分散アンプ

分散型増幅器は、従来の回路で実現できるよりも大きな利得帯域幅積を得るために、従来の増幅器設計に伝送線路理論を取り入れた回路設計です。

歴史

分散型増幅器の設計は、1936 年に William S. Percival によって初めて考案されました。^[1] その年、Percival は、個々の真空管のトランスコンダクタンスを、入力と出力の要素容量をまとめることなく線形に加算できる設計を提案しました。これにより、個々の真空管よりも大きなゲイン帯域幅積を実現する回路が実現しました。しかし、Percival の設計は、 1948 年にGinzton、Hewlett、Jasberg、および Noeによってこの主題に関する出版物が執筆されるまで、広く認知されることはありませんでした。 ^[2]分散型増幅器という用語は、実際にはこの後者の論文にまで遡ることができます。伝統的に、DA 設計アーキテクチャは真空管技術を使用して実現されていました。

現在の技術

最近では、 GaAs ^[3]^[4]^[5]やInP^[6]^[7]などのIII-V半導体技術が使用されています。これらは、より高いバンドギャップ（より高い電子移動度）、より高い飽和電子速度、より高い破壊電圧、およびより高い抵抗率の基板により、優れた性能を発揮します。後者は、III-V半導体技術において、より高い品質係数（ Q係数または単にQ）の集積受動デバイスの可用性に大きく貢献します。

モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）のコスト、サイズ、消費電力に関する市場の需要を満たすために、そのような目的のための主流のデジタルバルクCMOSプロセスの開発研究が続けられています。現在のIC技術におけるフィーチャーサイズの継続的なスケーリングにより、マイクロ波およびミリ波CMOS回路は、スケーリングされた技術の結果として生じるユニティゲイン周波数の増加から直接恩恵を受けることができます。このデバイスのスケーリングと、今日の技術で利用可能な高度なプロセス制御により、最近では90 nm CMOSプロセスで170 GHzの遷移周波数（f _t ）と240 GHzの最大発振周波数（fmax）に到達できるようになりました。 ^[8]

動作原理

DA の動作は、進行波管増幅器 (TWTA)の観点から説明するとおそらく最も簡単に理解できるでしょう。DA は、特性インピーダンスがZ _{0の一対の}伝送線路で構成され、複数の能動デバイスの入力と出力を独立に接続します。したがって、最初のデバイスの入力に接続された伝送線路のセクションに RF 信号が供給されます。入力信号が入力線路に沿って伝搬すると、個々のデバイスは順方向の入力ステップに応答して、出力線路に増幅された補完的な順方向伝搬波を誘導します。これは、 2 つの線路の伝搬定数と長さの選択によって入力線路と出力線の遅延が等しくなり、したがって各デバイスからの出力信号が同位相で加算されることを前提としています。終端抵抗Z _gと Z _{d は、破壊的な}反射を最小限に抑えるために配置されています。

各デバイスの相互伝導利得はg _mであり、各トランジスタから見た出力インピーダンスは伝送線路の特性インピーダンスの半分です。したがって、DA の全体的な電圧利得は次のようになります。

A _v = ½ n·g _m ·Z ₀、ここでnはステージ数です。

損失を無視すると、ゲインはデバイス（ステージ）の数に線形依存します。従来のアンプのカスケードの乗算特性とは異なり、DA は加算特性を示します。DA アーキテクチャのこの相乗特性により、個々のステージのユニティゲイン周波数を超える周波数でゲインを提供できるようになります。実際には、ステージの数は、入力ラインの減衰によって減少する入力信号によって制限されます。最適なステージ数を決定する方法については、以下で説明します。帯域幅は通常、周波数に依存するデバイスの寄生によって生じるインピーダンスの不整合によって制限されます。

DA アーキテクチャでは、広帯域ゲイン特性を実現するために遅延が発生します。この遅延は、分散発振器と呼ばれる別の分散システムの設計で必要な機能です。

集中要素

遅延線は、L と C の集中素子で構成されています。トランジスタの寄生 L と C がこの目的に使用され、通常はラインインピーダンスを上げるためにいくらかの L が追加されます。共通ソースアンプのミラー効果により、入力と出力の伝送線路が結合されます。たとえば、電圧反転と電流増幅の場合、入力と出力はシールドされた平衡線路を形成します。出力伝送線路の電流は、後続のトランジスタごとに増加するため、電圧を一定に保つために追加される L はますます少なくなり、速度を一定に保つために追加される C はますます多くなります。この C は、2 段目の寄生素子から発生する可能性があります。これらの遅延線は、カットオフ付近で平坦な分散を持っていないため、入力と出力で同じ LC 周期を使用することが重要です。伝送線路を挿入すると、入力と出力は互いに分散します。

分散型アンプの場合、入力はアンプに直列に供給され、アンプから並列に出力されます。入力での損失を避けるため、入力信号が漏れないようにします。これは、プッシュプルアンプとも呼ばれる平衡入力および出力を使用することで回避できます。これにより、寄生容量を介して漏れるすべての信号がキャンセルされます。出力は、インピーダンスが減少する遅延ラインで結合されます。狭帯域動作の場合、複数のコイルとコンデンサを介して信号が供給されるのを回避する他の位相整合方法が可能です。これは、パワーアンプに便利です。

単一のアンプはどのクラスでもかまいません。分散型 E/F クラスアンプといくつかの位相整合方法の間には、ある程度の相乗効果がある可能性があります。最終的には基本周波数のみが使用されるため、これが遅延ラインバージョンを通過する唯一の周波数となります。

