Los amplificadores distribuidos son diseños de circuitos que incorporan la teoría de la línea de transmisión en el diseño de amplificadores tradicionales para obtener un producto de ganancia-ancho de banda mayor que el que pueden lograr los circuitos convencionales .
El diseño de los amplificadores distribuidos fue formulado por primera vez por William S. Percival en 1936. [1] En ese año, Percival propuso un diseño mediante el cual las transconductancias de los tubos de vacío individuales podían agregarse linealmente sin agrupar las capacitancias de sus elementos en la entrada y la salida. llegando así a un circuito que lograba un producto ganancia-ancho de banda mayor que el de un tubo individual. Sin embargo, el diseño de Percival no obtuvo una amplia conciencia hasta que Ginzton , Hewlett , Jasberg y Noe escribieron una publicación sobre el tema en 1948. [2] Es hasta este artículo posterior donde se puede rastrear el término amplificador distribuido . Tradicionalmente, las arquitecturas de diseño DA se realizaban utilizando tecnología de tubos de vacío .
Más recientemente, se han utilizado tecnologías de semiconductores III-V , como GaAs [3] [4] [5] e InP. [6] [7] Estos tienen un rendimiento superior como resultado de bandas prohibidas más altas (mayor movilidad de electrones), mayor velocidad de electrones saturados , voltajes de ruptura más altos y sustratos de mayor resistividad . Esto último contribuye en gran medida a la disponibilidad de dispositivos pasivos integrados con factor de calidad superior ( factor Q o simplemente Q) en las tecnologías de semiconductores III-V.
Para satisfacer las demandas del mercado en cuanto a costo, tamaño y consumo de energía de los circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC), continúa la investigación en el desarrollo de procesos CMOS digitales convencionales para tales fines. El escalado continuo de los tamaños de las características en las tecnologías IC actuales ha permitido que los circuitos CMOS de microondas y de onda mm se beneficien directamente del aumento de frecuencias de ganancia unitaria resultantes de la tecnología escalada. Este escalado del dispositivo, junto con el control de proceso avanzado disponible en las tecnologías actuales, ha permitido recientemente alcanzar una frecuencia de transición (f t ) de 170 GHz y una frecuencia máxima de oscilación (fmax) de 240 GHz en un proceso CMOS de 90 nm. [8]
El funcionamiento del DA quizás pueda entenderse más fácilmente si se explica en términos del amplificador de válvulas de onda viajera (TWTA). El DA consta de un par de líneas de transmisión con impedancias características de Z 0 que conectan de forma independiente las entradas y salidas de varios dispositivos activos . De este modo se suministra una señal de RF al tramo de línea de transmisión conectado a la entrada del primer dispositivo. A medida que la señal de entrada se propaga por la línea de entrada, los dispositivos individuales responden al paso de entrada que viaja hacia adelante induciendo una onda viajera hacia adelante complementaria amplificada en la línea de salida. Esto supone que los retrasos de las líneas de entrada y salida se igualan mediante la selección de constantes de propagación y longitudes de las dos líneas y, como tal, las señales de salida de cada dispositivo individual se suman en fase . Las resistencias terminales Z g y Z d están colocadas para minimizar los reflejos destructivos .
La ganancia transconductora de cada dispositivo es g m y la impedancia de salida vista por cada transistor es la mitad de la impedancia característica de la línea de transmisión. De modo que la ganancia de voltaje total del DA es:
Despreciando las pérdidas, la ganancia demuestra una dependencia lineal del número de dispositivos (etapas). A diferencia de la naturaleza multiplicativa de una cascada de amplificadores convencionales , el DA demuestra una cualidad aditiva. Es esta propiedad sinérgica de la arquitectura DA la que le permite proporcionar ganancia en frecuencias más allá de la frecuencia de ganancia unitaria de las etapas individuales. En la práctica, el número de etapas está limitado por la disminución de la señal de entrada resultante de la atenuación en la línea de entrada. A continuación se analizan los medios para determinar el número óptimo de etapas. El ancho de banda suele estar limitado por desajustes de impedancia provocados por parásitos del dispositivo que dependen de la frecuencia .
La arquitectura DA introduce un retraso para lograr sus características de ganancia de banda ancha . Este retraso es una característica deseada en el diseño de otro sistema distributivo llamado oscilador distribuido.
Las líneas de retardo están hechas de elementos agrupados de L y C. La L parásita y la C de los transistores se utilizan para esto y generalmente se agrega algo de L para aumentar la impedancia de la línea . Debido al efecto Miller en el amplificador fuente común, la línea de transmisión de entrada y salida están acopladas. Por ejemplo, para invertir voltaje y amplificar corriente, la entrada y la salida forman una línea balanceada blindada . La corriente aumenta en la línea de transmisión de salida con cada transistor subsiguiente y, por lo tanto, se agrega cada vez menos L para mantener constante el voltaje y se agrega cada vez más C para mantener constante la velocidad. Esta C puede provenir de parásitos de una segunda etapa. Estas líneas de retardo no tienen una dispersión plana cerca de su corte, por lo que es importante utilizar la misma periodicidad LC en la entrada y la salida. Si se insertan líneas de transmisión, la entrada y la salida se dispersarán entre sí.
Para un amplificador distribuido, la entrada se alimenta en serie a los amplificadores y sale en paralelo de ellos. Para evitar pérdidas en la entrada, no se permite que se filtre ninguna señal de entrada. Esto se evita utilizando una entrada y salida balanceadas también conocidas como amplificador push-pull . Entonces se cancelan todas las señales que se escapan a través de las capacidades parásitas. La salida se combina en una línea de retardo con impedancia decreciente. Para el funcionamiento en banda estrecha, son posibles otros métodos de adaptación de fases, que evitan alimentar la señal a través de múltiples bobinas y condensadores. Esto puede resultar útil para amplificadores de potencia.
Los amplificadores individuales pueden ser de cualquier clase. Puede haber cierta sinergia entre los amplificadores distribuidos de clase E/F y algunos métodos de adaptación de fases. Al final solo se utiliza la frecuencia fundamental, por lo que esta es la única frecuencia que viaja a través de la versión de línea de retardo.
Debido al efecto Miller, un transistor de fuente común actúa como un condensador (no inversor) a altas frecuencias y tiene una transconductancia inversora a bajas frecuencias. El canal del transistor tiene tres dimensiones. Una dimensión, el ancho, se elige en función de la corriente necesaria. El problema es que la capacitancia parásita de un solo transistor y la ganancia de ambos escalan linealmente con el ancho. Para el amplificador distribuido, la capacitancia (es decir, el ancho) del transistor único se elige en función de la frecuencia más alta y el ancho necesario para la corriente se divide entre todos los transistores.
Tenga en cuenta que esas resistencias de terminación generalmente no se usan en CMOS, pero las pérdidas debidas a ellas son pequeñas en aplicaciones típicas. De todos modos, en los amplificadores de potencia de estado sólido a menudo se utilizan varios transistores discretos por razones de potencia. Si todos los transistores se activan de forma sincronizada, se necesita una potencia de activación de puerta muy alta. Para frecuencias en las que se encuentran disponibles bobinas pequeñas y eficientes, los amplificadores distribuidos son más eficientes.
El voltaje puede amplificarse mediante un transistor de puerta común, que no muestra efecto Miller ni corte de frecuencia de ganancia unitaria. Agregar esto produce la configuración cascode . La configuración de puerta común es incompatible con CMOS; Agrega una resistencia, lo que significa pérdida, y es más adecuado para aplicaciones de banda ancha que para aplicaciones de alta eficiencia.