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Amplificatori lineari

Laurea Specialistica In Elettronica - Indirizzo WirelessCorso di Elettronica delle Microonde

2Laurea Specialistica in Elettronica – Indirizzo Wireless – Elettronica delle Microonde

Classi di amplificatori lineari RF e microonde

• Complessita’: singolo stadio ↔ multistadio• Anello aperto ↔ reazionati (serie o parallelo)• Banda stretta ↔ larga ↔ larghissima• Massimo guadagno ↔ basso rumore (LNA)• Con reti di adattamento resistive (LMA) ↔ reattive

(RMA)• Integrati ↔ ibridi• Strutture particolari nel campo delle microonde:

– amplificatore bilanciato– amplificatore distribuito


Progetto di amplificatori lineari a massimo guadagno - banda stretta

• Il flusso del progetto a banda stretta (< 10% f0) si può sintetizzare in punti

– Scelta del dispositivo attivo in base alla frequenza e al guadagno richiesti

– Determinazione del punto di funzionamento statico ottimo– Progetto delle reti di polarizzazione– Progetto delle reti di stabilizzazione (se necessario)– Valutazione dei carichi ottimi per ottenere il massimo guadagno– Progetto delle reti di adattamento– Generazione del layout

• Si puo’ estendere a larga banda? fino ad un certo punto (vedi dopo)


Scelta del punto di funzionamento a riposo


Reti di polarizzazione

• Nei circuiti a RF e microonde le reti di polarizzazione devonoessere progettate in modo da garantire il disaccoppiamentocon il circuito RF:

– Il circuito RF non deve essere caricato dalla rete di polarizzazione (di impedenza di ingresso non controllabile a RF)

– La rete di polarizzazione non deve essere caricata dal circuito RF (questo porterebbe come minimo a dissipazione di potenza nel circuitoRF)

• E’ quindi necessario collegare l’alimentazione attraversocircuiti opportuni, detti T di alimentazione o Bias Tee (Bias T).


Stadio amplificatore con Bias T


Bias T concentrato

• E’ un tripolo con due ingressi (RF IN, DC IN) e un’uscita (RF+DC OUT).

• Per il segnale RF la porta di uscita èin corto, la porta DC un circuitoaperto.

• Per la componente DC la porta di uscita è in corto, la porta RF un circuito aperto.

• Il bias T è a larga banda per ilsegnale RF comportamentopassabasso per RF

• L’implementazione richiede valorimolto elevati dei componenti(centinaia di pF e nH)


Bias T distribuito

• Per sistemi a banda stretta, soprattutto in forma ibrida, èpossibile sostituire l’induttore di blocco con un sistemadistribuito linea+stub

• Le lunghezze indicate sono a centro banda

• Il bias T distribuito èintrinsecamente a banda stretta(risonante)


Bias T integrati per MMIC

• La soluzione preferita nei circuitiintegrati a microonde (almeno fino a 30 GHz circa) è quella concentrataingombro e larghezza di banda

• Limitazione: difficile realizzareinduttori concentrati di valore elevatoe larga banda e condensatori MIM oltre 100 pF

• Spesso è necessario utilizzarecondensatori in chip esterni e induttori esterni elevati valoririchiesti a L e C.

VDD

C

L

C


Bias T a larga banda discreti

• Wideband bias T sono disponibili in forma discreta fino a oltre 40 GHz (per esempio per strumentazione) e connessioni coassiali, ma sono ingombranti e costosi


Problemi di stabilizzazione

• I dispositivi attivi per microonde presentamo guadagno decrescente in frequenza > sono potenzialmente instabili a bassa frequenza

• E’ necessario evitare oscillazioni per tutte le frequenze• Per frequenze tra la continua e le frequenze di progetto è

necessario stabilizzare il dispositivo fino a renderlo incondizionatamente stabile

– non sono noti i carichi fuori banda• In banda (se necessario) si può

– scegliere i carichi nella zona stabile (cfr. cerchi di stabilità) – stabilizzare in modo incondizionato (necessario se l’amplif. può essere

acceso con carichi non noti : es. in aperto; se si vuole realizzare Gmax)• Per frequenze superiori di solito non ho problemi


Stabilizzazione dei dispositivi attivi

• Può essere effettuata attraverso reti dissipative all’ingresso, uscita o in reazione è comunque indispensabile a bassa frequenza dove il dispositivoè sempre instabile (se non internamente stabilizzato).

• Spesso è possibile integrare la rete di stabilizzazione in quella di alimentazione.

Soluzione sfavorevole se il progetto è ad anello aperto


Stabilizzazione in e fuori banda

• A causa del diverso grado di instabilità del dispositivo al crescere di f le retidi stabilizzazione devono essere bloccate in parte o completamente ad altafrequenza tipicamente per il progetto CAD delle reti di stabilizzazione sirichiede K poco maggiore di 1 in banda e molto maggiore di 1 a bassafrequenza

Le resistenze sono componenti rumorosi:

non inserirle in ingresso nei circuiti a basso rumore


Progetto CAD delle reti di stabilizzazione

• E’ in genere preferibile realizzare le reti passa basso con gruppi RC piuttosto che con gruppi RL (minore ingombro)

• Con programmi CAD si può ottimizzare la posizione della frequenza di taglio in modo da non perturbare il guadagno in banda

• Se la rete non è ben progettata si deteriora lo S21 e di conseguenza diminuiscono tutti i guadagni in banda.

