DC-30 GHz GaAs pHEMT Dağıtılmış Güç Amplifikatörünün Tasarımı
0 Önsöz
Geniş bant mikrodalga amplifikatörleri çoğunlukla elektronik izleme ve karşı önlemler, radar, optik fiber ve enstrümantasyon sistemleri gibi geniş bantlı iletişim sistemlerinde kullanılır ve hepsi çok oktavlı amplifikatörlere ihtiyaç duyar. Bağıl bant genişliği% 50'den fazla olan bir amplifikatör tasarlamak büyük bir zorluktur. Geleneksel geniş bant amplifikatör teknolojisi, reaktans / dirençli ağ yapısı, paralel dirençli geri bildirim yapısı, dengeli yapı ve dağıtılmış yapı içerir.
Monolitik Mikrodalga Entegre Devre (Monolitik Mikrodalga Entegre Devre, MMIC), aktif cihazların ve pasif cihazların aynı yarı iletken substrat üzerinde üretildiği bir mikrodalga devresidir. Dağıtılmış (veya hareket eden dalga) bir amplifikatörde, geniş bant eşleşen transistörün giriş ve çıkış empedansı sorununu çözmek için belirli sayıda transistörün giriş ve çıkış kapasitansları yapay iletim hattı yapısına birleştirilir. Bu teknolojinin gerçek avantajı MMIC teknolojisinin uygulanmasında yatmaktadır Dağıtılmış Amplifikatör (DA) basit bir devre topolojisine sahiptir, son derece geniş bir çalışma frekansı bandı elde edebilir ve performansı işlem parametrelerindeki değişikliklere duyarlı değildir.
Çok sayıda belge, dağıtılmış amplifikatörlerin temel ilkeleri ve tasarım yöntemleri hakkında kapsamlı araştırma ve tartışmalar yürütmüştür. Bu makale, monolitik geniş bant amplifikatörünü gerçekleştirmek için dağıtılmış devreyi benimser. Bu tasarımdaki yapay iletim hattı şerit indüktörler kullanır ve son olarak amplifikatör bölümlerinin sayısı 6 bölüm olarak seçilir. Güçlendiriciyi stabilize etmek ve yapay iletim hattının kesme frekansını arttırmak için şebeke, bir direnç-kapasitör paralel yapı kullanır. Düşük frekans bandını 1 MHz'e çıkarmak için, tahliye için bir ön gerilim voltajı sağlamak üzere bir ön gerilim T'si gereklidir. Düşük frekans aralığında kazanç düzlüğünü iyileştirmek için geçit ve tahliye üzerinde düşük frekanslı AC terminalleri sağlayın.
Alan etkili transistör (Alan Etkili Transistör, FET) dağıtılmış amplifikatörün temel yapısı 4 transistör, 1 kapı hattı ve 1 boşaltma hattından oluşan Şekil 1'de gösterilmektedir. Giriş sinyali, bir terminal yük tarafından absorbe edilmeden önce sırayla her FET'e enerji vererek geçit hattı boyunca iletilir. FET geçiş iletkenliği sinyali yükselttikten sonra, sinyal boşaltma hattına iletilir. Geçit ve drenaj hatlarının faz hızları yaklaşık olarak aynıysa, her FET'den gelen sinyaller çıkış portuna eklenecektir. Boşaltma hattının ters bağlantı noktasındaki yük terminali, herhangi bir işe yaramaz sinyali emecektir.
Tüm DA devresinin tasarımı temel olarak transistörlerin seçimini, bölüm sayısının seçimini ve kapı hatlarının ve boşaltma hatlarının tasarımını içerir.
1.1 Transistör seçimi ve bölüm sayısının seçimi
Tek bir cihazın geçit genişliğinin belirlenmesi esas olarak iki faktörle sınırlıdır: amplifikatörün maksimum çalışma frekansı ve devrenin çıkış gücü. Geniş bantlı amplifikatör tasarım hedefinin en yüksek frekansı 30 GHz'e ulaştığından ve gerekli çıkış gücü büyük olmadığından, geçit genişliği esas olarak, aşağıdakilere göre amplifikatörün gerektirdiği en yüksek çalışma frekansını karşılar:
Formülde gm, transistörün geçiş iletkenliğidir ve küçük sinyal kazancının teorik yaklaşık eğrisi Şekil 2'de gösterildiği gibi elde edilebilir.
