전자장 Ch12.4 Broadband Amplifier Design 방법들(Balanced, Distributed, Neutralization, Double-peaking, Staggery, Q-factor)

내용

1. Balanced Amplifier

(1) Quadrature Hybrid Coupler

 

(2) Broad band가 되는 원리

 

위 공식을 보면 S11이 ΓA = ΓB이기만 하면 0이됨을 알 수 있다. 일반적으로 Transistor A,B는 대칭적으로 설계되므로 주파수에 상관없이 S11=0임을 알 수있다. 즉, S11이 Wide-band하게 매칭됨을 확인할 수 있다. 그러므로 위 Amp는 wideband하다.

RF/마이크로웨이브 평형 증폭기 및 응용 분야에 대한 실용적인 소개 - Mini-Circuits Blog (minicircuits.com)

 

2. Distributed Amplifier(DA)

*Drive Amplifier(DA)와 혼동 주의

 

(1) MOSFET이 Narrow-band해지는 원인 : Cgs와 같은 parastic cap성분들

위와같은 parastic 성분들을 없애는 방법이 바로 Distributed Amplifier이다.

Capacitor성분들을 마치 TLINE의 Cap성분으로 보는것이다.

(2) 트랜지스터의 stage 갯수 (N)을 결정짓는방법 (정성적분석)

:자세한유도과정은 Pozar교재 참조

 

N이 늘어날수록 Gain은 올라가지만 BW가 감소한다. 그래서 원하는 Nopt를 찾아야한다.

 

(3) 의문점: Bode-fano Criterion과 모순된다

Bode-fano Criterion에 따르면 매칭을 통한 Gain과 BW의 곱은 최댓값을 가진다고한다.

Bodefano 공식의 일부

하지만 Distributed Amplifier에서는 이러한 공식이 적용되지 않는다.

(해당 내용 출처 : Heydari, P. and M. Safiallah (2023). "Evolution of Broadband Amplifier Design: From Single-Stage to Distributed Topology." IEEE Microwave Magazine 24(9): 18-29.)

 

 

(4) Distributed Amplifier의 역사

1948 : Distributed Amplifier는  "A new principle in wide-band amplifier design"에서 진공관을 이용한 Amp에서도 적용되었음을 알 수 있다.

1983 : GaAs FET Distributed Amplifier 분석 및 개발

(J. Beyer et al., “MESFET distributed amplifier design guidelines,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 32, no. 3, pp. 268–275, Mar. 1984, doi: 10.1109/TMTT.1984.1132664.)

1984 : MESFET Distributed Amplifier 분석 및 개발

(C. S. Aitchison, “The intrinsic noise figure of the MESFET distributed amplifier,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 33, no. 6, pp. 460–466, Jun. 1985, doi: 10.1109/TMTT.1985.1133100.)

1999 : CMOS Distributed Amplifier 분석 및 개발

(B. Kleveland et al., “Monolithic CMOS distributed amplifier and oscillator,” in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Tech. Dig. Papers, 1999, pp. 70–71, doi: 10.1109/ISSCC.1999.759106)

2002 : Distributed Oscillator, Distributed Mixer, Distribued Front-ends, Distributed Active Transformers가 개발되기 시작함.

(G. L. G. De Mercey, “A 18GHz rotary traveling wave VCO in CMOS with I/Q outputs,” in Proc. IEEE Eur. Solid-State Circuits Conf., 2003, pp. 489–492, doi: 10.1109/ESSCIRC.2003.1257179.)

(A. Q. Safarian, A. Yazdi, and P. Heydari, “Design and analysis of an ultrawide-band distributed CMOS mixer,” IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst., vol. 13, no. 5, pp. 618–629, May 2005, doi: 10.1109/TVLSI.2005.844288.)

(A. Safarian, L. Zhou, and P. Heydari, “A distributed RF front-end for UWB receivers,” in Proc. IEEE Custom Integr. Circuits Conf. (CICC), 2006, pp. 805–808, doi: 10.1109/CICC.2006.321013.)

(I. Aoki, S. D. Kee, D. B. Rutledge, and A. Hajimiri, “Distributed active transformer-a new power-combining and impedance-transformation technique,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 50, no. 1, pp. 316–331, Jan. 2002, doi: 10.1109/22.981284.)

 

 

(5) Distributed Amplifier의 한계

: High Frequency Limit이 존재한다.(LPF처럼 대부분 설계된다.)

: High Cut-off Frequency는 Grid-Loading Effect에 의해 결정된다.

 

 

3. 나비 Amplifier

: Capacitance를 상쇄시켜 주파수에 dependent한 imaginary 성분을 없애는 것이다.(HBT)

4. Neutralization Capacitor

: Capacitance를 상쇄시켜 주파수에 dependent한 imaginary 성분을 없애는 것이다.(FET)

 

5. Gain Available Circle, Gain Power Circle에 최대한 Wide-band하게 매칭하기 * 

: 저주파에 민감한 소자 - Serie Cap, Shunt Inductor

: 고주파에 민감한 소자 - Shunt Cap, Series Inuductor

위를 활용하여 여러 주파수에서 매칭할 수 있다.

: double-peaking 이라고도 부를 수 있을 것 같다.

: 저주파는 조금만 매칭해도 Gain이 나온다.(이유 : MAG/MSG가 기본적으로 크고 Positive Feedback이 보이기 때문이다.)

 

 

6. Staggery Scheme

: stage별로 매칭 주파수를 다르게하는 것이다.

: GAC, GPC를 활용

 

7. S-parameter의 Contour Density on Smith Chart를 높게 가져가기

: 

 

8. low Q-factor Circle 상에서 Matching하기

: RF공학+ 구글검색 "Q-factor Circle on Smith Chart"

전자장 Ch06.1 Q-factor와 Bandwidth (for Ch 5. Matching) (tistory.com)

전자장 Ch06.1 Q-factor와 Bandwidth (for Ch 5. Matching)

9. Bode-Fano Criterion에 의해서 Gain을 낮추서 BW얻기

: Pozar

10. Transmission Line과 같은 Distributed Element보단 Lumped Element로 매칭하기(tangent보다는 좀 더 wide band하다)

Bloch, E. and E. Socher (2014). "Beyond the Smith Chart: A Universal Graphical Tool for Impedance Matching Using Transformers." IEEE Microwave Magazine 15(7): 100-109.

11. Resistive Matching

: Pozar

 

12. Negative Feedback

: 전자회로, Pozar

13. Differential Amplifier

: Pozar

: Psat도 높일 수 있다

: 소자의 Capacitance가 직렬로 연결됨으로서 f_T가 2배가 된다.(Transit Frequency)

: CMMR도 개선가능하다.

-----------------------------------------------------------------    광 고    -----------------------------------------------------------------