Распределенные усилители — это схемы , которые включают теорию линий передачи в традиционную конструкцию усилителя для получения более высокого коэффициента усиления и полосы пропускания , чем это возможно в традиционных схемах .
Конструкция распределенных усилителей была впервые сформулирована Уильямом С. Персивалем в 1936 году. [1] В этом году Персиваль предложил конструкцию, с помощью которой крутизны отдельных электронных ламп можно было складывать линейно, не объединяя емкости их элементов на входе и выходе. Таким образом, мы получили схему, в которой произведение коэффициента усиления на полосу пропускания было больше, чем у отдельной лампы. Однако конструкция Персиваля не получила широкой известности до тех пор, пока в 1948 году Гинзтон , Хьюлетт , Ясберг и Ноэ не опубликовали публикацию по этому вопросу. [2] Именно к этой более поздней статье фактически можно отнести термин « распределенный усилитель» . Традиционно архитектуры проектирования DA реализовывались с использованием технологии электронных ламп .
Совсем недавно стали использоваться 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 высокому напряжению пробоя и подложкам с более высоким удельным сопротивлением . Последнее во многом способствует доступности интегрированных пассивных устройств с более высоким коэффициентом добротности ( добротностью или просто Q) в полупроводниковых технологиях III-V.
Чтобы удовлетворить требования рынка к стоимости, размеру и энергопотреблению монолитных микроволновых интегральных схем (ММИЦ), продолжаются исследования по разработке основных цифровых процессов объемной КМОП для таких целей. Постоянное масштабирование размеров элементов в современных технологиях интегральных схем позволило СВЧ- и миллиметровым КМОП-схемам получить прямую 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 частоты колебаний (fmax) 240 ГГц в 90-нм КМОП-процессе. [8]
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 Zg и Zd установлены для минимизации деструктивных отражений .
Коэффициент усиления транспроводимости 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:
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 несоответствием импеданса , 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.
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, проходящие 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.
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.