Введение
Распределенные усилители - это схемы, которые включают теорию линии передачи в традиционную конструкцию усилителя для получения большего продукта полосы пропускания, чем это возможно с помощью обычных схем.
История
Конструкция распределенных усилителей была впервые сформулирована Уильямом С. Персивалем в 1936 году. В том же году Персиваль предложил конструкцию, при помощи которой можно линейно добавлять проводки отдельных вакуумных труб, не объединяя их емкости элементов на входе и выходе, таким образом, получая схему, которая достигает продукта полосы пропускания с увеличением, превышающего продукт полосы пропускания отдельной трубки. Однако дизайн Персивала не получил широкого распространения, пока в 1948 году Гинзтон, Хьюлетт, Джасберг и Ноэ не опубликовали публикацию по этому вопросу. Именно в этой поздней статье можно проследить термин распределенный усилитель. Традиционно архитектуры дизайна DA реализовывались с использованием технологии вакуумных трубок.
Современная технология
В последнее время используются полупроводниковые технологии III V, такие как GaAs и InP. Они обладают превосходной производительностью, обусловленной более высокими полосами (более высокой подвижностью электронов), более высокой скоростью насыщенных электронов, более высокими разрывными напряжениями и более высоким сопротивлением субстратов. Последнее в значительной степени способствует доступности интегрированных пассивных устройств с более высоким коэффициентом качества (коэффициент Q или просто Q) в полупроводниковых технологиях III V. Для удовлетворения потребностей рынка в стоимости, размере и потреблении электроэнергии монолитных микроволновых интегральных схем (ММИК), продолжаются исследования в разработке основных цифровых процессов CMOS для таких целей. Постоянное масштабирование размеров элементов в современных технологиях интегральных схем позволило микроволновым и мм-волновым схемам CMOS непосредственно извлекать выгоду из возникающих в результате увеличения частот усиления единицы масштабируемой технологии. Это устройство масштабирования, наряду с передовым процессом управления, доступным в современных технологиях, недавно позволило достичь переходной частоты (ft) 170 ГГц и максимальной частоты колебаний (fmax) 240 ГГц в 90 нм процессе CMOS.
Теория действия
Работа ДА может быть наиболее легко понятна, если объяснить с точки зрения трубного усилителя движущейся волны (TWTA). ДА состоит из пары линий передачи с характерными импедансами Z0, независимо соединяющих входы и выходы нескольких активных устройств. Таким образом, радиочастотный сигнал подается на участок линии передачи, подключенный к входу первого устройства. По мере распространения входного сигнала по входной линии отдельные устройства реагируют на входный шаг, движущийся вперед, путем индукции усиленной дополнительной вперед движущейся волны на выходной линии. Это предполагает, что задержки входных и выходных линий равны путем выбора констант распространения и длины двух линий, и, как таковые, выходные сигналы от каждого отдельного устройства суммируются в фазе. Окончательные резисторы Zg и Zd размещены для минимизации разрушительных отражений. Транспроводящая нагрузка каждого устройства равна gm, а выходный импиденс, наблюдаемый каждым транзистором, равен половине характерного импиденса линии передачи. Таким образом, общий прирост напряжения DA равен: Av = 1⁄2 n·gm·Z0, где n - число этапов. Не учитывая потери, прибыль демонстрирует линейную зависимость от количества устройств (ступеней). В отличие от мультипликативного характера каскада обычных усилителей, DA демонстрирует аддитивное качество. Именно это синергетическое свойство архитектуры DA позволяет ей обеспечивать усиление на частотах, превышающих частоту усиления единицы отдельных стадий. На практике количество этапов ограничено уменьшением входного сигнала, вызванного ослаблением на входной линии. Способы определения оптимального числа этапов обсуждаются ниже. Пропускная способность обычно ограничена несоответствием импедансов, вызванным паразитическими устройствами, зависящими от частоты. Архитектура DA вводит задержку для достижения своих характеристик широкополосной прибыли. Эта задержка является желаемой особенностью в конструкции другой распределительной системы, называемой распределенным осциллятором.
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.
Одноразовые элементы
Линии задержки сделаны из элементов L и C. Для этого используются паразитические L и C из транзисторов, и обычно добавляется некоторое L для повышения импеданса линии. Из-за эффекта Миллера в усилителе общего источника вход и выход линии передачи связаны. Например, для инвертации 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, чтобы держать постоянное напряжение, и все больше и больше дополнительного C добавляется, чтобы держать постоянную скорость. Это С может быть паразитом второй стадии. Эти линии задержки не имеют плоской дисперсии вблизи их отсека, поэтому важно использовать одну и ту же периодичность LC в входе и выходе. Если вставить линии передачи, вход и выход будут рассеиваться друг от друга. Для распределенного усилителя вход вводится последовательно в усилители и параллельно из них. Чтобы избежать потерь в входном сигнале, не допускается проникновение входного сигнала. Этого можно избежать, используя сбалансированный вход и выход, также известный как усилитель push-pull. Тогда все сигналы, проникающие через паразитические емкости, отменяются. Выход сочетается в линии задержки с уменьшающимся импедансом. Для узкодиапазонной работы возможны другие методы фазового совпадения, которые позволяют избежать подачи сигнала через несколько катушек и конденсаторов. Это может быть полезно для усилителей мощности. Одиночные усилители могут быть любого класса. Может быть некоторая синергия между распределенными усилителями класса E/F и некоторыми методами фазового соответствия. Только основная частота используется в конце, так что это единственная частота, которая проходит через версию линии задержки. Из-за эффекта Миллера обычный транзистор источника действует как конденсатор (не инвертирующий) на высоких частотах и имеет инвертирующую транспроводность на низких частотах. Канал транзистора имеет три измерения. Одно из измерений, ширина, выбирается в зависимости от требуемого тока. Проблема в том, что для одного транзистора паразитическая емкость и получение обеих масштабов линейно с шириной. Для распределенного усилителя емкость , то есть ширина одного транзистора, выбирается на основе самой высокой частоты, а ширина, необходимая для тока, разделяется на все транзисторы.