Распределенный усилитель
Распределенные усилители — это схемы , которые включают линий передачи теорию в традиционную конструкцию усилителя для получения большего коэффициента усиления и полосы пропускания , чем это возможно в традиционных схемах .
История
[ редактировать ]Конструкция распределенных усилителей была впервые сформулирована Уильямом С. Персивалем в 1936 году. [1] В том же году Персиваль предложил конструкцию, с помощью которой крутизны отдельных электронных ламп можно было складывать линейно, без объединения емкостей их элементов на входе и выходе, таким образом, придя к схеме, в которой произведение усиления на полосу пропускания было больше, чем у отдельной лампы. не опубликовали публикацию на эту тему . Однако конструкция Персиваля не получила широкой известности до тех пор, пока в 1948 году Гинзтон , Хьюлетт , Ясберг и Ноэ [2] Именно в этой более поздней статье термин «распределенный усилитель» действительно можно найти . Традиционно архитектуры проектирования DA реализовывались с использованием электронных ламп технологии .
Современные технологии
[ редактировать ]Совсем недавно появились полупроводниковые технологии III-V, такие как GaAs. [3] [4] [5] и InP. [6] [7] Они имеют превосходные характеристики благодаря более высокой запрещенной зоне (более высокой подвижности электронов), более высокой скорости насыщенных электронов , более высоким напряжениям пробоя и подложкам с более высоким удельным сопротивлением . Последнее во многом способствует доступности с более высоким коэффициентом добротности ( добротностью или просто Q) интегрированных пассивных устройств в полупроводниковых технологиях III-V.
Чтобы удовлетворить рыночные требования к стоимости, размеру и энергопотреблению монолитных микроволновых интегральных схем (ММИЦ), продолжаются исследования по разработке основных цифровых процессов объемной КМОП для таких целей. Непрерывное масштабирование размеров элементов в современных технологиях интегральных схем позволило СВЧ- и миллиметровым КМОП-схемам получить непосредственную выгоду от увеличения частот единичного усиления масштабируемой технологии. Такое масштабирование устройства, наряду с усовершенствованным управлением процессом, доступным в современных технологиях, недавно позволило достичь частоты перехода (ft ) 170 ГГц и максимальной колебаний частоты (fmax) 240 ГГц в 90-нм КМОП-процессе. [8]
Теория работы
[ редактировать ]Работу DA, пожалуй, легче всего понять, если объяснить ее на примере усилителя на лампе бегущей волны (УЛВВ). DA состоит из пары линий передачи с характеристическими сопротивлениями Z 0, независимо соединяющих входы и выходы нескольких активных устройств . Таким образом, радиочастотный сигнал подается на участок линии передачи, подключенный к входу первого устройства. Когда входной сигнал распространяется по входной линии, отдельные устройства реагируют на шаг входного сигнала, идущий вперед, индуцируя усиленную дополнительную бегущую вперед волну на выходной линии. Это предполагает, что задержки входных и выходных линий становятся равными посредством выбора констант распространения и длин двух линий и, как таковые, выходные сигналы от каждого отдельного устройства суммируются по фазе . Согласующие резисторы и Zg Zd установлены для минимизации деструктивных отражений .
транспроводимости Коэффициент усиления каждого устройства равен g m , а выходное сопротивление каждого транзистора составляет половину характеристического сопротивления линии передачи. Таким образом, общий коэффициент усиления по напряжению DA составляет:
- A v = ½ n·g m ·Z 0 , где n — количество стадий.
Если пренебречь потерями, выигрыш демонстрирует линейную зависимость от количества устройств (каскадов). В отличие от мультипликативной природы каскада обычных усилителей , DA демонстрирует аддитивное качество. Именно это синергетическое свойство архитектуры DA позволяет ей обеспечивать усиление на частотах, превышающих частоту единичного усиления отдельных каскадов. На практике количество ступеней ограничено уменьшением входного сигнала в результате затухания на входной линии. Способы определения оптимального количества стадий обсуждаются ниже. Полоса пропускания обычно ограничивается импеданса несоответствием , вызванным частотно-зависимыми паразитными явлениями устройства .
Архитектура DA вводит задержку для достижения характеристик усиления широкополосной связи . Эта задержка является желательной особенностью конструкции другой распределительной системы, называемой распределенным генератором .
Сосредоточенные элементы
[ редактировать ]Линии задержки состоят из сосредоточенных элементов L и C. Для этого используются паразитные L и C транзисторов, и обычно немного L добавляется для увеличения импеданса линии . Из-за эффекта Миллера в усилителе с общим истоком входная и выходная линии передачи связаны. Например, для инвертирования напряжения и усиления тока вход и выход образуют экранированную симметричную линию . Ток в выходной линии передачи увеличивается с каждым последующим транзистором, поэтому для поддержания постоянного напряжения добавляется все меньше и меньше L, а для поддержания постоянной скорости добавляется все больше и больше дополнительных C. Этот Ц может исходить от паразитов второй стадии. Эти линии задержки не имеют плоской дисперсии вблизи своей границы, поэтому важно использовать одну и ту же периодичность LC на входе и выходе. При вставке линий передачи вход и выход будут расходиться друг от друга.
