Nagysebességű optikai vevőberendezések áramköreinek új megoldásai

Átírás

1 Nagysbsségű optikai vvőbrndzésk áramkörink új mgoldásai oktori (Ph) értkzés ólomy Attila udapst, 3. augusztus Konzulns: r. aranyi András r. rcli Tibor (A disszrtáció védéséről készült jgyzőkönyv, valamint a bírálatok mgtalálhatóak a Villamosmérnöki és Informatikai Kar ékáni Hivatalában: udapst, Egry Józsf u. 8. V. ép. fszt.)

2 Köszöntnyilvánítás Mindnklőtt szrtnék köszöntt mondani konzulnsimnk. Hivatalosan gy Ph hallgatónak csak gy konzulns van, azonban nkm mgadatott az a szrncs, hogy három kivétls mbrtől tudtam a munkám során tanulni. Rndkívüli köszönttl tartozom rcli Tibor Profsszornak, aki mgtrmttt az anyagi, szllmi és szakmai alapját doktori tanulmányaimnak. Akink kivétls vztői és szakmai képsségi annyi más mbrhz hasonlóan ngm is arra ösztönöztk, hogy a lgjobbat hozzam ki magamból, és közbn ráérzzk a kutatómunka örömir. rcli Profsszor úgy tudta az mbrt a hlys irányba trlni, hogy közbn nm korlátozta az alkotói szabadságot. gvégül, d nm utolsósorban lnyűgöz az a közvtlnség, ahogy fiatalmbrkkl a jlntős éltkorbli és szakmai különbségk llnér kommunikál, az a pozitív kisugárzás és nrgia, ami ngm is annyiszor sgíttt át a nhéz hlyztkn. Köszönttl tartozom r. aranyi Andrásnak, aki doktori tanulmányaim kzdtén hivatalos konzulnsm volt, d tragikus halála miatt zt a dolgozatot már nm tarthatja a kzébn. szélgtésink során sgítségt nyújtott ahhoz, hogy lsajátítsam a kutatói gondolkodás alapjait és mgpróbált mgtanítani ngm a látszólag bonyolult problémák lgyszrűsítésénk, lénygük mgragadásának képsségér. Hálával tartozom r. író Viktornak is, akink kivétls szakmai és matmatikai tudása mindig példakép lsz számomra, és aki nélkülözhttln sgítségt nyújtott ahhoz, hogy a disszrtáció harmonikus oszcillátorokkal foglalkozó (6. fjzt) fjztét lkészíthssm. Hozzá mindig fordulhattam kérdésimml, problémáimmal és közvtln baráti légkörbn mindig sokat tanulhattam től. Külön mgköszönöm azt a sgítségt, amit a már kész disszrtációm áttkintésévl nyújtott. Köszöntt szrtnék mondani még doktorandusz társaimnak: r. Hilt Attilának és r. Járó ábornak, akikkl gyütt dolgozva a kutatási fladatokon, mindig továbblndítttük gymást. A sokszor éjszakákba nyúló közös munka, küszködés, a szakmai viták, néha vszkdésk, mind nagyban hozzájárultak disszrtációm lkészítéséhz. Külön kimlném a diákhumor jlntőségét, amly könnybbé ttt a sokszor nhéz munkát. Külön szrtnék köszöntt mondani r. Hilt Attilának azért a sgítségért, amit a publikációs tvéknységm lindításában játszott. Mgköszönöm még kutatócsoportunk volt és jlnlgi tagjainak (r. advánszky János, r. Mihály Sándor, Marozsák Tamás, Udvary Esztr és Varga oltán) a mindnapi apró sgítségkt, amivl a munkámat támogatták. Köszönttl tartozom még a TKI részvénytársaságban dolgozó aca Andrásnak és Frnciné Nyényi Erzsébtnk, akik sgítségmr voltak az áramkörök mchanikai kialakításában, illtv a különlgs nyomtatott áramköri lmzk mgvalósításában. Szrtném mgköszönni az Európai Unió oprnikus és FRANS kutatási programjainak, illtv az T-795, F-3, T38 és T6557 számú OTKA kutatási programoknak a munkám anyagi támogatását. gvégül, d nm utolsósorban köszönöm a Mikrohullámú Híradástchnika Tanszék mindn oktatójának, hogy szakmai kérdéskbn mindig számíthattam rájuk, illtv az ott dolgozó mbrknk, hogy a munkámhoz szükségs háttrt nap mint nap mgtrmttték.