• Il progetto della rete di stabilizzazione in reazione deve esserecondotto insieme al progetto della rete di reazione

– > amplificatori ad anello chiuso


Reti di adattamento

• Servono a trasformare l’impedenza di generatore o di carico (esempio 50 Ω) nella impedenza ottima (di sorgente o carico) del dispositivo

• adattamento reattivo senza perdite (RMA) a banda stretta• adattamento resistivo con perdite (LMA), piu’ a larga banda, ma rumoroso


Reti di adattamento reattive: progetto

• Si possono realizzare a parametri concentrati o a parametri distribuiti


Reti di adattamento reattive a parametri concentrati


Reti di adattamento reattive a parametri distribuiti: linea + stub

Si possono scegliere le impedenze caratteristiche delle linee e progettare solo le lunghezze della linea dello stub

lo stub deve compensare la parte immaginaria

( ) ( )in tan∞= βZ z jZ z ( ) ( )in cot∞= − βZ z jZ zStub in corto Stub in aperto


• L’adattamento a parametri concentrati o a linea+stub è a singolafrequenza

• Non è possibile realizzare un adattamento energetico a banda larga di una rete RC serie/parallelo (limite di Fano)

– Anche se realizzassi un adattamento energetico su una banda limitata, otterrei un guadagno pari a Gmax > dipendente dalla frequenza

• Il progetto a larga banda deve essere un compromesso tra adattamento e equalizzazione del guadagno

– Nel range di frequenze più basso avrò più riflessione (in ingresso) e un guadagno inferiore a Gmax

– E’ quindi impossibile adattare con elementi reattivi ed avere contempo-raneamente guadagno piatto, possibile invece con elementi resistivi

Amplificatori a larga banda


Amplificatori ad anello aperto a larga banda

Progetto CAD consente equalizzazione + adattamento in ingresso


Amplificatori a larga banda reazionati

• La reazione può essere usata per ottenere un guadagno voluto in una banda che si estende fino alla “continua” e l’adattamento

• Per ottenere un guadagno dell’amplificazione reazionato abbastanza alto e in una banda non limitata, è necessario che ildispositivo abbia una S21 elevato

– limite della applicabilità della reazione nel campo delle microonde• Nel progetto si considera dapprima i dispositivo nel limite a bassa

frequenza e si introducono elementi resistivi di reazione che realizzino il guadagno voluto

• Mediante elementi reattivi in reazione si cerca infine di rendere il guadagno costante fino a frequenze elevate (compensazione del polo di S21 attraverso “inductive peaking”).


RDS

Progetto di amplificatore reazionato RF

La resistenza in reazione serie R1 è necessaria solo per adattare

La resistenza RDS diviene piccola seper aumentare gm si aumenta

la periferia del dispositivo!

Reazione con DC block e induttanza

R2 stabilizza anche il dispositivo in banda


Analisi dell’amplificatore reazionato ideale a bassa frequenza

• Analisi (trascuro resistenza di uscita):

• E’ possibile ottenere contemporaneamente adattamento in ingresso e in uscita alla resistenza di normalizzazione!


11 2220 0

1 122 0 2

0 221

0

01

m

S SR RR SR g R R

R RSR

= =

= − ⇒ =+−

=

Condizione di adattamento e guadagno minimo ad anello aperto

• Si ha:

• La resistenza di reazione parallelo si ricava dal guadagno voluto a bassa frequenza:

( )2 0 211 (0)fR R S= +

• Per potere realizzare la reazione e’ necessaria una transconduttanza minima (corrisponde ad annullare la reazione serie):

• Questo implica un vincolo sul guadagno minimo ad anello aperto:

• apparentemente la transconduttanza si puo’ aumentare riscalando, ma anche la RDS diminuisce….

22 0/mg R R≥

( )21 212 1 (0)fS S≥ +


Parametri S con-senza reazione


Amplificatore bilanciato

• Schema circuitale che consente adattamento energetico in-out nella banda degli accoppiatori (circa 1 ottava) e guadagno piatto pari a |S21|. Può anche essere usato per combinare la potenza.


