passive Devices

70

References

CH 7 Passive Devices

71

References

CH 7 Passive Devices

72

References