분산 증폭기

Distributed amplifier

분산 증폭기는 기존의 증폭기 설계에 전송선 이론을 통합하여 기존 회로에 의해 실현 가능한 것보다 더 큰 게인 대역폭 곱을 얻는 회로 설계입니다.

N단 진행파 증폭기

역사

분산 증폭기의 설계는 William S에 의해 처음 공식화되었습니다. 1936년 [1]퍼시벌.그 해에 Percival은 개별 진공관의 트랜스컨덕턴스를 입력과 출력의 소자 캐패시턴스를 묶지 않고 선형으로 추가할 수 있는 설계를 제안했고, 따라서 개별 튜브보다 더 큰 게인 대역폭 곱을 달성한 회로에 도달했습니다.그러나 퍼시벌의 디자인은 1948년 [2]긴즈톤, 휴렛, 재스버그, 노에 의해 출판되기 전까지 널리 알려지지 않았다.분산 증폭기라는 용어가 실제로 추적될 수 있는 것은 이 후기 논문입니다.전통적으로 DA 설계 아키텍처는 진공 튜브 기술을 사용하여 구현되었습니다.

현재의 테크놀로지

최근에는 GaAs[3][4][5], InP 등 III-V 반도체 기술이 사용됐다.[6][7]이들은 높은 밴드갭(높은 전자 이동성), 높은 포화 전자 속도, 높은 파괴 전압 및 높은 저항 기판으로 인해 우수한 성능을 발휘합니다.후자는 III-V 반도체 기술에서 고품질 계수(Q-factor 또는 단순 Q) 통합 수동 장치의 가용성에 크게 기여합니다.

모노리식 마이크로파 집적회로(MMIC)의 비용, 크기 및 전력 소비에 대한 시장의 요구를 충족시키기 위해 이러한 목적을 위한 메인스트림 디지털 벌크 CMOS 프로세스의 개발 연구가 계속되고 있습니다.현재의 IC 테크놀로지에 있어서의 기능 사이즈의 계속적인 스케일링에 의해서, 마이크로파 및 mm파 CMOS 회로는 스케일링 테크놀로지의 유니티 게인 주파수의 증가에 의해서 직접 이익을 얻을 수 있게 되었습니다.이 디바이스 스케일링과 오늘날의 테크놀로지에서 이용 가능한 고도의 프로세스 제어는 최근 90nm CMOS [8]프로세스에서 170GHz의 이행 주파수(ft)와 240GHz의 최대 발진 주파수(fmax)에 도달할 수 있게 되었습니다.

연산 이론

DA의 작동은 TWTA(이동파 튜브 앰프)의 관점에서 설명하면 가장 쉽게 이해할 수 있습니다.DA는 여러 활성 장치의 입력 및 출력을 독립적으로 연결하는 Z의 특성0 임피던스를 가진 한 쌍의 전송 라인으로 구성됩니다.이것에 의해, 제1 디바이스의 입력에 접속되는 전송로의 구간에 RF신호가 공급된다.입력신호가 입력라인을 따라 전파됨에 따라 각 디바이스는 출력라인상에 증폭된 상보적인 전진진행파를 유도함으로써 전진진행입력스텝에 응답한다.이는 2개의 라인의 전파 상수와 길이를 선택함으로써 입력 라인과 출력 라인의 지연이 동일해지고 이에 따라 각 개별 디바이스로부터의 출력 신호가 위상 합계를 갖는 것으로 가정합니다.파괴 반사를g 최소화하기 위해 종단 저항 Z 및d Z를 배치한다.

각 디바이스의 트랜지스터 게인은m g이고 각 트랜지스터에서 볼 수 있는 출력 임피던스는 전송로의 특성 임피던스의 절반입니다.따라서 DA의 전체 전압 이득은 다음과 같습니다.

Av = µ n·gm·Z0. 여기서 n은 단계 수입니다.

손실을 무시하면 이득은 장치(단계) 수에 선형적으로 의존함을 나타냅니다.기존 증폭기의 캐스케이드 증배 특성과 달리 DA는 가법 품질을 나타냅니다.DA 아키텍처의 이러한 상승적 특성은 각 단계의 통합 이득 빈도보다 더 많은 주파수에서 이득을 제공할 수 있게 합니다.실제로는 입력선상의 감쇠에 기인하는 입력신호의 감소에 의해 스테이지 수가 제한된다.최적의 단계 수를 결정하는 방법은 다음과 같습니다.대역폭은 일반적으로 주파수에 의존하는 디바이스의 패러시트로 인한 임피던스 미스매치에 의해 제한됩니다.

DA 아키텍처는 광대역 게인 특성을 달성하기 위해 지연을 도입합니다.이 지연은 분산 발진기라고 불리는 또 다른 분산 시스템의 설계에서 바람직한 기능입니다.

