Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Таратылған күшейткіштер - бұл дәстүрлі күшейткіш жобасына беріліс желісі теориясын кіріктіретін контурлар, олар дәстүрлі контурларға қарағанда үлкен пайдасы бар жолақты өнімді алады.
Distributed amplifiers are circuit designs that incorporate transmission line theory into traditional amplifier design to obtain a larger gain bandwidth product than is realizable by conventional circuits.
Тарих
Таратылған күшейткіштердің дизайнын алғаш рет Уильям С. Персиваль 1936 жылы жасаған. Сол жылы Персиваль жеке вакуум түтіктерінің транзистенттіліктерін кіріс пен шығыста олардың элементтік сыйымдылықтарын бір топқа қоспай, сызықтық түрде қосуға болатын дизайнды ұсынды, осылайша жеке түтіктің пайдасы жолағының көбеюіне қол жеткізген схемаға келді. Персивалдың дизайны 1948 жылы Гинзтон, Хьюлетт, Джасберг және Ной бұл тақырыпқа арналған басылымға дейін кеңінен танылған жоқ. Бұл соңғы қағаз, бұл терминді таратушы күшейткіш шын мәнінде іздеуге болады. Дәстүрлі түрде DA жобалау архитектурасы вакуумдық түтік технологиясын пайдалана отырып жүзеге асырылды.
The design of the distributed amplifiers was first formulated by William S. Percival in 1936. In that year Percival proposed a design by which the transconductances of individual vacuum tubes could be added linearly without lumping their element capacitances at the input and output, thus arriving at a circuit that achieved a gain bandwidth product greater than that of an individual tube. Percival's design did not gain widespread awareness however, until a publication on the subject was authored by Ginzton, Hewlett, Jasberg, and Noe in 1948. It is to this later paper that the term distributed amplifier can actually be traced. Traditionally, DA design architectures were realized using vacuum tube technology.
Қазіргі технология
Соңғы уақытта GaAs және InP сияқты III V жартылай өткізгіш технологиялары қолданылды. Олардың жоғары өнімділігі жоғары жолақтылықтан (жоғары электронды қозғалыс), жоғары қаныққан электрон жылдамдығы, жоғары бұзылу кернеулері және жоғары кедергілі субстраттардан туындайды. Соңғысы III V жартылай өткізгіш технологияларында жоғары сапалы фактормен (Q фактор немесе жай ғана Q) интеграцияланған пассивті құрылғылардың болуына үлкен үлес қосады. Монолитті микротолқынды интегралдық схемалардың (ММИК) бағасы, көлемі және қуат тұтынуы бойынша нарықтық талаптарды қанағаттандыру үшін, мұндай мақсаттар үшін негізгі цифрлық CMOS процестерін әзірлеу бойынша зерттеулер жалғасуда. Қазіргі ИК технологиясындағы қасиеттердің өлшемдерін үздіксіз масштабтау микротолқынды және мм толқынды CMOS схемаларына масштабталған технологияның нәтижесінде пайда болатын бірлік жиіліктерінің көбеюінен тікелей пайда алуға мүмкіндік берді. Бұл құрылғы масштабтауы, қазіргі технологияларда қол жетімді озық процесс бақылауымен бірге, жақында 170 ГГц ауысу жиілігіне (фт) және 90 нм CMOS процесінде 240 ГГц ең жоғары тербеліс жиілігіне (fmax) жетуге мүмкіндік берді.
More recently, III V semiconductor technologies, such as GaAs and InP have been used. These have superior performance resulting from higher bandgaps (higher electron mobility), higher saturated electron velocity, higher breakdown voltages and higher resistivity substrates. The latter contributes much to the availability of higher quality factor (Q factor or simply Q) integrated passive devices in the III V semiconductor technologies. To meet the marketplace demands on cost, size, and power consumption of monolithic microwave integrated circuits (MMICs), research continues in the development of mainstream digital bulk CMOS processes for such purposes. The continuous scaling of feature sizes in current IC technologies has enabled microwave and mm wave CMOS circuits to directly benefit from the resulting increased unity gain frequencies of the scaled technology. This device scaling, along with the advanced process control available in today's technologies, has recently made it possible to reach a transition frequency (ft) of 170 GHz and a maximum oscillation frequency (fmax) of 240 GHz in a 90 nm CMOS process.