Ampilificatore bilanciato: adattamento

10 02 2

10 02 2

1 0 02 2

1 0 02 2

−⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥

−⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥=−⎢ ⎥

⎢ ⎥⎢ ⎥

−⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

j

j

j

j

S

1 3 4 3 4

3 1 2

4 1 2

1 02 2 2 2

( 0 )2

1 ( 0 )2

Γ Γ−= + = − + =

−= =

= =

L Ljb a a j b b

jb a a

b a a

La porta 1 è adattata sei due dispositivi sono identici

in tutta la banda dell’accoppiatore

ZL

ZLZL


Ampilificatore bilanciato: adattamento

Alla porta di ingresso i due dispositivi vedono

la resistenza di normalizzazione

Per simmetria lo stessoavviene alla porta di uscita

Il dispositivo è descritto mediante i parametri scattering

R0

R0


Ampilificatore bilanciato: funzionamento

- - --

Amplificazione |S21|


Ampilificatore bilanciato: limiti

• L’amplificatore bilanciato funziona correttamente solo

– se i due dispositivi sono identici

– a banda non larghissima

• Ulteriori reti di adattamento posso-no bilanciare le non idealità


Amplificatore bilanciato con accoppiatori branch line


Amplificatori a banda larghissima: l’amplificatore distribuito (DAMP)

• Il prodotto banda-guadagno di un transistore e’ circa uguale alla frequenza di taglio:

• Nessuna manipolazione circuitale (parallelo, serie, cascata…) puo’ alterare il prodotto banda-guadagno

• Per superare la limitazione e’ possibile pero’ ricorrere ad una struttura distribuita: l’amplificatore distribuito

• Idealmente, la banda e’ infinita; in pratica limitata da dissincronismo e perdite; si realizzano amplificatori con guadagno basso (~10 dB) con bande e.g. 100 KHz - 60 GHz

3dB bandwidthLow-frequency gain


L’amplificatore distribuito a celle discrete


L’amplificatore distribuito continuo


Caratteristiche delle linee di gate e drain

• In generale dispersive, esiste pero’ un campo di frequenze in cui il comportamento e’ del tipo “linea ad alta frequenza con perdite”:


Risposta in frequenza

• La risposta in frequenza dell’amplificatore distribuito e’ tipo sinc:

• Se le perdite sono trascurabili, si ottiene banda infinita se le linee di gate e di drain sono sincrone:


…in pratica

• In realta’ la risposta in frequenza e’ limitata dalla dispersione delle linee, dal dissincronismo, e dalle perdite; esiste una lunghezza ottima:

• Inoltre un amplificatore distribuito continuo non puo’ essere realizzato perche’ il sincronismo e’ difficile da ottenere e le perdite sono elevate

• L’amplificatore a celle discrete consente di ottenere piu’ facilmente il sincronismo mediante elementi concentrati e/o linee di ritardo; la banda e’ comunque limitata dalle perdite e dalla banda delle linee di ritardo.


Amplificatore a celle discrete


Analisi dell’amplificatore a celle discrete

• La risposta in frequenza e’ sempre di tipo sinc, ma la banda non e’ piu’ infinita; si ha approx:

PBG (fT) di n celle ~ n × PBG (fT) di una cella• Il numero di celle ottimo dipende dalle perdite ed e’

tipicamente limitato a 10-15 al massimo:

AD e AG sono le attenuazioni totali delle linee di gate e di drain.


Esempio di amplificatore distribuito


Amplificatore distribuito non uniforme


Esempio di DAMP cascode - I

•PHEMT InGaAs/GaAs Fujitsu •40 Gbps, 6 Vpp


Esempio di DAMP cascode - II


Amplificatore a basso rumore con reazione induttiva

• Spesso se si imponde nel progetto la impedenza di generatore ottima il guadagno associato è troppo basso

• Si preferisce operare un compromesso tra guadagno e rumore • Si cerca di avvicinarsi alla condizione di adattamento in ingresso senza

introdurre ‘troppo’ rumore, questo si puo’ ottenere con una reazione reattiva • Esempio: amplificatore con reazione induttiva al source del dispositivo


Calcolo di LS

adattamento energetico in ingresso


Cifra di rumore ottima (non minima!)

• Si dimostra che la cifra di rumore e’ (modello PRC):

• ove:

• Si puo’ cercare un ottimo rispetto al fattore di qualita’, si ha:

>


Procedura di progetto

• Data una certa tecnologia con fT assegnata, LS si ricava dalla condizione di adattamento

• LG si ricava dalla condizione di ottimo del fattore di merito• CGS si impone ancora dalla condizione di fattore di merito

ottimo riscalando opportunamente il dispositivo attivo (operazione che non cambia la frequenza di taglio)

• Si noti che se il rumore di gate e’ poco importante rispetto a quello di drain il fattore di merito ottimo assumo valori piuttosto elevati e di conseguenza la capacita’ valori bassi, questo equivale ad una ottimizzazione rispetto alla dimensione del dispositivo e alla dissipazione →LNA “low power”


Confronto con il progetto a minima cifra di rumore

• La cifra di rumore ottima e’ sempre maggiore di quella minima con adattamento di rumore all’ingresso (notare che la cifra di rumore minima non dipende dall’introduzione dell’induttanza); in pratica la perdita di cifra di rumore e’ modesta e in molte applicazioni poco importante

• Il guadagno ottenuto nel progetto a cifra di rumore minima (non ottima) e’ spesso considerevolmente superiore a quello del progetto tradizionale a cifra di rumore minima.

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