Sige aktif alt çeviren karıştırıcıların karşılaştırılması ve s-band uygulamaları için yüksek başarımlı bir aktif karıştırıcı tasarımı

Kablosuz haberleşme sistemlerinde alıcı ve vericiler arasındaki iletişimi sağlamak amacıyla frekans dönüştürme işlemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Frekans dönüştürme işlemleri karıştırıcı (mixer) adı verilen devrelerle gerçekleştirilmektedir. Karıştırıcılar giriş işaretini belli bir frekansa sahip yerel osilatör işaretiyle çarpar ve çıkışta bu iki işaretin frekanslarının farkı ve toplamı kadar frekansa sahip iki farklı işaret oluşturur. Alt çeviren karıştırıcılar bu iki işaretin farkını yani frekans olarak daha küçük çıkış bileşenini elde etmede kullanılmaktadır. Özellikle, frekans çevirme işlemi gerektiren alıcı katlarında alt çeviren karıştırıcılar kullanılmaktadır. SiGe bipolar transistörlerin baz bölgesinde hareket yeteneği silisyuma göre görece fazla germanyumun da kullanılması, bu transistörlerin birim kazanç frekanslarını (fT) silisyum bipolar transistörlere göre yüksek kılmaktadır. Öyle ki, aynı proses ailesinde bu fark 3-4 katına kadar çıkabilmektedir. Dolayısıyla yüksek frekans gerektiren elektronik uygulamalarında yüksek maliyetli daha ileri CMOS teknolojilerin kullanılmasındansa görece daha düşük maliyetli SiGe bipolar transistörlerin kullanılması yaygın bir çözümdür. Bipolar transistörlerin MOS transistörlere göre daha dayanıklı olmasından dolayı aynı BiCMOS proseste bulunan bir bipolar transistör, CMOS transistörlere göre daha yüksek besleme gerilimlerine dayanabilmektedir. Bu durum, güç harcanımını artırsa da SiGe transistörlerden daha yüksek performans elde edilmesine imkân sunabilmektedir. S-Bandında (2 – 4 GHz) taşınabilir olmayan baz istasyonu, radar, kablosuz modem vs. gibi uygulamaların alıcı kısımlarında yüksek performanslı alt çeviren karıştırıcılara ihtiyaç duyulabilmektedir. Buna istinaden SiGe tabanlı, 4 aktif alt çeviren karıştırıcı tasarlanmış ve performansları karşılaştırılmıştır. Karıştırıcıların bazıları doğrudan literatürde bulunduğu gibi, bazıları da farklı geçiş iletkenliği kuvvetlendiricilerinden türetilmiştir. Tezin birinci bölümünde tezin amacı ve genel çerçevesi açıklanmıştır. İkinci bölümde SiGe transistörler hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca karıştırıcılar ve RF devrelere özgü genel kavramlar açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, tezde tasarlanacak karıştırıcı devrelerinin blok şemaları ve genel yapıları tanıtılmıştır. Buna ek olarak, tasarımda kullanılan proses hakkında bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde, yerel osilatör için tasarlanmış kuvvetlendirici devresi ve ara frekans çıkış tampon kuvvetlendiricisi ve SiGe tabanlı 4 aktif alt çeviren karıştırıcı tasarlanmış; devrelerin performansları karşılaştırılmıştır. Yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi devrenin performansını iyileştirme maksadıyla tasarlanmıştır ve bu devreler tasarlanmış 4 karıştırıcı için de ortaktır. Dolayısıyla devrelerin birbirlerine göre performanslarının nasıl olduğu bu devrelerden bağımsızdır. Tasarlanan karıştırıcılar sırasıyla Gilbert Cell, Micromixer, Caprio's Quad Mixer ve Gilbert Cell Class AB (GCAB) Mixer şeklindedir. Tasarlanan karıştırıcıların tamamı bir geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi ve anahtarlama dörtlüsü şeklinde gerçeklenmiştir. Dolayısıyla devre performanslarının belirlenmesindeki en önemli etken, devrelerin giriş geçiş iletkenliği katının nasıl tasarlandığıdır. Devrelerin tamamı tek RF girişine sahiptir ve devrelerin hiçbirisinde kırmık içi endüktör kullanılmamıştır. Gilbert Cell en çok bilinen aktif karıştırıcıdır. Giriş geçiş iletkenliği katı uzun kuyruklu devre şeklinde gerçeklenmektedir. Micromixer da daha yakın zamanda önerilmiş