方波 DATA
4.2.6 NMOS 共源極放大器
如下圖，當電壓訊號經過M2 時，低於 NMOS 的臨界電壓，都將被 M2 給濾掉，而 在M2 的汲極產生一類似負的高斯脈波的脈衝(因為共源極是反向輸出)。並且 M2 的結 構是為放大器組態，所以也放大了此高斯脈波。
4.2.7 二次微分器
L2對汲極所輸出的電流微分而產生反相電壓，之後C3、RL又對L2的電壓微分第二 次，所以總共是二次微分。當對脈衝波形微分時，每微分一次，中心頻譜就會越往高頻 移動。
4.2.8 模擬結果
圖 4.8 顯示脈波產生器之輸出波形，波形名稱為史丘茲單輪脈波，峰對峰值震幅 170mV，區間大約 100ps；其脈波之中心頻譜為於 20GHz，有著極寬頻之特性。圖 4.9 顯 示出不同之路徑造成相同脈波之差異，兩者相差約 50ps 之時間。
此次 UMC 晶片設計，雖獲得脈波位置調變之功能與超寬頻之特性，但若以美國聯邦 通訊委員會對於超寬頻技術之功率與頻段限制，此電路不符合限制標準，下一步，將此 電路做部分改良，以便符合美國聯邦通訊委員會之要求。
在微帶線電路製作中，可調整電壓大小(Vdd)使的輸出波形振福成為可調，而在晶片 製作電路中，也有此功能，但較不明顯，原因在於微帶線之二階暫態電路中的電阻只有 50 歐姆，但在晶片電路中的電阻卻為 1K 歐姆，經由分壓定理可知，晶片電路中之振幅 較不易受Vdd改變而改變。若要使電路輸出能有較明顯之可調振福的功能只需降低二階 暫態電路之電阻值，或者增加電感值，在二階暫態電路之數值變動下，還必須維持y>1
的規範(式 3.11)，但相對來說，輸出波形振幅與波形區間也會個別降低與增大。
(a)
(b)
圖 4.8 (a) 脈波產生器輸出波形 (b) 與其頻譜
圖 4.9 不同路徑造成之輸出波形 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
1.8 2.6
-50 0 50 100
-100 150
Time [nsec]
Amplitude [mV]
10 20 30
0 40
-100 -80 -60 -40
-120 -20
Time [nsec]
Magnitude [dBm]
1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
1.8 2.6
-50 0 50 100
-100 150
Time [nsec]
Amplitude [mV]
PPM
R
1 多周波(poly-cycle pulse 高斯脈波三次以上微分)圖 4.10 NMOS 脈波產生器
圖 4.11 共源級放大器之高頻效應
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
3.0 6.5
0.2 0.4 0.6 0.8
0.0 1.0
Time [ns]
Amplitude [V] V3
V4
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 20
-80 -60 -40
-100 -20
Frequency [GHz]
Magnitude [dBm] Scholtz's monocycle pulse poly-cycle pulse
在 4.2 章節電路模擬結果顯示出輸出波形中心頻率約在 20GHz 附近，而美國聯邦 通訊委員會明令超寬頻技術頻帶為3.1GHz至10.6GHz.所以改良電路的直覺想法為增加 輸出波形之區間。圖 4.11 示出改善的方法，在 M2 之基極串接電阻，使的電晶體處在高 頻時之寄生效應，成為R3Cg低通濾波器，進而加大波形區間且使脈波對稱。圖 4.12 模 擬出 V3 與 V4 之差異。
最後在輸出級增加接地電感L3，對原本是史丘茲單輪脈波(Scholtz’s monocycle pusle) 再進行一次微分，而得到多周波(poly-cycle pulse)。
圖 4.12 改良電路之後 V3 與 V4 的電壓差異
圖 4.13 史丘茲脈波與多周波之頻譜比較
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 20
-90 -80 -70 -60 -50 -40
-100 -30
Frequency [GHz]
