Distribuerad förstärkare
Distribuerade förstärkare är kretskonstruktioner som införlivar transmissionsledningsteori i traditionell förstärkardesign för att erhålla en produkt med större förstärkningsbandbredd än vad som är möjligt med konventionella kretsar .
Historia
Utformningen av de distribuerade förstärkarna formulerades först av William S. Percival 1936. Det året föreslog Percival en design där transkonduktanserna för individuella vakuumrör kunde adderas linjärt utan att deras elementkapacitanser klumpas ihop vid ingången och utgången, och därmed nåddes till en krets som uppnådde en förstärknings-bandbreddsprodukt större än den för ett enskilt rör. Percivals design blev dock inte allmänt medveten, förrän en publikation i ämnet skrevs av Ginzton , Hewlett , Jasberg och Noe 1948. Det är till denna senare artikel som termen distribuerad förstärkare faktiskt kan spåras. Traditionellt realiserades DA-designarkitekturer med hjälp av vakuumrörsteknik .
Aktuell teknik
På senare tid har III-V- halvledarteknologier , såsom GaAs och InP, använts. Dessa har överlägsen prestanda som ett resultat av högre bandgap (högre elektronrörlighet), högre mättad elektronhastighet , högre genombrottsspänningar och substrat med högre resistivitet . Det senare bidrar mycket till tillgängligheten av integrerade passiva enheter med högre kvalitetsfaktor ( Q-faktor eller helt enkelt Q) i III-V-halvledarteknologierna.
För att möta marknadens krav på kostnad, storlek och strömförbrukning för monolitiska mikrovågsintegrerade kretsar (MMIC), fortsätter forskningen i utvecklingen av vanliga digitala bulk-CMOS-processer för sådana ändamål. Den kontinuerliga skalningen av funktionsstorlekar i nuvarande IC-teknologier har gjort det möjligt för mikrovågs- och mm-vågs-CMOS-kretsar att direkt dra nytta av de resulterande ökade enhetsförstärkningsfrekvenserna hos den skalade tekniken. Denna enhetsskalning, tillsammans med den avancerade processtyrningen som finns tillgänglig i dagens teknologier, har nyligen gjort det möjligt att nå en övergångsfrekvens (f t ) på 170 GHz och en maximal oscillationsfrekvens ( fmax ) på 240 GHz i en 90 nm CMOS-process.
Operationsteori
0 Funktionen av DA kan kanske enklast förstås när den förklaras i termer av resandevågsrörsförstärkaren ( TWTA) . DA består av ett par transmissionsledningar med karakteristiska impedanser på Z som oberoende ansluter ingångarna och utgångarna på flera aktiva enheter . En RF-signal tillförs således till den del av transmissionsledningen som är ansluten till ingången på den första anordningen. När ingångssignalen fortplantar sig nedåt ingångslinjen, svarar de individuella enheterna på det framåtgående ingångssteget genom att inducera en förstärkt komplementär framåtgående våg på utgångsledningen. Detta förutsätter att fördröjningarna för ingångs- och utgångsledningarna görs lika genom val av utbredningskonstanter och längder på de två linjerna och som sådan summeras utsignalerna från varje enskild enhet i fas . Avslutningsmotstånd Zg och Zd är placerade för att minimera destruktiva reflektioner .
Den transkonduktiva förstärkningen för varje anordning är g m och utgångsimpedansen som ses av varje transistor är hälften av den karakteristiska impedansen för transmissionsledningen. Så att den totala spänningsförstärkningen för DA är:
- 0 A v = ½ n·g m ·Z , där n är antalet steg.
Om man bortser från förluster, visar vinsten ett linjärt beroende av antalet enheter (steg). Till skillnad från den multiplikativa karaktären hos en kaskad av konventionella förstärkare , visar DA en additiv kvalitet. Det är denna synergistiska egenskap hos DA-arkitekturen som gör det möjligt för den att ge förstärkning vid frekvenser bortom den för enhetsförstärkningsfrekvensen för de individuella stegen. I praktiken begränsas antalet steg av den minskande insignalen som är ett resultat av dämpning på ingångsledningen. Metoder för att bestämma det optimala antalet steg diskuteras nedan. Bandbredden är vanligtvis begränsad av impedansmissanpassningar som orsakas av frekvensberoende enhetsparasiter .