1.2 Kapı hattı ve tahliye hattının tasarımı
Şebeke hattı tasarımı temel olarak yapay iletim hattının kesme frekansını, karakteristik empedansı ve endüktans değerini Lg ve kapasitans değerini Cg dikkate alır. Aralarındaki ilişki denklemler (8) ve (9) ile belirlenir.
Yapay iletim hattının karakteristik empedansı şu şekilde tanımlanır:
Aynı zamanda, stabiliteyi artırmak ve geçit öngerilimi voltajı sağlamak için Cga ile paralel olarak bir direnç Rga bağlanır.
Boşaltma hattını tasarlarken, 50 sistem empedansını eşleştirmek için, her cihaz maksimum güç ve ek güç verimliliği (Güç Eklenen Verimlilik, PAE) elde edildiğinde ve güç ve PAE sınırlı olduğunda optimum yük empedansını elde edemez. 4 bölümlü DA'nın basitleştirilmiş eşdeğer devresi ile açıklanmaktadır. Basitleştirilmiş DA'nın dört cihazının tümü aynı boyuta sahiptir ve tümü, cihazların drenajdan görülen aynı gerçek yüke sahip olmasını gerektirir. Elektrik akımı soldan sağa sırayla toplanır, basitleştirilmiş şematik diyagram Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir. RL, her transistörün boşaltma portu tarafından görülen empedanstır. Z0d1, Z0d2, Z0d3 ve Z0d4, sırasıyla 1, 2, 3 ve 4 numaralı bağlantı noktalarından sağdan görüntülenen iletim hattının karakteristik empedanslarıdır. Eşdeğer iletim hattı teorisine göre, her bağlantı noktasına karşılık gelen iletim hattının karakteristik empedansı şöyle olmalıdır: Z0d1 = RL, Z0d2 = RL / 2, Z0d3 = RL / 3, Z0d4 = RL / 4. Çıkış eşleşmesini kolaylaştırmak için Z0d4 = 50 olsun , Sonra formüle göre:
Daha sonra her port için gerekli olan boşaltma endüktans değeri Ldk hesaplanabilir. Cds, transistör boşaltma kaynağı kapasitansıdır.
2 devre optimizasyonu
Orijinal devre parametreleri, yukarıdaki adımların ön tasarımı ile elde edilir ve devre topolojisi, mikrodalga simülasyon yazılımı kullanılarak simüle edilir. Transistör parametrelerinin doğrusal olmaması nedeniyle ve düşük frekans bandı kazancının iyileştirilmesi düşünüldüğünde, nihai optimizasyon yoluyla önceden belirlenmiş gereksinimleri elde etmek gereklidir. Düşük frekans bandının kazancını iyileştirmek için bu tasarım, sırasıyla geçidin ve drenajın terminallerine düşük frekanslı AC topraklama terminalleri ACG1, ACG2, ACG3, ACG4 ekler. Şekil 4 (a) 'da gösterildiği gibi, ACG1, ACG2, ACG3 ve ACG4, geçit ve boşaltma terminallerinde görünen düşük frekanslı sinyalleri, özellikle geçidin düşük frekanslı sinyallerini tam olarak emmek için kullanılır, böylece düşük frekans bandının kazanç düzlüğü önemli ölçüde iyileştirilir. Düşük frekans terminalli veya terminalsiz kazanç simülasyon sonucu Şekil 4 (b) 'de gösterilmektedir Düşük frekans terminalli eğrinin, düşük frekans terminali olmayan eğriden daha iyi kazanç düzlüğüne sahip olduğu görülebilir.
Nihai optimize edilmiş şematik Şekil 5'te gösterilmektedir. Boşaltma öngerilimi voltajı, geniş bantlı bir düşük empedans önyargı T'si aracılığıyla 350 mA çalışma akımı sağlamalıdır ve C2, bir 100 nF DC engelleme kapasitördür. ACG1 ve ACG3'ün sırasıyla 4,7 F'lik baypas kapasitörlerine bağlanması ve ardından topraklanması gerekir ACG2 ve ACG4'ün sırasıyla 10 pF ve 100 nF kapasitörlere bağlanması ve ardından topraklanması gerekir.
