Преимущества использования распределенных архитектур усилителей в высокочастотных схемах

Введение: почему распределенные архитектуры имеют значение в высокочастотном дизайне

По мере того, как частоты сигналов вталкиваются в миллиметровый (ммВолна) и субтерагерцовый спектр, традиционные топологии усилителей сталкиваются со значительными физическими ограничениями. Продукт усиления-ширины полосы (GBW) обычного комковатого усилителя фундаментально привязан к внутренним паразитикам активных устройств. Один транзистор, обеспечивающий 15 дБ усиления, может иметь пропускную способность 3 дБ всего несколько гигагерц. Для преодоления этого барьера инженеры обратились к классической топологии, известной как распределенный усилитель (DA), или усилитель движущейся волны.

Концепция, впервые запатентованная Персивалем в 1936 году, была позже усовершенствована Гинцтоном, Хьюлеттом и Ясбергом в 1948 году. Вместо того, чтобы концентрировать весь прирост в одной стадии, DA объединяет транспроводимость нескольких активных устройств при поглощении их паразитных емкостей в искусственные линии передачи. Этот подход эффективно отделяет прирост от полосы пропускания, позволяя производительность цепи, которая охватывает несколько октав или даже десятилетий. В современных приложениях распределенные усилители встречаются во всем: от оптических драйверов 100 Гбит/с и базовых станций 5G до высокоскоростных осциллографов и помех радиоэлектронной борьбы. В этой статье исследуются конкретные преимущества, которые делают архитектуру DA постоянным стандартом для высокочастотной схемы проектирования.

Распределенный усилитель: Линия искусственной передачи

Для понимания преимуществ распределенного усилителя необходимо сначала понять его работу. DA состоит из набора активных устройств (клеток усиления), обычно полевых транзисторов (FET) или гетеропереходных биполярных транзисторов (HBT), соединенных каскадом индукторов или секций линии передачи высокого давления. Входной сигнал запускается во входную искусственную линию передачи. Эта линия построена из серийных индукторов и ёмкости «от врат к источнику» (Cgs) каждого транзистора. Сигнал проходит по этой линии, последовательно включая каждое устройство.

Выходной ток от каждого устройства собирается выходной искусственной линией передачи, образованной последовательной индуктивностью и емкостью «отток-источник» (Cds). Ключом к широкой полосе пропускания DA является фазовое соотношение между этими двумя линиями. Если фазовая скорость на затворе и дренажных линиях совпадает, токи, движущиеся к выходной нагрузке, добавляются в фазу и конструктивно объединяются. Сигналы, движущиеся назад к входному выводу, выходят из фазы и отменяются, поглощая свою энергию в резисторе терминации дренажной линии.

Вперед и назад волна комбинирование

Такая подвижно-волновая природа придает DA свои уникальные свойства. Полоса пропускания усилителя уже не ограничена ГБВт одного устройства. Вместо этого она ограничена частотой отсечения (Fc) самих искусственных линий передачи, что определяется значениями индуктивности и емкости. По конструкции эти линии могут поддерживать частоты от постоянного тока до миллиметрового диапазона волн.

Это также причина, по которой DA обеспечивают естественно хорошее соответствие импедансу. Входное сопротивление, заглядывающее в линию ворот, является чисто резистивным (обычно 50 Ом) по всей полосе пропускания, при условии, что линия правильно завершена. Это устраняет необходимость в сложных, несоответствующих LC сетях, которые необходимы для обычных узкополосных усилителей.

Основные преимущества распределенных архитектур усилителей

Широкая пропускная способность и получение плоскости

Основным преимуществом распределенного усилителя является его способность обеспечивать плоский коэффициент усиления в исключительно широком диапазоне частот. В то время как один усилитель общего источника изо всех сил пытается поддерживать коэффициент усиления выше нескольких гигагерц, хорошо спроектированный DA может обеспечить последовательный коэффициент усиления от менее 1 ГГц до более 100 ГГц, в зависимости от технологии транзистора (GaAs, GaN, InP или CMOS SOI). Эта многооктавная пропускная способность имеет важное значение для систем, которые должны обрабатывать несколько частотных диапазонов одновременно или обрабатывать чрезвычайно короткие импульсы.

На практике это означает, что один DA MMIC может заменить несколько узкополосных цепочек усилителей, уменьшая сложность системы, размер и стоимость.Например, один распределенный усилитель GaN может покрывать весь спектр 2-18 ГГц, необходимый для приемника радиоэлектронной борьбы.

Внутренняя широкополосная импедансная совместимость

Соответствие импеданса по широкой полосе пропускания является известной проблемой в конструкции RF, управляемой пределом Боде-Фано. Обычные реактивные сети сопоставления становятся все более трудными для реализации по мере увеличения полосы пропускания. Распределенный усилитель естественным образом решает эту проблему. Поскольку вход представляет собой линию передачи с конструктивным характерным импедансом (Z0), он по своей сути представляет соответствие 50 Ом для внешнего мира во всем своем рабочем диапазоне.

