3.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 34158

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Широкосмуговий дизайн підсилювача вимагає синтезу узгоджуючих мереж, які забезпечують збіг над значною пропускною здатністю. Поділ між вузькосмуговим, широкосмуговим та надширокосмуговим дизайном мікрохвильового підсилювача залежить від робочої частоти та необхідної ефективності підсилювача. Однак, як правило, мікрохвильовий підсилювач з половинною октавою смугою пропускання\(3\text{ GHz}\), наприклад\(2\), розглядається як широкосмуговий дизайн.

Основна проблема конструкції підсилювача полягає в тому, що на мікрохвильових частотах паразитні вхідні та вихідні ємності транзистора є значними, і вони повинні бути скасовані для досягнення максимальної передачі потужності. Синтез вхідних і вихідних узгоджуючих мереж НВЧ-підсилювача на одній частоті призводить до вузькосмугового підсилювача з пропускною здатністю можливо\(2–3\%\). На більш низьких частотах, де паразитарні ємності менш значні, дробова смуга пропускання може бути більшою. Ідеальна реакція була б досягнута, якби були негативні конденсатори, і зазвичай резонанс кускових елементів може бути використаний, щоб принаймні частково представити негативну характеристику, подібну до ємності, протягом приблизно чверті октави смуги пропускання.

Домінуючими реактивними паразитиками транзистора є його вхідна і вихідна ємності, але також конденсатор зворотного зв'язку між колектором/стоком і базою/затвором стає важливим на більш високих частотах. Ігноруючи ємність зворотного зв'язку і думаючи тільки про вхід транзистора, вхід транзистора - це ємність іноді послідовно (для BJT), а іноді паралельно (для FET) з опором, що описує поглинання вхідної потужності РЧ транзистором. Ідеальне узгодження вимагає синтезу негативного конденсатора (тобто елемента, який має індуктивний реактивний опір, який зменшується з частотою). Просто за допомогою індуктора для забезпечення узгодження забезпечує відповідний елемент, імпеданс якого збільшується з частотою. Широкосмугова проблема узгодження вхідних даних стає по суті синтезом припиненої двопортової мережі з вхідним опором, який має необхідну негативну характеристику ємності. Цього нелегко домогтися, використовуючи лише кускові елементи.

У цій главі представлені три стратегії проектування широкосмугових лінійних підсилювачів. Використовується метод імпедансу зображення, в якому необхідний негативний імпеданс ємності реалізується за допомогою мережі лінії електропередачі. Наступний - багатоступінчастий розподілений підсилювач, який включає ємності транзистора в лінію передачі. Третій підхід схожий на паралельну конструкцію фільтра в парі.

3.1.1 Стратегії проектування широкосмугових підсилювачів

Як правило, широкосмуговий підсилювач має половинну октаву смугу пропускання, наприклад,\(8\text{ GHz}\) до\(12\text{ GHz}\). Кілька цілей повинні бути виконані в конструкції широкосмугового підсилювача. Звичайно, коефіцієнт посилення повинен бути рівним над вказаною смугою пропускання, але також важливо відповідати цілям шуму та стабільності над пропускною здатністю. Звичайно, підсилювач повинен бути стабільним поза діапазоном, а також. Як правило, неможливо виконати всі ці цілі за допомогою комп'ютерної оптимізації, і необхідно спростити процес проектування. Коли використовується комп'ютерна оптимізація, вона робиться поетапно і починається з проектування прототипу, який знаходиться не надто далеко від остаточного дизайну.

Ультраширокосмуговий підсилювач має пропускну здатність більше половини октави. Існує два підходи до досягнення надширокої смуги пропускання, і обидва типи підсилювачів мають низьку ефективність. Перша категорія надширокосмугового підсилювача - це розподілені підсилювачі, які досягають багатооктавної смуги пропускання шляхом включення паразитарних ємностей транзисторів у штучну лінію передачі. Паразитарні індуктивності, як правило, незначні, але якщо ні, вони включені в штучну лінію електропередачі. Насправді існує багатоступінчастий підсилювач, і кожен етап повинен бути етапом класу А і, таким чином, мати дуже низьку ефективність, подумайте\(5\%\). Надширокосмугові розподілені підсилювачі, як правило, використовуються в приладобудуванні. Неагресивна конструкція підсилювача класу А, швидше за все, буде стабільною. Розподілена конструкція підсилювача розглядається в розділі 3.2, а тематичне дослідження розподіленого підсилювача в розділі 3.3.

Другий тип надширокосмугового підсилювача - операційний підсилювач з дуже високими рівнями зворотного зв'язку. В операційному підсилювачі підсилювач відкритого контуру (без зворотного зв'язку) має дуже високий коефіцієнт посилення, але коефіцієнт посилення, який значно змінюється в залежності від частоти. Потім використовується зворотний зв'язок, цикл замкнутий, щоб ефективно викинути більшу частину посилення, щоб отримати загальний більш плоский виграш над широкою смугою пропускання. Цей тип підсилювача має дуже низьку ефективність, і зазвичай приріст, доступний від мікрохвильових транзисторів, в будь-якому випадку недостатньо високий. Навіть з найвищими ефективними транзисторами, тобто з дуже високим\(S_{21}\)\(S_{12}\) співвідношенням, транзистори, як правило, дуже дорогі, що вимагають більш тонкої літографії для досягнення необхідного коротшого затвора. Мікрохвильові операційні підсилювачі дійсно не життєздатні і тому далі розглядатися не будуть.

Найвища пропускна здатність мікрохвильового підсилювача, який досягає плоского посилення по всій смузі, має хорошу ефективність та відповідає вимогам шуму та стабільності, становить близько половини октави. Здавалося б, прямий підхід полягає в тому, щоб одночасно проектувати вхідні та вихідні мережі та використовувати комп'ютерну оптимізацію. Це ускладнюється на НВЧ-частотах тому, що зворотний зв'язок з виходом на вхід\(S_{12}\), т. Е. Потім дизайн стає проблемою оптимізації з декількома цілями та багатьма параметрами для коригування. Підхід лише для оптимізації рідко працює. Важливо спростити завдання і підходити до проектування поетапно. Найбільш вдалою технікою проектування широкосмугового підсилювача є метод проектування негативного зображення, який починається з розміщення гіпотетичних негативних конденсаторів паралельно з вхідною та вихідною ємностями транзистора. Процедура буде описана в розділі 3.4, а потім тематичне дослідження представлено в розділі 3.5.

Кінцевим класом мікрохвильових підсилювачів, який досягає досить високої пропускної здатності, є диференціальні підсилювачі, що використовуються в RFIC. Вони розглянуті в розділах 3.6—3.8.