bir karıştırıcı topolojisidir ve giriş geçiş iletkenliği katı ortak bazlı ve kaskod iki kuvvetlendiriciden oluşmaktadır. Dolayısıyla devre asimetriktir. Caprio's Quad, farksal kuvvetlendiricide emetör direncinin bozduğu doğrusallığı negatif direnç ekleyerek düzeltmeyi hedefleyen bir geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisidir. Bu kuvvetlendiricinin karıştırıcı olarak kullanılması bu çalışmaya özgü olmuştur. Bunun yanında çapraz bağlamalı devre kuvvetlendirici veya geçiş iletkenliği kuvvetlendiricisi olarak birçok yerde kullanılmaktadır. GCAB Karıştırıcı ilk olarak K Band uygulamaları için önerilmiş bir karıştırıcı topolojisidir. S bandında çok büyük endüktör değerlerinden kaçınmak adına, devre tamamen dirençlerle olacak şekilde gerçeklenmiştir. Tamamen dirençlerle gerçeklenmiş bu devre versiyonu da yine bu teze özgüdür. Devrelerin tüm uçları, giriş empedans uyumunu sağlamak adına 50 ohm'a göre düzenlenmiştir. Devrelerin dönüşüm kazancı, IIP3, 1 dB bastırma noktası ve çift yan band gürültü sayısı benztimleri, 2 – 4 GHz arası RF giriş işaretleri ve sabit 200 MHz çıkış işareti için yapılmıştır. Ardından bu sonuçlar karşılaştırılmış, bunlara sadece çekirdek karıştırıcı devrelerinin güç tüketimi de eklenerek 2 – 4 GHz frekans bandında performans parametreleri hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucunda her bir devre için devre başarımı belli bir formülizasyonu temel alınarak çizdirilmiştir. Elde edilen verilerle 2 – 3 GHz RF frekansı için GCAB karıştırıcı tasarlanmasına karar verilmiştir. Dördüncü bölümde GCAB karıştırıcı özelinde devre yeniden bir devre tasarımına gidilmiştir. Bu tasarımda devreye ölçüm sırasında gelebilecek parazitik endüktörler, pad kapasiteleri hesaba katılmıştır. Ayrıca devreden daha iyi performans elde edebilmek adına, tıpkı bu frekanslardaki ticari karıştırıcı ürünlerinde olduğu gibi kırmık dışı ayrık endüktörler kullanılarak benzetimler yapılmıştır. Devredeki her bloğun serimi farksal işaretlerin geçmesi gözetilerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, fazladan gelecek ve performansı etkileyecek parazitik direnç ve kapasitelerin etkisi mümkünce azaltılmaya çalışılmıştır. Ardından, devrede metal hatlardan kaynaklanan parazitik dirençler ve kapasiteler benzetim programı yardımıyla hesaplanmıştır. Bu işlemden sonra parazitik elemanlar devreye ilave edilerek dönüşüm kazancı, IIP3, P1dB, gürültü figürü yeniden simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlar şema düzeyinde elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bunun yanında parazitik çıkartımla benzetimi yapılmış teknik isterlerin sonuçları, ticari olarak üretilmiş SiGe aktif alt çeviren karıştırıcılarla kıyaslanmıştır. Böylece tasarlanan karıştırıcının başarımının değerlendirilmesi yapılmak istenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada SiGe tabanlı aktif alt çeviren karıştırıcı topolojilerine bağlı olarak 4 farklı tipte devre tasarlanmıştır. Ayrıca performanslarını arttırmak amacıyla bu devrelerle beraber ortak olarak yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi tasarlanmıştır. Ardından bu devrelerin performansları 2 - 4 GHz RF giriş frekansında karşılaştırılmıştır. Devamında, 2 – 3 GHz RF frekansında en iyi performansı gösteren GCAB karıştırıcı devresi için tasarım yeniden yapılmış, yerel osilatör kuvvetlendiricisi ve çıkış tampon kuvvetlendiricisi yeniden tasarlanmıştır. Tasarlanan devrenin serimi çizilmiş ardından devrenin RC parazitik çıkartımı yapılmıştır. Şema düzeyindeki benzetim sonuçlarıyla parazitik çıkartım neticesinde elde edilen benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır. Parazitik çıkartım sonucu elde edilen sonuçlar, ticari karıştırıcıların performanslarıyla kıyaslanmış ve karıştırıcının performansı değerlendirilmiştir.