Эта возможность согласования широкополосного доступа упрощает каскадирование нескольких стадий усиления или интеграцию усилителя в более крупную систему. Она также уменьшает пульсацию в ответе усиления, обеспечивая предсказуемую производительность в диапазоне частот.

Отличная линейность сигнала

В современных системах связи (5G, SatCom, DOCSIS) линейность является критической спецификацией. Требования к EVM для сигналов 64-QAM и 256-QAM строгие. Распределенные усилители обеспечивают высокую линейность, поскольку мощность сигнала распределяется между несколькими меньшими устройствами. Каждый отдельный транзистор в DA работает с более низким качанием напряжения, чем одно большое устройство, обеспечивающее одинаковую общую выходную мощность.

Это уменьшает генерацию продуктов интермодуляции нечетного порядка (IM3, IM5). Результатом является высокая точка пропускания третьего порядка (OIP3) по отношению к точке сжатия P1dB. Это делает DA очень эффективными в широкополосных сетях передачи, где линейность является строгим требованием.

Масштабируемость и модульность дизайна

С точки зрения дизайна DA является высоко модульным. Если инженеру нужно 20 дБ усиления вместо 15 дБ, он может просто добавить еще один этап в структуру при условии поддержания частоты отсечки линии передачи. Эта масштабируемость является значительным преимуществом в конструкции MMIC, позволяющей повторно использовать блоки компоновки.

Добавление ступеней увеличивает общую транспроводность (Gm total) усилителя, что напрямую увеличивает коэффициент усиления (S21). Поскольку паразитная емкость нового устройства поглощается в существующую структуру линии передачи, полоса пропускания остается в значительной степени неизменной. Эта масштабируемость также применяется к выходной мощности. Выбирая более крупные устройства или более ступеней, DA может доставлять более высокие P1dB и Psat без ущерба для полосы пропускания.

Высший термический менеджмент

Усилители большой мощности вырабатывают значительное тепло. В одном большом транзисторе это тепло концентрируется на небольшой площади, что приводит к высоким температурам канала (Tch) и уменьшению среднего времени отказа (MTTF). В распределенном усилителе генерация тепла распространяется на множество пространственно разделенных устройств.

Такое распределение тепловой нагрузки снижает температуру пикового перехода, повышая надежность. Это является специфическим преимуществом для DA GaN-on-SiC, где плотность мощности может превышать 10 Вт/мм. Распределяя тепло, DA может обрабатывать более высокую общую выходную мощность, чем одно большое устройство на одной и той же площади чипа, что позволяет упростить тепловые интерфейсы и более надежную производительность системы.

Ключевые приложения распределенных усилителей

Широкополосные коммуникации и оптические сети

Появление 5G New Radio (NR) и 6G исследования подтолкнуло требования к пропускной способности выше. Распределенные усилители используются на этапах драйверов усилителей мощности mmWave для базовых станций, работающих в диапазонах n257, n258 и n259. Возможно, наиболее требовательное применение находится в когерентных оптических приемопередатчиках. Драйвер оптических модуляторов 400G или 800G должен обеспечивать высокую линейность и низкую пульсацию групповой задержки по полосам пропускания, превышающим 70 кГц до 70 ГГц. Распределенные усилители InP и SiGe BiCMOS являются доминирующей топологией для этого критического компонента.

Электронные войны и радарные системы

Системы, предназначенные для доминирования спектра, требуют приемников и передатчиков, которые могут мгновенно охватывать чрезвычайно широкие полосы пропускания. Единой системе радиоэлектронной борьбы (РЭБ) может потребоваться работать от 2 ГГц до 40 ГГц. Распределенные усилители используются в фронтальных LNA и этапах драйверов этих систем, поскольку они могут обеспечить плоский коэффициент усиления и низкий уровень шума (с тщательной конструкцией) во всем этом диапазоне.

В радаре с фазированной решеткой способность поддерживать согласованную фазовую и амплитуду отклика по частоте имеет важное значение для точности формирования луча. Врожденное широкополосное согласование DA и фазовая линейность делают его предпочтительным выбором для ядер модуля T/R.

Высокоскоростное испытательное и измерительное оборудование

Внутри лабораторных приборов, таких как осциллографы реального времени со скоростями отбора проб выше 100 ГС/с, фронтальное кондиционирование сигнала часто выполняется распределенным усилителем. DA обеспечивает необходимую полосу пропускания для захвата высокочастотного содержимого сигнала без искажения формы волны. Аналогично, анализаторы векторных сетей (VNA) и анализаторы спектра полагаются на DA для обеспечения широкополосного усиления в своих приемниках, обеспечивая точные измерения в очень широких частотных диапазонах.