응집 요소

지연선은 L과 C의 일괄 요소로 구성됩니다.여기에는 트랜지스터의 기생 L과 C가 사용되며, 보통 라인 임피던스를 높이기 위해 L이 추가됩니다.공통 소스 앰프의 밀러 효과 때문에 입력과 출력 전송 라인이 결합됩니다.예를 들어 입력과 출력을 증폭하는 전압 반전 및 전류는 차폐 균형 라인을 형성합니다.후속 트랜지스터마다 출력 전송 라인에 전류가 증가하므로 전압을 일정하게 유지하기 위해 L이 점점 줄어들고 속도를 일정하게 유지하기 위해 C가 점점 더 추가됩니다.이 C는 두 번째 단계의 기생충에서 나올 수 있습니다.이러한 지연라인은 컷오프 부근에 편평한 분산이 없기 때문에 입력과 출력에 동일한 L-C 주기성을 사용하는 것이 중요합니다.전송 라인을 삽입하면 입력과 출력이 서로 분산됩니다.

분산 증폭기의 경우 입력이 증폭기에 직렬로 공급되고 증폭기에서 병렬로 공급됩니다.입력 손실을 방지하기 위해 입력 신호가 누출되지 않도록 합니다.이는 푸시 풀 앰프라고도 하는 균형 잡힌 입력 및 출력을 사용하여 방지됩니다.그러면 기생 캐패시턴스를 통해 누출되는 모든 신호가 취소됩니다.출력은 임피던스가 감소하는 지연 라인으로 결합됩니다.협대역 작동의 경우 여러 코일과 캐패시터를 통해 신호가 공급되지 않도록 하는 다른 위상 매칭 방법이 가능합니다.이것은 전원 증폭기에 도움이 될 수 있습니다.

단일 증폭기는 모든 클래스에서 사용할 수 있습니다.분산형 클래스 E/F 앰프와 일부 위상 매칭 방법 사이에 약간의 시너지 효과가 있을 수 있습니다.최종적으로는 기본 주파수만 사용되므로 지연 회선 버전을 통과하는 유일한 주파수입니다.

밀러 효과로 인해 공통 소스 트랜지스터는 고주파에서는 캐패시터(비반전) 역할을 하며 저주파에서는 반전 트랜스컨덕턴스를 가집니다.트랜지스터의 채널에는 3차원이 있습니다.1차원 폭은 필요한 전류에 따라 선택됩니다.문제는 단일 트랜지스터 기생 캐패시턴스와 게인 둘 다 폭에 따라 선형으로 스케일링됩니다.분산 증폭기의 경우 단일 트랜지스터의 캐패시턴스(즉, 폭)는 최고 주파수를 기준으로 선택되며 전류에 필요한 폭은 모든 트랜지스터로 분할됩니다.

적용들

이러한 종단 저항은 보통 CMOS에서는 사용되지 않지만, 일반적인 용도에서는 이로 인한 손실이 작습니다.솔리드 스테이트의 파워앰프에서는 전원상의 이유로 여러 개의 이산 트랜지스터가 사용되는 경우가 많습니다.모든 트랜지스터가 동기화된 방식으로 구동되는 경우 매우 높은 게이트 구동 전력이 필요합니다.작고 효율적인 코일을 사용할 수 있는 주파수의 경우 분산형 증폭기가 더 효율적입니다.

밀러 효과와 단위 게인 주파수가 차단되지 않는 공통 게이트 트랜지스터를 통해 전압을 증폭할 수 있습니다.이것을 추가하면, cascode 설정이 됩니다.공통 게이트 구성은 CMOS와 호환되지 않습니다.이것은 손실을 의미하는 저항을 추가하여 고효율 애플리케이션보다 광대역 애플리케이션에 적합합니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 건 다이오드는 광대역 애플리케이션에 매우 적합한 기생 C 또는 L이 없는 장치입니다.
  • 회생 회로는 단일 트랜지스터의 패러시틱스를 고주파 협대역 증폭기에 사용하는 회로입니다.
  • 암스트롱 발진기는 고주파 협대역 발진기용 단일 트랜지스터의 패러시틱스를 이용한 회로입니다.

레퍼런스

  1. ^ W. S. Percival, "열전자 밸브 회로", 영국 특허 사양 No.1936년 7월 24일에 제출된 460,562건은 1937년 1월에 허가되었다.
  2. ^ E. L. Ginzton; W. R. Hewlett; J. H. Jasberg; J. D. Noe (1948). "Distributed Amplification". Proc. IRE. 36 (8): 956–69. doi:10.1109/JRPROC.1948.231624. S2CID 51675549.
  3. ^ E. W. Strid; K. R. Gleason (1982). "A DC-12 GHz Monolithic GaAsFET Distributed Amplifier". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 30 (7): 969–975. doi:10.1109/TMTT.1982.1131185. S2CID 25015200.
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  8. ^ 를 클릭합니다D. Linten; S. Thijs; W. Jeamsaksiri; J. Ramos; A. Mercha; M. I. Natarajan; P. Wambacq; A. J. Scholten; S. Decoutere (July 16–18, 2005). "An Integrated 5 GHz Low-Noise Amplifier with 5.5 kV HBM ESD protection in 90 nm RF CMOS". Symp. On VLSI Circuits Digest of Technical Papers: 86–89..

외부 링크