3 Simülasyon sonuçları ve analizi
GaAsPHEMTMMIC dağıtılmış güç amplifikatörü, Keysight'ın ADS2016 simülasyon yazılımı kullanılarak simüle edildi. Simülasyon sonuçları şunu göstermektedir: DC-30 GHz çalışma frekansı bandında, amplifikatörün kararlılık faktörü k > 1 ve | | < 1; Çalışma frekansı bandında 8,5 dB'lik bir kazanç sağlar; güç katma verimliliği PAE% 20'ye kadar ulaşabilir; 1 dB sıkıştırma noktası, Şekil 6 (a), Şekil 6 (b) ve Şekil 6'da gösterildiği gibi sırasıyla 21 dBm'dir ( c), Şekil 6 (d) 'de gösterildiği gibi. Giriş gücü 20 GHz olan kazanç, çıkış gücü ve PAE'nin değişimi Şekil 6 (e) 'de gösterilmektedir.
4. Sonuç
Bu makale, dağıtılmış amplifikatörün temel ilkesini ve yapısını tartışır ve 0,25 m GaAs PHEMT sürecini birleştirir ve dağıtılmış amplifikatörün orijinal devresini tasarlamak için temel teoriyi kullanır. Sürekli optimizasyon yoluyla, nihayet 30 GHz bant genişliğine sahip ultra geniş bantlı bir amplifikatör tasarlandı. Simülasyon sonuçları, amplifikatörün DC-30 GHz çalışma frekansı bandında (8.5 ± 1) dB'lik bir kazançla koşulsuz olarak kararlı olduğunu göstermektedir; güç katma verimliliği PAE% 20'ye kadar ulaşabilir; 1 dB sıkıştırma noktası 21 dBm'dir. Simülasyon sonuçlarına göre, kazançta sürekli iyileştirme için yer vardır ve bir sonraki adım, tasarımı iyileştirmek için kazancı daha da artırabilecek bir yapı kullanılarak bu noktada gerçekleştirilecektir.
Referanslar
BAHL I J. Temel RF ve Mikrodalga Transistör Yükselteçleri Bao Jingfu, tercüme Pekin: Elektronik Endüstrisi Yayınevi, 2013.
ROBERTSON I, LUCYSZYN S. Monolitik radyo frekansı mikrodalga entegre devre teknolojisi ve tasarımı Wen Guangjun, Xie Fuzhen, Li Jiayin, çeviri Pekin: Electronic Industry Press, 2007: 158-166.
Jiao Shilong, Chen Tangsheng, Jiang Youquan, vb. 20 GHz geniş bant GaAs PHEMT dağıtılmış preamplifikatör Çin Elektronik Dergisi, 2007, 35 (5): 955-958.
Zhu Sicheng, Tian Guoping, Bai Yuanliang, vb. DC 20 GHz GaAs PHEMT ultra geniş bant düşük gürültülü amplifikatör Yarıiletken Teknolojisi, 2013, 38 (8): 18-22.
FUJII K.A DC - 22 GHz, 2 W yüksek güçlü dağıtılmış amplifikatör, kapı çevresi sivrilen istiflenmiş FET topolojisi kullanarak.Radyo Frekansı Entegre Devreler Sempozyumu. IEEE, 2016: 270-273.
OLSON S, THOMPSON B, STENGEL B. Dar bant amplifikatör verimliliğine sahip dağıtılmış amplifikatör Mikrodalga Sempozyumu, 2007. IEEE / MTT-S International. IEEE, 2007: 155-158.
NARENDRA K, AIN M F, ANAND L, et al. Boşaltma empedansı inceltme tekniğini kullanan yüksek verimli 600-mW PHEMT dağıtılmış güç amplifikatörü.Uluslararası Mikrodalga ve Milimetre Dalga Teknolojisi Konferansı. IEEE, 2008: 1769-1772.
POZAR D M. Mikrodalga Mühendisliği Zhang Zhaoyi, Zhou Lezhu, Wu Deming, vb., Tercüme edildi. Beijing: Electronic Industry Press, 2006.
yazar bilgileri:
Liu Yanpeng, Wei Qidi, Zhang Guohao
(Bilgi Mühendisliği Okulu, Guangdong Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510006, Guangdong)