Дизайн компромиссы и соображения

Потребление и эффективность электроэнергии DC

Стандартное условие смещения для распределенного усилителя - глубокий класс А, где все устройства всегда проводят. Это приводит к высокой линейности, но низкой эффективности с добавлением мощности (PAE), часто в диапазоне от 10% до 25% в зависимости от пропускной способности. Для портативных устройств с питанием от батареи это может быть ограничивающим фактором. Для повышения эффективности дизайнеры часто используют неоднородные DA (NDA) или методы оптимизации смещения, но DA не может соответствовать эффективности коммутируемого режима или усилителя Доэрти на одной частоте.

Шумовая фигура производительность

Одним из исторических недостатков топологии DA является его более высокий уровень шума (NF) по сравнению с одноступенчатым усилителем с низким уровнем шума (LNA). Шуму способствуют несколько активных устройств и, в частности, резистор с потерей затвора. Однако современные методы смягчили это. Push-pull DA, шумоотталкивающие DA и использование линий передачи с очень низким уровнем потерь могут привести к тому, что NF DA в пределах нескольких дБ выделенной LNA, предлагая гораздо большую пропускную способность.

Группа задержки и фазового искажения

Для импульсных и цифровых приложений поддержание постоянной групповой задержки (линейная фазовая реакция) необходимо для минимизации искажения импульса и интерсимволических помех (ISI). Искусственная структура линии передачи DA является дисперсионной средой. Если врата и дренажные линии не идеально совпадают по фазовой скорости, может произойти значительная рябь задержки группы. Для обеспечения приемлемых пределов требуется строгая симметрия компоновки и тщательное моделирование распределенной структуры.

Колебания стабильности и нечетного режима

Поскольку DA представляет собой многотранзисторную схему с распределенной обратной связью, она может быть склонна к нечетным колебаниям или низкочастотным блокирующим колебаниям. Анализ устойчивости для DA более сложен, чем для одноступенчатого усилителя. Дизайнеры должны использовать строгую симметрию компоновки для подавления нечетного возбуждения и иногда вставлять стабилизирующие резисторы на линию затвора. Передовые показатели стабильности, такие как mu-фактор и K-фактор, должны оцениваться на всех частотах вплоть до устройства fT.

Сравнение распределенных вариантов усилителя

Единообразные и неоднородные распределенные усилители

В стандартном однородном DA каждая ячейка усиления идентична. Это обеспечивает хорошую пропускную способность и простоту, но эффективность и выходная мощность являются субоптимальными. В неоднородном распределенном усилителе (NDA) линия слива сужается. Устройства, расположенные ближе к выходу, больше, обрабатывают больше размаха мощности, в то время как устройства вблизи входа меньше, сохраняя низкую входную емкость и высокий коэффициент усиления. Архитектура NDA значительно улучшает PAE и выходную мощность по сравнению с однородным DA.

Cascode vs. Common Source Gain Cells (общий источник)

Выбор топологии клеток усиления оказывает значительное влияние на производительность. Простая ячейка с общим источником (CS) обеспечивает хорошую линейность, но страдает от эффекта Миллера (Cgd). Ячейка каскодирования (общий источник + общий затвор) обеспечивает более высокий коэффициент усиления, лучшую обратную изоляцию (S12) и снижение емкости Миллера. Это позволяет более высокую частотную работу и улучшенную стабильность. Большинство современных распределенных усилителей MMIC используют ячейки усиления каскодов.

Одноконеченная vs. дифференциальная архитектура

По мере увеличения уровней интеграции стали популярны полностью дифференциальные распределенные усилители. Они предлагают отличный отказ от шума в обычном режиме и гармоник ровного порядка, что идеально подходит для управления высокоскоростными ADC и модуляторами тяги. Сделка заключается в том, что дифференциальные DA требуют вдвое больше площади чипа и энергопотребления одноконтурной конструкции.

Вывод: будущее распределенного усиления

Архитектура распределенного усилителя остается одним из наиболее эффективных решений для преодоления пределов полосы усиления высокочастотной схемы.Его способность обеспечивать плоский коэффициент усиления, отличное соответствие импедансу и высокую линейность по многооктавным полосам пропускания делает его незаменимым для передовых средств связи, радиоэлектронной борьбы и испытательных приборов.

Продолжающиеся инновации в сложных полупроводниках (GaN, InP) и кремниевых технологиях (CMOS SOI, SiGe BiCMOS) продолжают выталкивать рабочие частоты DA в терагерцовый диапазон. В то время как топология включает компромиссы в энергопотреблении и шуме, ее непревзойденные возможности полосы пропускания гарантируют ее актуальность в обозримом будущем. Поскольку системы требуют больше данных и более высокую гибкость спектра, распределенный усилитель будет по-прежнему ключевым строительным блоком в инструментальном наборе инженера радиочастот и микроволновой печи.

Для дальнейшего чтения, сославшись на основополагающие документы по усилению движущейся волны на Microwaves101 и изучить современные приложения в IEEE Microwave Magazine. Отличный обзор коммерческих методов проектирования DA также доступен из Analog Devices.