Amplificador distribuido

Los amplificadores distribuidos son diseños de circuitos que incorporan la teoría de líneas de transmisión al diseño tradicional de amplificadores para obtener un producto ganancia-ancho de banda 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 mediante el cual las transconductancias de los tubos de vacío individuales podían sumarse linealmente sin agrupar sus capacitancias elementales 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 alcanzó gran popularidad hasta que Ginzton , Hewlett , Jasberg y Noe publicaron un artículo sobre el tema en 1948. ^{[ 2 ]} Es a este último artículo al que se remonta 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 presentan un rendimiento superior debido a mayores brechas de banda (mayor movilidad electrónica), mayor velocidad electrónica de saturación, mayores voltajes de ruptura y sustratos de mayor resistividad . Esto último contribuye significativamente a la disponibilidad de dispositivos pasivos integrados con un factor de calidad ( factor Q o simplemente Q) más elevado 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), la investigación continúa en el desarrollo de procesos CMOS digitales convencionales para tales fines. La continua reducción del tamaño de las características en las tecnologías de circuitos integrados actuales ha permitido que los circuitos CMOS de microondas y ondas milimétricas se beneficien directamente del aumento resultante de las frecuencias de ganancia unitaria de la tecnología escalada. Esta reducción del tamaño de los dispositivos, junto con el control de procesos 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 se comprende mejor 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 Z₀ que conectan independientemente las entradas y salidas de varios dispositivos activos . 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 escalón de entrada que se propaga hacia adelante induciendo una onda viajera complementaria amplificada en la línea de salida. Esto supone que los retardos de las líneas de entrada y salida se igualan mediante la selección de constantes de propagación y longitudes de ambas líneas _, y que, por lo tanto, las señales de salida de cada dispositivo individual se suman en fase . Se colocan resistencias de terminación Zg y _{Zd para minimizar} las reflexiones destructivas .

La ganancia transconductiva 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. Por lo tanto, la ganancia de voltaje total del DA es:

A _v = ½ n·g _m ·Z ₀ , donde n es el número de etapas.

Si se ignoran las pérdidas, la ganancia muestra una dependencia lineal con el número de dispositivos (etapas). A diferencia de la naturaleza multiplicativa de una cascada de amplificadores convencionales , el DA muestra una cualidad aditiva. Es esta propiedad sinérgica de la arquitectura DA la que permite que proporcione ganancia en frecuencias superiores a 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 métodos para determinar el número óptimo de etapas. El ancho de banda suele estar limitado por desajustes de impedancia causados ​​por parásitos de los dispositivos dependientes de la frecuencia .

La arquitectura DA introduce retardo para lograr sus características de ganancia de banda ancha . Este retardo es una característica deseada en el diseño de otro sistema distribuido llamado oscilador distribuido .

Las líneas de retardo están formadas por elementos concentrados de L y C. Para ello se utilizan la inductancia parásita (L) y la capacitancia (C) de los transistores, y normalmente se añade una inductancia para aumentar la impedancia de la línea . Debido al efecto Miller en el amplificador de fuente común, las líneas de transmisión de entrada y salida están acopladas. Por ejemplo, para la inversión de voltaje y la amplificación de corriente, la entrada y la salida forman una línea balanceada apantallada . La corriente aumenta en la línea de transmisión de salida con cada transistor subsiguiente, por lo que se añade cada vez menos inductancia para mantener el voltaje constante y cada vez más capacitancia para mantener la velocidad constante. Esta capacitancia puede provenir de las inductancias parásitas de una segunda etapa. Estas líneas de retardo no presentan una dispersión plana cerca de su frecuencia de 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.

En un amplificador distribuido, la señal de entrada se conecta en serie a los amplificadores y sale en paralelo. Para evitar pérdidas en la entrada, no se permite que la señal de entrada se filtre. Esto se evita mediante el uso de una entrada y salida balanceadas, también conocidas como amplificadores push-pull . De esta forma, 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, existen otros métodos de adaptación de fase que evitan alimentar la señal a través de múltiples bobinas y condensadores. Esto puede ser útil para amplificadores de potencia.

Los amplificadores individuales pueden ser de cualquier clase. Puede existir 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 con línea de retardo.

Debido al efecto Miller, un transistor de fuente común se comporta como un capacitor (no inversor) a altas frecuencias y presenta una transconductancia inversora a bajas frecuencias. El canal del transistor tiene tres dimensiones. Una de ellas, el ancho, se elige en función de la corriente necesaria. El problema radica en que, para un solo transistor, tanto la capacitancia parásita como la ganancia escalan linealmente con el ancho. En 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 distribuye entre todos los transistores.

Cabe destacar que estas resistencias de terminación no suelen utilizarse en CMOS, pero las pérdidas debidas a ellas son mínimas en aplicaciones típicas. En los amplificadores de potencia de estado sólido, a menudo se utilizan múltiples transistores discretos por motivos de consumo energético. Si todos los transistores se controlan de forma sincronizada, se requiere una potencia de control de puerta muy elevada. Para frecuencias en las que se dispone de bobinas pequeñas y eficientes, los amplificadores distribuidos resultan más eficientes.

El voltaje se puede amplificar mediante un transistor de puerta común, que no presenta efecto Miller ni frecuencia de corte de ganancia unitaria. Al añadir este transistor, se obtiene la configuración en cascada . La configuración de puerta común es incompatible con CMOS; añade una resistencia, lo que implica pérdidas, y es más adecuada para aplicaciones de banda ancha que para aplicaciones de alta eficiencia.

• Radio
• Modulador acustoóptico
• convertidor de tiempo a digital

• El diodo Gunn es un dispositivo sin capacitancia o inductancia parásitas, muy adecuado para aplicaciones de banda ancha.
• Un circuito regenerativo es un circuito que utiliza los efectos parásitos de un solo transistor para un amplificador de banda estrecha de alta frecuencia.
• El oscilador Armstrong es un circuito que utiliza los efectos parásitos de un solo transistor para generar un oscilador de banda estrecha de alta frecuencia.

• Microwaves101.com – Amplificadores distribuidos