Los amplificadores distribuidos son diseños de circuitos que incorporan la teoría de líneas de transmisión en el diseño de amplificadores tradicionales para obtener un producto de ancho de banda de ganancia mayor que el que se puede lograr con 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 por el cual las transconductancias de los tubos de vacío individuales se podían sumar linealmente sin agrupar sus capacitancias de elemento en la entrada y la salida, llegando así a un circuito que lograba un producto de ancho de banda de ganancia mayor que el de un tubo individual. Sin embargo, el diseño de Percival no ganó una amplia difusión hasta que Ginzton , Hewlett , Jasberg y Noe escribieron una publicación sobre el tema en 1948. [2] Es a este artículo posterior al que realmente 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] Estas tienen un rendimiento superior como resultado de mayores brechas de banda (mayor movilidad de electrones), mayor velocidad de electrones saturados , mayores voltajes de ruptura y sustratos de mayor resistividad . Esto último contribuye mucho a la disponibilidad de dispositivos pasivos integrados con mayor factor de calidad ( 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 de microondas monolíticos (MMIC), se continúa investigando en el desarrollo de procesos CMOS masivos digitales convencionales para tales fines. El escalamiento continuo de los tamaños de las características en las tecnologías de circuitos integrados actuales ha permitido que los circuitos CMOS de microondas y de ondas milimétricas se beneficien directamente de las frecuencias de ganancia unitaria incrementadas resultantes de la tecnología escalada. Este escalamiento del dispositivo, junto con el control de proceso avanzado disponible en las tecnologías actuales, ha hecho posible recientemente alcanzar una frecuencia de transición (f t ) de 170 GHz y una frecuencia de oscilación máxima (fmax) de 240 GHz en un proceso CMOS de 90 nm. [8]
El funcionamiento del DA puede entenderse quizás más fácilmente si se explica en términos del amplificador de tubo de onda viajera (TWTA). El DA consta de un par de líneas de transmisión con impedancias características de Z 0 que conectan independientemente las entradas y salidas de varios dispositivos activos . De este modo, se suministra una señal de RF a la sección de la línea de transmisión conectada 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 de terminación Z g y Z d se colocan para minimizar las reflexiones destructivas .
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:
Si se ignoran 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 del DA la que le permite proporcionar ganancia a frecuencias más allá de la frecuencia de ganancia unitaria de las etapas individuales. En la práctica, el número de etapas está limitado por la señal de entrada decreciente 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 los desajustes de impedancia provocados por parásitos de dispositivos dependientes de la frecuencia .
La arquitectura DA introduce un retardo para lograr sus características de ganancia de banda ancha . Este retardo 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. Para esto se utilizan los elementos parásitos L y C de los transistores y, por lo general, se agrega algo de L para aumentar la impedancia de la línea . Debido al efecto Miller en el amplificador de fuente común, la línea de transmisión de entrada y salida están acopladas. Por ejemplo, para invertir el voltaje y amplificar la corriente, la entrada y la salida forman una línea balanceada protegida . La corriente aumenta en la línea de transmisión de salida con cada transistor posterior y, por lo tanto, se agrega cada vez menos L para mantener el voltaje constante y cada vez más C adicional para mantener la velocidad constante. Este C puede provenir de los elementos parásitos de una segunda etapa. Estas líneas de retardo no tienen una dispersión plana cerca de su corte, por lo que es importante usar la misma periodicidad LC en la entrada y la salida. Si se insertan líneas de transmisión, la entrada y la salida se dispersarán una de la otra.
En un amplificador distribuido, la entrada se alimenta en serie a los amplificadores y en paralelo a ellos. Para evitar pérdidas en la entrada, no se permite que se filtre ninguna señal de entrada. Esto se evita utilizando una entrada y una salida balanceadas, también conocidas como amplificadores push-pull . De este modo, todas las señales que se filtran a través de las capacitancias parásitas se cancelan. 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 fase, que evitan la alimentación de la señal a través de múltiples bobinas y condensadores. Esto puede resultar útil para los 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 fase. 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 capacitor (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 dependiendo de la corriente necesaria. El problema es que para un solo transistor, la capacitancia parásita y la ganancia se escalan linealmente con el ancho. Para el amplificador distribuido, la capacitancia, es decir, el ancho, del transistor individual 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 estas resistencias de terminación no suelen utilizarse en CMOS, pero las pérdidas debidas a ellas son pequeñas en aplicaciones típicas. 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 compuerta muy alta. Para frecuencias en las que se dispone de bobinas pequeñas y eficientes, los amplificadores distribuidos son más eficientes.
El voltaje se puede amplificar mediante un transistor de compuerta común, que no muestra efecto Miller ni corte de frecuencia de ganancia unitaria. Al agregar esto se obtiene la configuración en cascada . La configuración de compuerta común es incompatible con CMOS; agrega una resistencia, lo que significa pérdida, y es más adecuada para aplicaciones de banda ancha que para aplicaciones de alta eficiencia.