Distribuert forsterker - Distributed amplifier

Distribuerte forsterkere er kretsdesign som inkorporerer overføringslinjeteori i tradisjonell forsterkerdesign for å oppnå et større forsterkningsbåndbreddeprodukt enn det som kan realiseres ved konvensjonelle kretser .

N-trinns omgangsforsterker

Historie

Designet av de distribuerte forsterkerne ble først formulert av William S. Percival i 1936. I det året foreslo Percival et design der transkonduktansene til individuelle vakuumrør kunne legges til lineært uten å klumpe til elementkapasitansene ved inngang og utgang, og dermed ankom til en krets som oppnådde et forsterkningsbåndbreddeprodukt som var større enn for et enkelt rør. Percivals design fikk imidlertid ikke mye oppmerksomhet før en publikasjon om emnet ble forfattet av Ginzton , Hewlett , Jasberg og Noe i 1948. Det er til dette senere papiret at begrepet distribuert forsterker faktisk kan spores. Tradisjonelt ble DA-designarkitekturer realisert ved hjelp av vakuumrørteknologi .

Nåværende teknologi

Mer nylig har III-V halvlederteknologier , som GaAs og InP, blitt brukt. Disse har overlegen ytelse som følge av høyere båndgap (høyere elektronmobilitet), høyere mettet elektronhastighet , høyere sammenbruddsspenninger og substrater med høyere motstand . Sistnevnte bidrar mye til tilgjengeligheten av høyere kvalitetsfaktor ( Q-faktor eller ganske enkelt Q) integrerte passive enheter i III-V halvlederteknologier.

For å imøtekomme markedskravene til kostnader, størrelse og strømforbruk av monolitiske mikrobølgeovnintegrerte kretser (MMIC), fortsetter forskningen i utviklingen av vanlige digitale bulk-CMOS-prosesser for slike formål. Den kontinuerlige skaleringen av funksjonsstørrelser i dagens IC-teknologier har gjort det mulig for mikrobølge- og mm-bølge CMOS-kretser å dra direkte fordel av de resulterende økte enhetsgevinstfrekvensene til den skalerte teknologien. Denne anordning skalering, sammen med den avanserte prosesskontroll som er tilgjengelig i dagens teknologi har nylig gjort det mulig å oppnå en overgang frekvens (f t ) på 170 GHz og en maksimal svingning frekvens (fmax) på 240 GHz i et 90 nm CMOS prosess.

Teori om drift

Driften av DA kan kanskje lettest forstått når forklart i form av vandrebølgerør -forsterker (TWTA). DA består av et par overføringslinjer med karakteristiske impedanser på Z 0, som uavhengig forbinder innganger og utganger fra flere aktive enheter . Et RF-signal tilføres således til delen av overføringslinjen som er koblet til inngangen til den første enheten. Når inngangssignalet forplanter seg nedover inngangslinjen, reagerer de individuelle innretningene på det fremovergående inngangstrinnet ved å indusere en forsterket komplementær fremovergående bølge på utgangslinjen. Dette forutsetter at forsinkelsene til inngangs- og utgangslinjene blir gjort like ved valg av forplantningskonstanter og lengder på de to linjene, og som sådan blir utgangssignalene fra hver enkelt innretning sum i fase . Avslutningsmotstander Z g og Z d er plassert for å minimalisere skadelige refleksjoner .

Den transkonduktive forsterkningen til hver enhet er g m, og utgangsimpedansen sett av hver transistor er halvparten av den karakteristiske impedansen til overføringsledningen. Slik at den totale spenningsforsterkningen til DA er:

A v = ½ n · g m · Z 0 , hvor n er antall trinn.

Ved å forsømme tap viser gevinsten en lineær avhengighet av antall enheter (trinn). I motsetning til den mangfoldige naturen til en kaskade av konvensjonelle forsterkere , demonstrerer DA en additiv kvalitet. Det er denne synergistiske egenskap hos DA arkitektur som gjør det mulig for den å tilveiebringe forsterkningen ved frekvenser enn den for den unity-gain frekvens av de enkelte trinn. I praksis er antall trinn begrenset av det avtagende inngangssignalet som følge av demping på inngangslinjen. Midler for å bestemme det optimale antall trinn diskuteres nedenfor. Båndbredde er vanligvis begrenset av impedans- mistilpasninger forårsaket av frekvensavhengige enhets parasittiske svingninger .

