מבוא: למה אכזבת אדריכלות משנה בעיצוב גבוה

כאשר תדרי אות דוחפים לתוך גלי המילימטר (mmWave) וספקטרום תת-טרחרץ, מגבר מסורתי להתנצלות בפני מגבלות פיזיות משמעותיות.המוצר בעל הזנב (GBW) של מגבר קונבנציונאלי הוא קשור באופן בסיסי למגבר המגבר האינדיאני (התחילה של המכשירים הפעילים) טרנסג'וסטס אחת, המספקת 15B של יכול להיות בעל רוחב פס רגיל (D) רק ל-ב-ב-מחץ עליון זה, רק כדי להתגבר על פני מגב-מחץ).

הרעיון, הראשון פטנט על ידי פרסיבל בשנת 1936, היה מאוחר יותר מעודן על ידי גינזסטון, Hewlett, Jasberg בשנת 1948, במקום להתרכז את כל הרווח בשלב אחד, DA משלב את ההחזקה של מכשירים פעילים רבים תוך קליטת הכנפיים הפרסיטיים שלהם לתוך קווי שידור מלאכותיים. גישה זו למעשה decouples להרוויח רוחב פס, ומאפשרת ביצועים מעגליים כי מספר רב של לוחמה אלקטרונית אפילו עיגולים מתקדמים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 לוחמה אופטיים, 000, 000, 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ âx, 000 â â â â â â â â ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ â â â â â ¢ ¢ ¢ â â â ¢ ¢ â ¢ ¢ â â ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

הבנת המגבר הממוזג: קו ההעברה המלאכותי

כדי להבין את היתרונות של מגבר מבוזר, יש צורך קודם להבין את המבצע שלו. A DA מורכב קבוצה של מכשירים פעילים (תאיםgain), בדרך כלל transistors (FETs) או heteroion biteroion bi transistors (HBTs), מחובר על ידי קדמי של inducors או קטעי שידור גבוהה.

הפלט הנוכחי מכל מכשיר נאסף על ידי קו השידור המלאכותי של התפוקה, שנוצר על ידי מחנכים סדרה ואת קיבולת הקוד-ל-למקור (Cds) המפתח ל רוחב הפס הרחב של DA הוא מערכת היחסים בין שני קווים אלה.אם מהירות השלבים על שער וקווי ניקוז מתאימים, הזרםים המטיילים לעבר העומס המשולב ומשתלבים בצורה בונה את האותות המטיילים לאחור לקראת סיום שלב, וביטול של האנרגיה שלהם.

קדימה ו-Backward Waveשלב

טבע גלי זה הוא מה שנותן את DA התכונות הייחודיות שלו. רוחב הפס של המגבר אינו מוגבל עוד על ידי GBW של מכשיר יחיד. במקום זאת, הוא מוגבל על ידי תדירות חיתוך (Fc) של קווי השידור המלאכותיים עצמם, אשר נקבע על ידי אינדוקנס וערכי קיבול. על ידי עיצוב, קווים אלה יכולים לתמוך תדרים מ DC עד לטווח הגלים.

זו גם הסיבה לכך ש- DAS מספק תנופה טובה באופן טבעי.התאמת קלט המחפשת את קו השער היא התנגדות בלבד (בדרך כלל 50 הומס) על פני כל פס המעבר, בתנאי שהקו יסתיים כראוי.זה מבטל את הצורך ברשתות מורכבות, אובדן LC LC LC LC המחוייבשות למגרעות צרות קונבנציונליות.

היתרונות העיקריים של אדריכלות מגבר

Bandwidth ולהשיג שטוחות

היתרון העיקרי של המגבר המופץ הוא היכולת שלה לספק רווח שטוח על טווח תדר רחב במיוחד באופן יוצא דופן. בעוד אחד משותף-מקור מאבקים כדי לשמור על רווח מעבר כמה ג'יגההרץ, DA מתוכנן היטב יכול לספק רווח עקבי מלמטה 1 GHz עד יותר מ -100 GHz, בהתאם לטכנולוגיה transistor (GaAs, GaN, InP, או CMOS) הוא תהליך רב-מסלולארי במיוחד עבור מערכות רוחב פסים קצרים מאוד.

