Распределенные усилители представляют собой схемы , которые включают теорию линий передачи в традиционную конструкцию усилителя для получения большего коэффициента усиления/ширины полосы пропускания , чем это возможно с помощью обычных схем .
Конструкция распределенных усилителей была впервые сформулирована Уильямом С. Персивалем в 1936 году. [1] В том году Персиваль предложил конструкцию, с помощью которой транскондуктивности отдельных электронных ламп могли быть добавлены линейно без объединения емкостей их элементов на входе и выходе, таким образом, придя к схеме, которая достигала продукта коэффициента усиления-полосы пропускания, большего, чем у отдельной лампы. Однако конструкция Персиваля не получила широкой известности, пока публикация на эту тему не была опубликована Гинзтоном , Хьюлеттом , Джасбергом и Ноэ в 1948 году. [2] Именно к этой более поздней статье можно фактически отнести термин распределенный усилитель . Традиционно архитектуры проектирования DA реализовывались с использованием технологии электронных ламп .
В последнее время стали использоваться полупроводниковые технологии III-V, такие как GaAs [3] [4] [5] и InP. [6] [7] Они обладают превосходной производительностью, обусловленной более широкими запрещенными зонами (более высокой подвижностью электронов), более высокой скоростью насыщенных электронов , более высоким напряжением пробоя и подложками с более высоким удельным сопротивлением . Последнее вносит большой вклад в доступность интегрированных пассивных устройств с более высоким коэффициентом качества ( Q-фактором или просто Q) в полупроводниковых технологиях III-V.
Чтобы удовлетворить рыночные требования к стоимости, размеру и энергопотреблению монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC), продолжаются исследования в области разработки основных цифровых объемных КМОП-процессов для таких целей. Непрерывное масштабирование размеров элементов в современных технологиях ИС позволило микроволновым и миллиметровым КМОП-схемам напрямую извлечь выгоду из полученных увеличенных частот единичного усиления масштабированной технологии. Это масштабирование устройств, наряду с передовым управлением процессом, доступным в современных технологиях, недавно позволило достичь частоты перехода (f t ) 170 ГГц и максимальной частоты колебаний (fmax) 240 ГГц в 90-нм КМОП-процессе. [8]
Работа DA, возможно, может быть наиболее легко понята, если объяснить ее в терминах усилителя на лампе бегущей волны (TWTA). 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 секцию линии передачи, подключенную к входу первого устройства. По мере того, как входной сигнал распространяется по входной линии, отдельные устройства реагируют на входной шаг вперед, перемещаясь, вызывая усиленную дополнительную волну вперед, перемещающуюся на выходной линии. Это предполагает, что задержки входных и выходных линий сделаны равными посредством выбора постоянных распространения и длин двух линий, и, таким образом, выходные сигналы от каждого отдельного устройства суммируются в фазе . Оконечные резисторы Z g и Z d размещаются для минимизации деструктивных отражений .
Транскондуктивный коэффициент усиления каждого устройства равен g m , а выходное сопротивление, воспринимаемое каждым транзистором, равно половине характеристического сопротивления линии передачи. Таким образом, общий коэффициент усиления напряжения DA равен:
Пренебрегая потерями, усиление 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 ему обеспечивать усиление на частотах, превышающих частоту единичного усиления отдельных каскадов. На практике количество каскадов ограничивается уменьшающимся входным сигналом из-за затухания на входной линии. Способы определения оптимального количества каскадов обсуждаются ниже. Полоса пропускания обычно ограничивается несоответствиями импеданса , вызванными частотно-зависимыми паразитными эффектами устройств .
Архитектура DA вводит задержку для достижения своих характеристик широкополосного усиления. Эта задержка является желаемой особенностью в конструкции другой распределительной системы, называемой распределенным генератором.
Линии задержки состоят из сосредоточенных элементов L и C. Для этого используются паразитные L и C от транзисторов, и обычно добавляется некоторое L для повышения импеданса линии . Из-за эффекта Миллера в общем усилителе входная и выходная линии передачи соединены. Например, для инвертирования напряжения и усиления тока вход и выход образуют экранированную сбалансированную линию . Ток увеличивается в выходной линии передачи с каждым последующим транзистором, и поэтому все меньше и меньше L добавляется для поддержания постоянного напряжения и все больше и больше дополнительного C добавляется для поддержания постоянной скорости. Этот C может исходить от паразитных элементов второго каскада. Эти линии задержки не имеют плоской дисперсии вблизи их отсечки, поэтому важно использовать одну и ту же периодичность LC на входе и выходе. Если вставить линии передачи, вход и выход будут расходиться друг от друга.
Для распределенного усилителя вход подается последовательно в усилители и параллельно из них. Чтобы избежать потерь на входе, входной сигнал не должен просачиваться. Этого можно избежать, используя сбалансированный вход и выход, также известный как двухтактный усилитель . Тогда все сигналы, которые просачиваются через паразитные емкости, нейтрализуются. Выход объединяется в линию задержки с уменьшающимся импедансом. Для работы в узкой полосе частот возможны другие методы согласования фаз, которые позволяют избежать подачи сигнала через несколько катушек и конденсаторов. Это может быть полезно для усилителей мощности.
Отдельные усилители могут быть любого класса. Может быть некоторая синергия между распределенными усилителями класса E/F и некоторыми методами согласования фаз. В конце 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 (не инвертирующий) на высоких частотах и имеет инвертирующую крутизну на низких частотах. Канал транзистора имеет три измерения. Одно измерение, ширина, выбирается в зависимости от необходимого тока. Проблема в том, что для одного транзистора паразитная емкость и коэффициент усиления линейно масштабируются с шириной. Для распределенного усилителя емкость — то есть ширина — одного транзистора выбирается на основе самой высокой частоты, а ширина, необходимая для тока, делится между всеми транзисторами.
Обратите внимание, что эти согласующие резисторы обычно не используются в КМОП, но потери из-за них невелики в типичных приложениях. В твердотельных усилителях мощности часто используются несколько дискретных транзисторов по соображениям мощности. Если все транзисторы управляются синхронно, требуется очень высокая мощность управления затвором. Для частот, на которых доступны небольшие и эффективные катушки, распределенные усилители более эффективны.
Напряжение может быть усилено транзистором с общим затвором, который не показывает эффекта Миллера и не имеет среза частоты единичного усиления. Добавление этого дает каскодную конфигурацию. Конфигурация с общим затвором несовместима с КМОП; она добавляет резистор, что означает потери, и больше подходит для широкополосных, чем для высокоэффективных приложений.