Жұмыс істеу теориясы
ДА-ның жұмысын, мүмкін, TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier) арқылы түсіндіру оңай. DA бірнеше белсенді құрылғылардың кіріс-шығыстарын тәуелсіз түрде жалғайтын Z0 сипаттамалық импеданстары бар екі тарату желісінен тұрады. Осылайша, бірінші құрылғының кіруіне қосылған беріліс желісінің бөлігіне RF сигналы беріледі. Кіріс сигналы кіріс желісі бойынша таралған кезде, жеке құрылғылар шығыс желісінде күшейткіш қосымша алға қарай қозғалатын толқынды пайда ету арқылы кіріс қадамға жауап береді. Бұл кіру және шығу желілерінің кідірулері екі желілердің таралу тұрақтылары мен ұзындығын таңдау арқылы тең болады және әр жеке құрылғыдан шыққан сигналдар фазада жиналады деп болжайды. Zg және Zd тораптық кедергілер деструктивті шағылыстарды азайту үшін орналастырылған. Әрбір құрылғының өткізгіштік пайдасы gm және әрбір транзистордың көрген шығыс импедансы беріліс желісінің сипаттамалық импедансының жартысы болып табылады. Осылайша, DA-ның жалпы кернеу пайдасы: Av = 1⁄2 n·gm·Z0, мұндағы n - сатылар саны. Жоғалуларды елемеу, пайда құрылғылардың (кезеңдер) санына сызықтық тәуелділікті көрсетеді. Дәстүрлі күшейткіштер каскадының көбейту сипатынан айырмашылығы, DA қосымша сапаны көрсетеді. ДА архитектурасының осы синергетикалық қасиеті жеке сатылардың бірлік жиілігінен тыс жиіліктерде пайда табуға мүмкіндік береді. Іс жүзінде сатылар саны кіріс желісінің әлсіреуінен пайда болған кіретін сигналдың азаюымен шектеледі. Төменде сатылардың оңтайлы санын анықтау тәсілдері қарастырылады. Жарық ені жиілікке тәуелді құрылғы паразиттері келтірген импеданс сәйкессіздіктерімен шектеледі. DA архитектурасы кең жолақты пайда болу сипаттамаларын алу үшін кідіртуді енгізеді. Бұл кідіріс таратылған тербеліс деп аталатын басқа тарату жүйесінің дизайнында қажетті ерекшелік болып табылады.
The operation of the DA can perhaps be most easily understood when explained in terms of the traveling wave tube amplifier (TWTA). The DA consists of a pair of transmission lines with characteristic impedances of Z0 independently connecting the inputs and outputs of several active devices. An RF signal is thus supplied to the section of transmission line connected to the input of the first device. As the input signal propagates down the input line, the individual devices respond to the forward traveling input step by inducing an amplified complementary forward traveling wave on the output line. This assumes the delays of the input and output lines are made equal through selection of propagation constants and lengths of the two lines and as such the output signals from each individual device sum in phase. Terminating resistors Zg and Zd are placed to minimize destructive reflections. The transconductive gain of each device is gm and the output impedance seen by each transistor is half the characteristic impedance of the transmission line. So that the overall voltage gain of the DA is:
Av = ½ n·gm·Z0, where n is the number of stages. Neglecting losses, the gain demonstrates a linear dependence on the number of devices (stages). Unlike the multiplicative nature of a cascade of conventional amplifiers, the DA demonstrates an additive quality. It is this synergistic property of the DA architecture that makes it possible for it to provide gain at frequencies beyond that of the unity gain frequency of the individual stages. In practice, the number of stages is limited by the diminishing input signal resulting from attenuation on the input line. Means of determining the optimal number of stages are discussed below. Bandwidth is typically limited by impedance mismatches brought about by frequency dependent device parasitics. The DA architecture introduces delay in order to achieve its broadband gain characteristics. This delay is a desired feature in the design of another distributive system called the distributed oscillator.