DA-arkitekturen introducerar fördröjning för att uppnå sina bredbandsförstärkningsegenskaper . Denna fördröjning är en önskad egenskap i utformningen av ett annat distributionssystem som kallas den distribuerade oscillatorn.
Klumpade element
Fördröjningslinjer är gjorda av klumpade element av L och C. Det parasitära L och C från transistorerna används för detta och vanligtvis läggs något L till för att höja linjeimpedansen . På grund av Miller-effekten i den gemensamma källförstärkaren är ingångs- och utgångsöverföringsledningen kopplade. Till exempel, för spänningsinvertering och strömförstärkning bildar ingången och utgången en skärmad balanserad linje . Strömmen ökar i utgångsöverföringsledningen med varje efterföljande transistor, och därför läggs mindre och mindre L till för att hålla spänningen konstant och mer och mer extra C läggs till för att hålla hastigheten konstant. Detta C kan komma från parasiter i ett andra stadium. Dessa fördröjningslinjer har inte en platt spridning nära deras cut off, så det är viktigt att använda samma LC-periodicitet i ingången och utgången. Om du infogar transmissionsledningar kommer in- och utdata att spridas från varandra.
För en distribuerad förstärkare matas ingången i serie in i förstärkarna och parallellt ut från dem. För att undvika förluster i ingången tillåts ingen insignal att läcka igenom. Detta undviks genom att använda en balanserad in- och utgång även känd som push-pull-förstärkare . Då avbryts alla signaler som läcker genom parasitkapacitanserna. Utgången kombineras i en fördröjningslinje med minskande impedans. För smalbandsdrift är andra metoder för fasanpassning möjliga, som undviker att mata signalen genom flera spolar och kondensatorer. Detta kan vara användbart för effektförstärkare.
Enkelförstärkarna kan vara av vilken klass som helst. Det kan finnas viss synergi mellan distribuerade klass E/F-förstärkare och vissa fasmatchningsmetoder. Endast grundfrekvensen används i slutändan, så detta är den enda frekvensen som går genom fördröjningslinjeversionen.
På grund av Miller-effekten fungerar en gemensam källtransistor som en kondensator (icke inverterande) vid höga frekvenser och har en inverterande transkonduktans vid låga frekvenser. Transistorns kanal har tre dimensioner. En dimension, bredden, väljs beroende på vilken ström som behövs. Problemet är för en enkel transistor parasitisk kapacitans och vinst både skala linjärt med bredden. För den distribuerade förstärkaren väljs kapacitansen – det vill säga bredden – på den enskilda transistorn baserat på den högsta frekvensen och den bredd som behövs för strömmen delas över alla transistorer.
Ansökningar
Observera att dessa termineringsmotstånd vanligtvis inte används i CMOS, men förlusterna på grund av dessa är små i typiska applikationer. I halvledareffektförstärkare används ofta flera diskreta transistorer av effektskäl ändå. Om alla transistorer drivs på ett synkroniserat sätt krävs en mycket hög gate-driveffekt. För frekvenser där små och effektiva spolar finns tillgängliga är distribuerade förstärkare mer effektiva.
Spänningen kan förstärkas av en gemensam grindtransistor, som inte visar någon fräseffekt och ingen enhetsförstärkningsfrekvens avskuren. Att lägga till detta ger cascode- konfigurationen. Common gate-konfigurationen är inkompatibel med CMOS; den lägger till ett motstånd, vilket innebär förlust, och är mer lämpat för bredband än för högeffektiva tillämpningar.
Se även
- Gunn diode är en enhet utan parasitiska C eller L mycket lämplig för bredbandstillämpningar
- Regenerativ krets är en krets som använder parasiterna hos en enkel transistor för en högfrekvent smalbandsförstärkare
- Armstrong oscillator är en krets som använder parasiterna hos en enkel transistor för en högfrekvent smalbandsoscillator