בפועל, זה אומר DA MMIC יחיד יכול להחליף שרשראות מגבריות מרובות פס צר, צמצום מורכבות המערכת, גודל ועלויות. לדוגמה, מגבר מבוזר יחיד יכול לכסות את כל 2-18 GHz ספקטרום הנדרש עבור מקלט לוחמה אלקטרונית.

Intrinsic Broadband Impedance Matching

אי-ציות תואם מעל רוחב פס רחב הוא אתגר ידוע בעיצוב RF, נשלט על ידי הגבול Bode-Fano. רשתות התאמות תגובתיות לא פעיל להיות קשה יותר ויותר ליישם כמו עלייה רוחב פס.המגבר המופץ באופן טבעי פותר בעיה זו. כי קלט הוא קו שידור עם מוטציה אופיינית עיצובית (Z0), הוא מציג התאמה 50 מיליון לעולמו החיצוני כולו התפעולי.

יכולת זו של פס רחב מאמת את הסקאלה של שלבים מרובים או שילוב של המגבר למערכת גדולה יותר.זה גם מקטין את הקרע בתגובה לרווח, ומבטיח ביצועים צפויים בטווח התדר.

אות מעולה

במערכות תקשורת מודרניות (5G, Satcom, DOCSIS), לינאריות היא מפרט קריטי.טעות Vector Magnitude (EVM) דרישות עבור 64-QAM ו 256-QAM אותות הם קפדניים.ממממממממממממגבר מציע לינאריות גבוהה כי הכוח האות מחולק במספר מכשירים קטנים יותר.

זה מקטין את הדור של מוצרים תואמים מסודרים (IM3, IM5). התוצאה היא נקודת מבט גבוהה של צו שלישי-דופן (OIP3) ביחס לנקודת הדחיסה P1dB. זה הופך את DAs יעיל מאוד בשרשרת משדר רחב שבו לינאריות היא דרישה קפדנית.

עיצוב סקלאפיליות ומודולריות

מנקודת מבט עיצוב, DA הוא מאוד מודולרי.אם מהנדס צריך 20 dB של רווח במקום 15 dB, הם יכולים פשוט להוסיף שלב אחר למבנה, בתנאי שתדירות חיתוך קו השידור נשמר.

הוספת שלבים מגבירה את ההחזקה הכוללת (Gm total) של המגבר, אשר מגדילה ישירות את הרווח (S21), כי הכניעה הטפילטית של המכשיר החדש נספג לתוך מבנה קו השידור הקיים, רוחב הפס נשאר ללא שינוי במידה רבה. זה גם חל על כוח התפוקה. על ידי בחירת מכשירים גדולים יותר או שלבים נוספים, DA יכול לספק גבוה יותר P1B ו- Pb ללא קביעות רוחב פס.

ניהול עליון Thermal Management

מגברי כוח גבוהים מייצרים חום משמעותי.בטרטור גדול אחד, חום זה מרוכז באזור קטן, המוביל לטמפרטורות ערוץ גבוהות (Tch) וצמצם את זמן ממוצע לכישלון (MTTF) במגבר מבוזר, דור החום מתפשט על פני מכשירים נפרדים מרחביים רבים.

הפצה זו של העומס התרמי מורידה את טמפרטורת הצומת העליונה, משפרת את האמינות.זהו יתרון ספציפי עבור GaN-on-SiC DAs, שבו תותבות כוח יכולות לעלות על 10 W/mm. על ידי הפצת החום, DA יכול להתמודד עם כוח תפוקה גבוה יותר מאשר מכשיר גדול אחד על אותו אזור השבבים, המאפשר ממשקים תרמיים פשוטים וביצועים מערכתיים חזקים יותר.