Біржолғы элементтер
Миллер эффектісі арқасында ортақ қоңыраудың қоңырау шалу құрылғысында кіріс және шығыс желілері біріктіріледі. Мысалы, кернеуді кері қайтару және ток күшейткіш үшін кіріс пен шығыс қалқандалған теңгерімді желі құрайды. Ағымдағы шығыс беріліс желісі әрбір кейінгі транзистормен өсіп келеді, сондықтан кернеуді тұрақты ұстау үшін L-дің саны азаяды және жылдамдықты тұрақты ұстау үшін қосымша C-дің саны артады. Бұл С екінші сатыдағы паразиттерден болуы мүмкін. Бұл кідіру желілері өздерінің кесілген жеріне жақын жерде тегіс дисперсияға ие емес, сондықтан кіріс пен шығыста бірдей L C мерзімділігін пайдалану маңызды. Егер беріліс желілерін қойсаңыз, кіріс пен шығыс бір-бірінен алыстатылады. Таратылған күшейткіш үшін кіріс күшейткіштерге қатарлап және олардың параллельді түрде беріледі. Кіріс жоғалтуларын болдырмау үшін кірме сигналдың шығуына жол берілмейді. Бұл кернеуді және шығаруды теңгермелі қолдану арқылы болдырмауға болады. Сонда паразиттік сыйымдылықтан ағып жатқан барлық сигналдар жойылады. Шығыс төмендеу импедансы бар кідірту желісінде біріктіріледі. Тар жолақты жұмыс істеу үшін фазалық сәйкестендірудің басқа әдістері мүмкін, олар сигналды бірнеше катушкалар мен конденсаторлар арқылы беруді болдырмайды. Бұл қуат күшейткіштер үшін пайдалы болуы мүмкін. Жалғыз күшейткіштер кез келген класқа жататын болуы мүмкін. Бөлінген E/F класты күшейткіштер мен кейбір фазалық сәйкестендіру әдістері арасында біраз синергия болуы мүмкін. Соңында негізгі жиілік қана қолданылады, сондықтан бұл кідірту желісі арқылы жүретін жалғыз жиілік. Миллер эффектісі арқасында жалпы көз транзисторы жоғары жиіліктерде конденсатор (инвертацияланбайтын) ретінде әрекет етеді және төмен жиіліктерде инвертациялық транскондукцияға ие. Транзистордың арнасы үш өлшемді болады. Бір өлшем, ені, қажетті токқа байланысты таңдалады. Бір транзистордың паразиттік сыйымдылығы мен екі масштабтың ені бойынша сызықтық түрде өсуі қиындық тудырады. Бөлінген күшейткіш үшін сыйымдылық , яғни бір транзистордың ені ең жоғары жиілікке негізделіп таңдалады және ток үшін қажетті ен барлық транзисторларға бөлінеді.
Delay lines are made of lumped elements of L and C. The parasitic L and the C from the transistors are used for this and usually some L is added to raise the line impedance. Because of the Miller effect in the common source amplifier the input and the output transmission line are coupled. For example, for voltage inverting and current amplifying the input and the output form a shielded balanced line. The current is increasing in the output transmission line with every subsequent transistor, and therefore less and less L is added to keep the voltage constant and more and more extra C is added to keep the velocity constant. This C can come from parasitics of a second stage. These delay lines do not have a flat dispersion near their cut off, so it is important to use the same L C periodicity in the input and the output. If inserting transmission lines, input and output will disperse away from each other. For a distributed amplifier the input is fed in series into the amplifiers and parallel out of them. To avoid losses in the input, no input signal is allowed to leak through. This is avoided by using a balanced input and output also known as push–pull amplifier. Then all signals which leak through the parasitic capacitances cancel. The output is combined in a delay line with decreasing impedance. For narrow band operation other methods of phase matching are possible, which avoid feeding the signal through multiple coils and capacitors. This may be useful for power amplifiers. The single amplifiers can be of any class. There may be some synergy between distributed class E/F amplifiers and some phase matching methods. Only the fundamental frequency is used in the end, so this is the only frequency, which travels through the delay line version. Because of the Miller effect a common source transistor acts as a capacitor (non inverting) at high frequencies and has an inverting transconductance at low frequencies. The channel of the transistor has three dimensions. One dimension, the width, is chosen depending on the current needed. The trouble is for a single transistor parasitic capacitance and gain both scale linearly with the width. For the distributed amplifier the capacitance – that is the width – of the single transistor is chosen based on the highest frequency and the width needed for the current is split across all transistors.