استفاده از مدل کراس کوپل شده به‌منظور طراحی خازن منفی در فناوری CMOS
محورهای موضوعی : مهندسی الکترونیکمحسن کاتبي جهرمي 1 , محسن صفوی 2
1 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد صفاشهر
2 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد صفاشهر
کلید واژه: خازن منفی, Cross-Coupled, تکنولوژی CMOS, توان مصرفی,
چکیده مقاله :
در این مقاله از مدل کراس کوپل شده به‌منظور طراحی خازن منفی در فناوری CMOS استفاده شده و در ادامه به بررسی و مطالعه خازن منفی و کاربرد آن در مدارات گوناگون پرداخته شده است. مدار پیشنهادی در نرم‌افزار کیدنس با استفاده از فناوری 180 نانومتری به‌وسیله یک خازن 5 پیکو فاراد ترسیم گردیده است که اندازه تراشه با در نظر گرفتن خازن 5 پیکو فاراد برابر 80/152 میکرومتر در 40/61 میکرومتر می‌باشد. اندازه تراشه بدون خازن 32 میکرومتر در 40/61 میکرومتر است. در مرحله دوم، مدار پیشنهادی در نرم‌افزار ADS شبیه‌سازی شده و پاسخ فرکانسی و توان مصرفی آن بررسی شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که با خازن بار 5 پیکوفاراد تا فرکانس 500 مگاهرتز، خازن منفی در بازه 5/1- تا 20- پیکوفاراد ایجاد شده که توان مصرفی آن با منبع تغذیه 8/1 ولت در حدودmW 5/3 است. محدوده فرکانسی خازن منفی وسیع و مصرف توان نسبتاً پایین و ضریب کیفیت مناسب از مزیت‌های مدل پیشنهادی است.
In this paper, the Cross-Coupled model is used to design the negative capacitor in CMOS technology, and then the negative capacitor and its application in various circuits are investigated and studied. The investigation and study of the negative capacitor and its application in various circuits have been discussed In the following article, the proposed circuit was drawn in the Cadence software using 180 nm technology with a capacitor of 5pF, the dimension of the chip, considering the capacitor of 5 pF, is equal to 152/80 ×40/61 µm. The dimension of the non-capacitor chip is 32 ×61.40 µm. In the second step, the proposed circuit was simulated in ADS software and its frequency response and power consumption were checked. The simulation results show that with a load capacitor of 5 pF in the range frequency of 500 MHz, the negative capacitor is produced in the range of -1.5 to -20 pF, that is the power consumption is about 3.5 mW with a 1.8 V power supply. The wide frequency range of the negative capacitor, relatively low power consumption and good quality factor are the advantages of this design.
1[ شهابی سیرمندي، بهزاد. (1392). افزایش بهره‌ی تقویت‌کننده‌هاي گسترده با استفاده از سلول خازن منفی(پایان‌نامه کارشناسی ارشد). دانشگاه تحصیلات تکمیلی، کرمان.
]2[علوی، سید امین. علوی سید احسان. حکیمی، احمد. (1393)، افزایش بهره و پهنای باند تقویت‌کننده توزیع‌شده با کاهش تلفات و اثرات خازن‌های پارازیتی خط انتقال گیت. نشریه مهندسی برق و کامپیوتر ایران، الف-مهندسی برق، سال 12، شماره 2، پاییز 1393، صفحه 140-135.
]3[ فلاح، محمد. غلامی، محمد. اردشیر، غلامرضا. استفاده از خازن منفی براي افزایش فرکانس در اسیلاتورهاي حلقوي با بار مقاومتی. دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل.دسترسی در 03/04/1400 از سایت
https://civilica.com/doc/154411/
[4] Kshatri, Varun S and Partners. Measurement and Simulation of a CMOS Current Conveyor Negative Capacitor for Metamaterials. Department of Electrical and Computer Engineering. University of North Carolina at Charlotte. From https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/ 6950689,2014
[5] Ghadiri, Aliakbar. Moez, Kambiz. Gain-Enhanced Distributed Amplifier UsingNegative Capacitance. IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I: REGULAR PAPERS, VOL. 57, NO. 11, NOVEMBER 2010.