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
3.0 6.5
-40 -20 0 20 40
-60 60
time, nsec
Amplitude [mV]
4.3.2 模擬結果
因為UWB 是新制定的無線傳輸系統，FCC 只提供 3.1-10.6GHz 給 UWB 的系統使 用，並規定一個FCC spectrum mask(如 4.14 圖)，只要符合頻譜與功率限制的規範即可，
此為電路的頻域要求。
圖 4.14 UWB PPM 脈波產生器 (上圖)輸出波形 (下圖)輸出波形轉換的頻譜
在UWB 的時域設計中，所發送的脈波分為:高斯脈波(Gaussian impulse)、單輪脈 波(monocycle pulse)和多周波(polycycle pulse)。其中多周波是高斯脈波三次以上微分。
一般而言，UWB 系統所要求的發送脈波為這幾種形式，本設計是屬於高斯脈波的三次 微分。圖 4.14，即為整個發射器的輸出波形，此種波形稱為多周波，此種波形很適合當
作UWB 發送的脈波，也適合 FCC transmit mask(圖 1.1)的規範，更擁有前面所敘述的 各項優點。輸出波形區間 350ps、振幅為 80mV(peak to peak)，並且反對稱。
當初在模擬這個波型輸出時，所到達的最窄區間為 100ps，振幅最大為 200 mV，
這些結果可以得到更寬廣的頻寬，但這卻會違反了 FCC 所定下的頻譜跟功率的限制，
所以我們嘗試著調整元件數值使的輸出的波形區間 350 ps 振幅 80 mV，進而完完全全的 符合FCC 的頻譜跟功率限制，3.1GHz~10.6GHz。
在本次設計中，調變所引起脈波位置(pulse position)的差異，是根據電路中的延遲 元件(delay element)來決定所延遲的脈波位置，以一個 finger 4 的 NMOS 電晶體而言 可 以延遲 50 ps 的時間差，在設計的電路當中，我使用 4 個 NMOS，所以造成 200ps 的延 遲，當然可以根據所需要的延遲時間而去設計 NMOS 電晶體的數目，所以脈波位置延 遲限制下限為 50 ps，上限為 10 ns (oscillator 的週期)。
下幾張圖顯示出整個發射器中各個節點的波形，其中a 和 b 分別代表 Data 輸入為 high 跟 low 的路徑，兩路徑相差約 200ps。
對於下線電路的 corner simulation 都已做過模擬，所得的結果列於表一，對於晶 圓上晶片所分布的位置有所不同，而在製程製作上電晶體速度會有所不同，因此有 SS,SF,TT,FS,FF 的分別，就像是 FF 狀態，速度快，則延遲少、振福大；SS 狀態，則輸 出波形延遲多、振幅小。
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 20
-90 -80 -70 -60 -50 -40
-100 -30
Frequency [GHz]
Magnitude (dBm/MHz)
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
3.0 6.5
-40 -20 0 20 40
-60 60
Time [nsec]
Amplitude [mV]
圖 4.19 SF 模擬圖
表一 Coner simulation 狀態比較
TT FF SS FS SF
振幅
p-p (mV) 80 120 40 90 60
區間
(ps) 350 370 350 370 330
脈波位置
延遲 (ns) 190 150 220 210 180
波形對稱性 極對稱 不對稱 些微不對稱 些微對稱 對稱
4.4 比較模擬結果與前人結果之比較
表二列出前人電路與本研究比較之結果，以功率消耗與 FCC 限制而言，本電路佔 有極大之優點，且有較大的整合性潛力。
表二 與前人電路結果之比較表
2.1 章 2.2.1 章 2.2.2 章 2.2.3 章 本電路
區間 400ps 1200ps 350ps 250ps 350ps
振幅 1.2V 0.6mV 85mV 20mV 80mV
脈波延遲 50ps 200ps
功率消耗 15.4mV 30mV 12mV
FCC 限制 是否符合
否 否 是 否 是