В случае распределенного усилителя входной сигнал подается последовательно в усилители и параллельно из них. Чтобы избежать потерь на входе, не допускается утечка входного сигнала. Этого можно избежать, используя балансный вход и выход, также известный как двухтактный усилитель . Тогда все сигналы, которые просачиваются через паразитные емкости, подавляются. Выход объединяется в линию задержки с уменьшающимся импедансом. Для узкополосной работы возможны другие методы фазового согласования, которые позволяют избежать подачи сигнала через несколько катушек и конденсаторов. Это может быть полезно для усилителей мощности.
Одиночные усилители могут быть любого класса. Между распределенными усилителями класса E/F и некоторыми методами фазового согласования может существовать некоторая синергия. В конечном итоге используется только основная частота, поэтому это единственная частота, которая проходит через версию с линией задержки.
Из-за эффекта Миллера транзистор с общим истоком действует как конденсатор (неинвертирующий) на высоких частотах и имеет инвертирующую крутизну на низких частотах. Канал транзистора имеет три измерения. Один размер, ширина, выбирается в зависимости от необходимого тока. Проблема в том, что для одного транзистора паразитная емкость и коэффициент усиления масштабируются линейно с шириной. Для распределенного усилителя емкость (то есть ширина) одного транзистора выбирается на основе самой высокой частоты, а ширина, необходимая для тока, распределяется между всеми транзисторами.
Приложения
[ редактировать ]Обратите внимание, что эти согласующие резисторы обычно не используются в КМОП, но потери из-за них в типичных приложениях невелики. В твердотельных усилителях мощности часто используются несколько дискретных транзисторов по соображениям мощности. Если все транзисторы управляются синхронно, необходима очень высокая мощность управления затвором. Для частот, на которых доступны небольшие и эффективные катушки, более эффективны распределенные усилители.
Напряжение можно усилить с помощью транзистора с общим затвором, который не проявляет эффекта Миллера и не имеет среза частоты единичного усиления. Добавление этого дает конфигурацию каскода . Конфигурация общего вентиля несовместима с CMOS; он добавляет резистор, что означает потери, и больше подходит для широкополосной связи, чем для высокоэффективных приложений.
См. также
[ редактировать ]- Диод Ганна — это устройство без каких-либо паразитных C или L, очень подходящее для широкополосных приложений.
- Регенеративная схема - это схема, использующая паразитные характеристики одного транзистора для высокочастотного узкополосного усилителя.
- Генератор Армстронга представляет собой схему, использующую паразитные характеристики одного транзистора для высокочастотного узкополосного генератора.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ WS Персиваль, «Схемы термоэмиссионных клапанов», Спецификация британского патента №. 460 562, подано 24 июля 1936 г., выдано в январе 1937 г.
- ^ Э. Л. Гинзтон; У. Р. Хьюлетт; Дж. Х. Ясберг; Джей Ди Ноу (1948). «Распределенное усиление». Учеб. ИРЭ . 36 (8): 956–69. дои : 10.1109/JRPROC.1948.231624 . S2CID 51675549 .
- ^ Э. В. Стрид; К. Р. Глисон (1982). «Монолитный распределенный усилитель на GaAsFET постоянного тока 12 ГГц». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 30 (7): 969–975. дои : 10.1109/TMTT.1982.1131185 . S2CID 25015200 .
- ^ Ю. Аясли; Р.Л. Моцци; Дж. Л. Форхаус; Л.Д. Рейнольдс; Р. А. Пусель (1982). «Монолитный GaAs усилитель бегущей волны 1–13 ГГц». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 30 (7): 976–981. дои : 10.1109/TMTT.1982.1131186 .
- ^ КБ Никлас; В. Т. Уилзер; Т.Р. Критцер; Р. Р. Перейра (1983). «О теории и характеристиках твердотельных распределенных микроволновых усилителей». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 31 (6): 447–456. дои : 10.1109/TMTT.1983.1131524 .
- ^ Р. Маджиди-Ахи; К. К. Нишимото; М. Риазиат; М. Гленн; С. Сильверман; С.-Л. Венг; Ю.-К. Пао; Г.А. Здасюк; С.Г. Бэнди; ЗЧ Тан (1990). « InP с копланарным волноводом и Распределенный усилитель MMIC, 5–100 ГГц». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 38 (12): 1986. doi : 10.1109/22.64584 .
- ^ С. Кимура; Ю. Имаи; Ю. Умеда; Т. Эноки (1996). «Распределенный усилитель основной полосы частот с компенсацией потерь для систем оптической передачи». Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 44 (10): 1688–1693. дои : 10.1109/22.538960 .
- ^ Д. Линтен; С. Тийс; В. Джемсаксири; Дж. Рамос; А. Мерча; М. И. Натараджан; П. Вамбак; Эй Джей Шолтен; С. Декутер (16–18 июля 2005 г.). «Интегрированный малошумящий усилитель 5 ГГц с защитой от электростатического разряда HBM 5,5 кВ в RF CMOS 90 нм». Симп. Сборник технических статей по схемам СБИС : 86–89. .