[6] Covington III, John M. C and Partners. A Cross-Coupled CMOS Negative Capacitor forWideband Metamaterial Applications. Department of Electrical and Computer Engineering, The University of North Carolina at Charlotte. From https://ieeexplore.ieee.org/document/6950696,2014
[7] Mrković, Boško. Ašenbrener, Martina. The simple CMOS negative capacitance with improved frequency response. Tehnoalarm d.o.o. Zagreb, Croatia, University of Rijeka/Department of Informatics, Rijeka, Croatia. From https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6240619,2012
[8] Pushkar, Deika. Modeling and Simulation of Negative Capacitance MOSFETs(dissertation). Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology, Hyderabad, 2018.
[9] Kshatri, Varun S and Partners. Capacitance and Bandwidth Tradeoffs in a Cross-Coupled CMOS Negative Capacitor. Department of Electrical and Computer Engineering. Charlotte, NC, USA,2013.
[10] J. K. Kwon, K. D. Kim, W. C. Song and G. H. Cho, "Wideband high dynamic range CMOS variablegain amplifier for low voltage and low power wireless applications," in Electronics Letters, vol. 39,no. 10, pp. 759-760, 15 May 2003.
[11] H. D. Lee, K. A. Lee and S. Hong, "A Wideband CMOS Variable Gain Amplifier With anExponential Gain Control," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 55, no.6, pp. 1363-1373, June 2007.
[12] B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1997.
[13] B. Razavi, design of analog cmos integrated circuits, McGraw-Hill US, 2000.
[14] C. Zelley, "A spherical representation of the Smith chart," in IEEE Microwave Magazine, vol. 8, no. 3,pp. 60-66, June 2007.
[15] S. Kolev, B. Delacressonniere and J. -. Gautier, "Using a negative capacitance to increase the tuning range of a varactor diode in MMIC technology," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, no. 12, pp. 2425-2430, Dec. 2001.
[16] Carpentier, J.F. & Tilhac, C. & Caruyer, Greg & Dumont, F. & Parat, G. & Ancey, P.. (2005). A tunable bandpass BAW-filter architecture and its application to WCDMA filter. 4 pp..10.1109/MWSYM.2005.1516564.
[17] Yue Wu, Xiaohui Ding, M. Ismail and H. Olsson, "RF bandpass filter design based on CMOS active inductors," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing,vol. 50, no. 12, pp. 942-949, Dec. 2003.
[18] P. Vincent et al., "A 1V 220MHz-Tuning-Range 2.2GHz VCO Using a BAW Resonator," 2008 IEEE International Solid-State Circuits Conference - Digest of Technical Papers, San Francisco, CA, 2008,pp. 478-629.
[19] A. Ghadiri and K. Moez, "Wideband Active Inductor and Negative Capacitance for Broadband RF and Microwave Applications," in IEEE Transactions on Components, Packaging and ManufacturingTechnology, vol. 4, no. 11, pp. 1808-1814, Nov. 2014.
[20] A. Ghadiri and K. Moez, "Gain-Enhanced Distributed Amplifier Using Negative Capacitance,"in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 57, no. 11, pp. 2834-2843, Nov.2010.
[21] S. A. Alavi, S. Ghadirian, and S. J. S. M. Chabok, "Bandwidth and gain extension technique for CMOSdistributed amplifiers using negative capacitance and resistance cell," MicroelectronicsJournal, vol. 60, no. Supplement C, pp. 60-64, 2 Jan. 2017.
[22] M. Dongi and M. Jalali, "A wideband CMOS VGA with dB-linear gain based on active feedback and
negative capacitance," 2017 Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), Tehran, 2017, pp.506-510.
[23] A. Hajimiri, “Distributed integrated circuits: An alternative approach to high-frequency design,” IEEECommun. Mag., vol. 40, no. 2, pp. 168–173, Feb. 2002.
[24] E. J. Bond, X. Li, S. C. Hagness, and B. D. Van Veen, “Microwave imaging via space-timebeamforming for early detection of breastcancer,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 51, no. 8, pp.1690–1705, Aug. 2003.
[25] S. Mohammadi, J. W. Park, D. Pavlidis, J. L. Guyaux, and J. C. Garcia, “Design optimization and characterization of high-gain GaInP/GaAsHBT distributed amplifiers for high-bit-rate telecommunication,,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 48, pp. 1038–1044, Jun. 2000.