ミラー効果により、共通ソーストランジスタは高周波数ではコンデンサ (非反転) として動作し、低周波数では反転トランスコンダクタンスを持ちます。トランジスタのチャネルには 3 つの次元があります。1 つの次元である幅は、必要な電流に応じて選択されます。問題は、単一トランジスタの場合、寄生容量とゲインの両方が幅に比例して増加することです。分散アンプの場合、単一トランジスタの容量 (つまり幅) は最高周波数に基づいて選択され、電流に必要な幅はすべてのトランジスタ間で分割されます。

アプリケーション

これらの終端抵抗は通常 CMOS では使用されませんが、一般的なアプリケーションではこれらによる損失は小さいことに注意してください。ソリッドステートパワーアンプでは、電力上の理由から複数の個別トランジスタが使用されることがよくあります。すべてのトランジスタが同期して駆動される場合、非常に高いゲート駆動電力が必要になります。小型で効率的なコイルが使用できる周波数では、分散アンプの方が効率的です。

電圧は共通ゲートトランジスタによって増幅できますが、ミラー効果や単位ゲイン周波数のカットオフは発生しません。これを追加すると、カスコード構成になります。共通ゲート構成は CMOS と互換性がありません。抵抗が追加されるため損失が発生し、高効率アプリケーションよりもブロードバンドに適しています。

参照

ガンダイオードは寄生容量や寄生抵抗のないデバイスで、ブロードバンドアプリケーションに最適です。
再生回路は、高周波狭帯域増幅器用の単一トランジスタの寄生素子を使用する回路である。
アームストロング発振器は、高周波狭帯域発振器に単一トランジスタの寄生を利用した回路である。

参考文献

^ WS Percival、「熱電子管回路」、英国特許明細書第460,562号、1936年7月24日出願、1937年1月認可。
^ エル・ギンズトン; WRヒューレット。 J・H・ジャスバーグ; JD ノエ (1948)。「分散増幅」。手順IRE。36 (8): 956–69。土井：10.1109/JRPROC.1948.231624。S2CID 51675549。
^ EW Strid; KR Gleason (1982). 「DC-12GHzモノリシックGaAsFET分散型増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 30 (7): 969–975. doi :10.1109/TMTT.1982.1131185. S2CID 25015200.
^ Y. Ayasli; RL Mozzi; JL Vorhaus; LD Reynolds; RA Pucel (1982). 「モノリシック GaAs 1-13 GHz 進行波増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 30 (7): 976–981. doi :10.1109/TMTT.1982.1131186.
^ KB Niclas; WT Wilser; TR Kritzer; RR Pereira (1983). 「固体マイクロ波分散型増幅器の理論と性能について」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 31 (6): 447–456. doi :10.1109/TMTT.1983.1131524.
^ R. Majidi-Ahy; CK Nishimoto; M. Riaziat; M. Glenn; S. Silverman; S.-L. Weng; Y.-C. Pao; GA Zdasiuk; SG Bandy; ZCH Tan (1990). 「5～100GHz InPコプレーナ導波路MMIC 分布増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 38 (12): 1986. doi :10.1109/22.64584.
^ S. Kimura; Y. Imai; Y. Umeda; T. Enoki (1996). 「光伝送システム用損失補償型分散ベースバンド増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 44 (10): 1688–1693. doi :10.1109/22.538960.
^ D. Linten、S. Thijs、W. Jeamsaksiri、J. Ramos、A. Mercha、MI Natarajan、P. Wambacq、AJ Scholten、S. Decoutere (2005 年 7 月 16 ～ 18 日)。「90 nm RF CMOS における 5.5 kV HBM ESD 保護機能を備えた統合型 5 GHz 低ノイズアンプ」。Symp . On VLSI Circuits Digest of Technical Papers : 86 ～ 89。。

外部リンク

Microwaves101.com – 分散アンプ

[1] WS Percival、「熱電子管回路」、英国特許明細書第460,562号、1936年7月24日出願、1937年1月認可。

[2] エル・ギンズトン; WRヒューレット。 J・H・ジャスバーグ; JD ノエ (1948)。「分散増幅」。手順IRE。36 (8): 956–69。土井：10.1109/JRPROC.1948.231624。S2CID 51675549。

[3] EW Strid; KR Gleason (1982). 「DC-12GHzモノリシックGaAsFET分散型増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 30 (7): 969–975. doi :10.1109/TMTT.1982.1131185. S2CID 25015200.

[4] Y. Ayasli; RL Mozzi; JL Vorhaus; LD Reynolds; RA Pucel (1982). 「モノリシック GaAs 1-13 GHz 進行波増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 30 (7): 976–981. doi :10.1109/TMTT.1982.1131186.

[5] KB Niclas; WT Wilser; TR Kritzer; RR Pereira (1983). 「固体マイクロ波分散型増幅器の理論と性能について」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 31 (6): 447–456. doi :10.1109/TMTT.1983.1131524.

[6] R. Majidi-Ahy; CK Nishimoto; M. Riaziat; M. Glenn; S. Silverman; S.-L. Weng; Y.-C. Pao; GA Zdasiuk; SG Bandy; ZCH Tan (1990). 「5～100GHz InPコプレーナ導波路MMIC 分布増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 38 (12): 1986. doi :10.1109/22.64584.

[7] S. Kimura; Y. Imai; Y. Umeda; T. Enoki (1996). 「光伝送システム用損失補償型分散ベースバンド増幅器」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 44 (10): 1688–1693. doi :10.1109/22.538960.

[8] D. Linten、S. Thijs、W. Jeamsaksiri、J. Ramos、A. Mercha、MI Natarajan、P. Wambacq、AJ Scholten、S. Decoutere (2005 年 7 月 16 ～ 18 日)。「90 nm RF CMOS における 5.5 kV HBM ESD 保護機能を備えた統合型 5 GHz 低ノイズアンプ」。Symp . On VLSI Circuits Digest of Technical Papers : 86 ～ 89。。