DA-arkitekturen introduserer forsinkelse for å oppnå bredbåndsforsterkningsegenskapene . Denne forsinkelsen er et ønsket trekk ved utformingen av et annet distribusjonssystem kalt distribuert oscillator .

Klumpete elementer

Forsinkelseslinjer er laget av klumpete elementer av L og C. Parasittiske L og C fra transistorene brukes til dette, og vanligvis tilsettes litt L for å heve linjeimpedansen . På grunn av Miller-effekten i den vanlige forsterkeren er inngangen og utgangstransmisjonslinjen koblet. For eksempel, for spenningsinvertering og strømforsterker inngangen og utgangen, danner en skjermet balansert linje . Strømmen øker i utgangstransmisjonslinjen med hver påfølgende transistor, og derfor tilføres mindre og mindre L for å holde spenningen konstant og mer og mer ekstra C tilsettes for å holde hastigheten konstant. Denne C-en kan komme fra parasittmateriale på et andre trinn. Disse forsinkelseslinjene har ikke en flat spredning nær avskjæringen, så det er viktig å bruke samme LC-periodisitet i inngangen og utgangen. Hvis du setter inn overføringslinjer, vil inngang og utgang spre seg fra hverandre.

For en distribuert forsterker blir inngangen matet i serie til forsterkerne og parallelt ut av dem. For å unngå tap i inngangen, får ikke noe inngangssignal lekke gjennom. Dette unngås ved å bruke en balansert inngang og utgang, også kjent som push-pull-forsterker . Da avbrytes alle signaler som lekker gjennom parasittkapasitansene. Utgangen kombineres i en forsinkelseslinje med avtagende impedans. For smalbåndsdrift er andre metoder for fasetilpasning mulig, som unngår å mate signalet gjennom flere spoler og kondensatorer. Dette kan være nyttig for effektforsterkere.

Enkeltforsterkerne kan være i hvilken som helst klasse. Det kan være noe synergi mellom distribuerte klasse E / F-forsterkere og noen fasematchende metoder. Bare den grunnleggende frekvensen brukes til slutt, så dette er den eneste frekvensen som går gjennom forsinkelseslinjeversjonen.

På grunn av Miller-effekten fungerer en vanlig kildetransistor som en kondensator (ikke inverterende) ved høye frekvenser og har en inverterende transkonduktans ved lave frekvenser. Transistorkanalen har tre dimensjoner. En dimensjon, bredden, velges avhengig av strømmen som trengs. Problemet er for en enkelt parasittkapasitans og få begge skalaer lineært med bredden. For den distribuerte forsterkeren blir kapasitansen - det vil si bredden - til den enkelte transistoren valgt basert på den høyeste frekvensen, og bredden som trengs for strømmen er delt over alle transistorer.

applikasjoner

Merk at disse termineringsmotstandene vanligvis ikke brukes i CMOS, men tapene på grunn av disse er små i typiske applikasjoner. I solid state-forsterkere brukes ofte flere diskrete transistorer uansett av strømhensyn. Hvis alle transistorer blir drevet på en synkronisert måte, er det nødvendig med en veldig høy gate-drivkraft. For frekvenser der små og effektive spoler er tilgjengelige, er distribuerte forsterkere mer effektive.

Spenningen kan forsterkes av en vanlig gate-transistor, som ikke viser noen miller-effekt og ingen enhetsforsterkningsfrekvens er avbrutt. Å legge til dette gir kaskodekonfigurasjonen . Den vanlige portkonfigurasjonen er inkompatibel med CMOS; det legger til en motstand, som betyr tap, og er mer egnet for bredbånd enn for applikasjoner med høy effektivitet.

Se også

  • Gunn-diode er en enhet uten parasittisk C eller L som er veldig egnet for bredbåndsapplikasjoner
  • Regenerativ krets er krets som bruker parasittene til en enkelt transistor for en høyfrekvent smalbåndsforsterker
  • Armstrong oscillator er krets som bruker parasittene til en enkelt transistor for en høyfrekvent smalbåndsoscillator

Referanser

Eksterne linker