דרישות מפתח של מגבר

תקשורת פס רחב ורשת אופטית

כניסתו של רדיו חדש 5G (NR) ו- 6G מחקר דחף דרישות רוחב פס גבוה יותר.מממממממממממממממונים בשימוש בשלבים של מגברי כוח מ"מ ו- 6G לתחנות בסיס הפועלים ב- n257, n258 ו- n259 להקות.אולי היישום התובעני ביותר הוא ב- coherent אופטיקטיביים של 400G או מודטור אופטי חייב לספק מתחמינלי גבוה יותר מ- 70p.

מערכות לוחמה אלקטרונית ו- Radar Systems

מערכות המיועדות לספקטרום הדומיננטיות דורשות מקלטים ומדרדרים שיכולים לכסות רוחב פס רחב מאוד באופן מיידי.מערכת לוחמה אלקטרונית אחת (EW) אחת עשויה לפעול בין 2 GHz ל-40 GHz.מגברים מחוסנים מחוסנים בשימוש במול הקדמי לנאס"א ובבי הנהג של מערכות אלה מכיוון שהן יכולות לספק רווח שטוח ונתון רעש נמוך (עם עיצוב זהה) בטווח הזה.

ב מכ"ם מערך בשלב זה, היכולת לשמור על שלב עקבי ותגובה אמפולנית בכל תדירות חיונית לדיוק beamforming.התאמת רחבה של DA ולבינאריות שלב הופכות אותו לבחירה מועדפת לליבת ה-T/R.

בדיקות מהירות ואימונים

בתוך מכשירים ברמת מעבדה, כגון oscilloscopes בזמן אמת עם שיעורי דגימה מעל 100 GS /s, את קו אות הקדמי מבוצע לעתים קרובות על ידי מגבר מבוזר.ה DA מספק את רוחב הפס הדרוש כדי ללכוד תוכן אות גבוה ללא מעוות גלפור. בדומה, מנתח רשת ו מנתחים (VNAs) ו מנתחים מסתמכים על DAs לספק רווחים רחבים במקלטים שלהם, באופן מאוד מבטיח את התדירות גבוהה.

  • (ב) ⁇ :0 (Oscilloscopes:FLT:1 Keysight and Tektronix) משתמשים ב- DA כדי להתנצלות במוצרים שלהם.
  • (FLT:0)Fiber Optic Sensing: DTS / DAS לספק את הטווח הדינמי הגבוה הדרוש לטמפרטורה מבוזרת ארוכה ונפיחות זנים (DTS / DAS).
  • (FLT:0) מנוע ראדר: 1FLT:1, 77 GHz CMOS DAs משמשים עבור חיישני בקרת שיוט לטווח ארוך.

תכנון מסחר-offs ושיקולים

DC Power Contion and Efficiency

מצב ההטיה הסטנדרטי עבור מגבר מבוזר הוא עמוק בכיתה א ', שבו כל המכשירים תמיד לבצע.זה תוצאות הליניאריות גבוהה אבל כוח נמוך מתורבת (PAE), לעתים קרובות החל מ 10% עד 25% בהתאם רוחב הפס.עבור מכשירים ניידים מופעלים סוללות, זה יכול להיות גורם מגביל. מעצבי משתמשים לעתים קרובות לא אחיד DAs (NDAs) או אופטימיזציה ליעילות, אבל לא יכול להיות מתאם אחיד של תדרים או DAH.

המונחים:

אחד החסרונות ההיסטוריים של הטופולוגיה DA הוא מספר הרעש הגבוה ביותר שלו (NF) בהשוואה למגבר חד-שלבי (LNA) הרעש ותרם על ידי מכשירים פעילים מרובים, ובמיוחד, סיום שער האובדן.עם זאת, טכניקות מודרניות הפחיתו את זה. Push-pull DAs, רעש-cance DAs, והשימוש של שידור נמוך מאוד יכול להביא כמה קווי רוחב פס ייעודיים.

קבוצת עיכוב ו- שלב Distortion

עבור יישומים הדופק ודיגיטליים, שמירה על עיכוב קבוצתי קבוע (תגובה שלב לינארי) חיוני למזער עיוות הדופק והתערבות בין-סימבול (ISI) מבנה קו השידור המלאכותי של DA הוא אמצעי פיזור.אם השער וקווי ניקוז אינם מתאימים באופן מושלם במהירות שלב, עיכוב קבוצתי משמעותי יכול להתרחש. a פריסה קפדנית ומודל זהירה של המבנה מבוזר נדרשים כדי להבטיח את העיכוב קבוצתי הוא מקובל בתוך גבולות.

אפשרויות ל-Stability and Odd-Mode Oscillations

מכיוון שהדו הוא מעגל רב-טרנסטורי עם משוב מבוזר, זה יכול להיות נוטה לתנודות מוזרות או חסימת oscillations חסום נמוך. ניתוח יכולת עבור DA מורכב יותר מאשר עבור מגבר חד-שלב יחיד. מעצבים חייבים להשתמש סימטריה נוקשה כדי לדכא צבירה מוזר ולפעמים להוסיף מתנגדים דקירה על הסף על הקו.

השוואת משתנים מגבר

אחידות לעומת non-Uniform Distributed Amplifiers

במדי תקן DA, כל תא רווח זהה.זה מספק רוחב פס טוב ופשטות, אבל יעילות וכוח הפלט הם תת-אופטימי.בממד לא-Uniform Distributed Amplifier (NDA), קו הניקוז מוקרן.המכשירים קרובים יותר לפלט הם גדולים יותר, טיפול יותר של תנופה הכוח, בעוד מכשירים ליד הקלט הם קטנים יותר, שמירה על ספיגה נמוכה ורווח גבוה.

Cascode לעומת Common Source Get Cells

הבחירה של טופולוגיה התאית יש השפעה משמעותית על הביצועים.א. פשוט משותף (CS) תא מציע לינאריות טובה אבל סובל מהאפקט מילר (Cgd) תא קלקוד (מקור קוד + שער משותף) מספק רווח גבוה יותר, בידוד הפוך טוב יותר (S12), וצמצום קיבול מילר.זה מאפשר הפעלה מוגברת ושיפור יציבות.

אדריכלות חד-פעמית

ככל שרמות האינטגרציה עולות, מגבר מבוזרות באופן מלא הפכו פופולריות.הם מציעים דחייה מצוינת של רעש משותף-מודד ואפילו סדר הרמוניות, אשר אידיאלי לנהיגה במהירות גבוהה ADCs ומודולטורים לדחוף-pull.המסחר הוא כי דיוני דום שונים דורשים פעמיים את אזור השבב וצריכת חשמל של עיצוב חד-פעמי.

מסקנה: עתיד השפע

הארכיטקטורה המפיצה של מגבר נשאר אחד הפתרונות היעילים ביותר עבור מעבר לגבולות הרווח-פסוויים של עיצוב מעגלים גבוה.היכולת שלו לספק רווח שטוח, תנופה מעולה, ולינאריות גבוהה על פני רוחב פס רב-קוטב הופך אותו הכרחי לתקשורת מתקדמת, לוחמה אלקטרונית, וכלי בדיקה.

חידושים מתקדמים במוליכים למחצה מורכבים (GaN, InP) וטכנולוגיות מבוססות סיליקון (CMOS SOI, SiGe BiCMOS) ממשיכים לדחוף את התדרים התפעוליים של DAs לתוך טווח terahertz. בעוד הטופולוגיה כוללת עצירות מסחר בצריכת חשמל ונתון רעש, יכולות רוחב הפס הבלתי-מות שלה מבטיחות שלה רלוונטיות לעתיד הנראה לעין.

(ב) [ה] לקראת ה', [ה], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]