3 EVEETÉS... Alkalmazott vizsgálati módszrk... 3 FEJEET: IROAMI ÖSSEFOAÓ.... Elosztott rősítő mint szélssávú rősítő szköz... ajvizsgálatok.... Elosztott rősítő trvzési módszrk FEJEET: KONENTRÁT EEMŰ, VESTESÉMENTES EOSTOTT ERŐSÍTŐK ANAÍISE... vztés..... alfjzt: Az losztott rősítő analíziséhz szükségs hálózatlmélti ismrtk összfoglalója..... alfjzt: koncntrált lmű, losztott rősítő bmnti és kimnti vonalainak vizsgálata....3 alfjzt: Vsztség- és parazitamnts, koncntrált lmű, losztott rősítő vizsgálata alfjzt: Vsztségmnts és parazitamnts, koncntráltlmű rősítő illsztési problémái alfjzt: Vsztségmnts és parazitamnts, koncntráltlmű rősítő fázisillszttlnségből adódó problémái alfjzt: Vsztségmnts, koncntráltlmű rősítő parazita induktivitásokkal alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st parazita induktivitások stén alfjzt: Vsztségmnts, koncntráltlmű rősítő V-alakban bkötött parazita induktivitásokkal alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st V-alakban csatlakoztatott tranzisztorok stén alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st akkor, ha a tranzisztorok a gatvonalon V-alakban, a drainvonalon normál módon vannak csatlakoztatva alfjzt: Normál módon csatlakoztatott tranzisztorokat és V-alakban bkötött tranzisztorokat tartalmazó koncntrált lmű losztott rősítő összhasonlítása trvzési példákon krsztül Erdményk összfoglalása: FEJEET: EOSTOTT EEMŰ, VESTESÉMENTES EOSTOTT ERŐSÍTŐK ANAÍISE vztés alfjzt: losztott lmű, losztott rősítő bmnti és kimnti vonalainak vizsgálata alfjzt: vsztség- és parazitamnts, losztott lmű, losztott rősítő vizsgálata alfjzt: vsztségmnts, losztott lmű rősítő parazita induktivitásokkal alfjzt: vsztségmnts, losztott lmű rősítő V-alakban bkötött parazita induktivitásokkal alfjzt: normál módon csatlakoztatott tranzisztorokat és V-alakban bkötött tranzisztorokat tartalmazó, losztott lmű rősítő összhasonlítása trvzési példákon krsztül... 7 Erdményk összfoglalása:... 7.FEJEET: KONENTRÁT EEMŰ ÉS EOSTOTT EEMŰ EOSTOTT ERŐSÍTŐK ÖSSEHASONÍTÁSA, ÚJ TERVEÉSI MÓSER MEAÁSA alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, parazita- és vsztségmnts losztott rősítők rősítéssávszélsség szorzatainak összhasonlítása alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, vsztségmnts losztott rősítők rősítés-sávszélsség szorzatainak összhasonlítása krsztági parazita induktivitás stén (normál módon csatlakoztatott tranzisztorok st) alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, vsztségmnts losztott rősítők rősítés-sávszélsség szorzatainak összhasonlítása V-alakban bkötött parazita induktivitás stén (V bondolt tranzisztorok st).77. alfjzt: Az új trvzési módszr bmutatása trvzési példa sgítségévl alfjzt: A többi parazita hatása Erdményk összfoglalása: FEJEET: A ÉS 3 FEJEETEK NÉHÁN EREMÉNÉNEK AKORATI IAOÁSA fjzt: Tokozott tranzisztorokat tartalmazó kétfokozatú rősítő trvzés, építés: fjzt: V-bondolt rősítő építés tokozatlan chip tranzisztorok alkalmazásával Erdményk összfoglalása: FEJEET: MESFET HARMONIKUS OSIÁTOROK TERVEÉSE fjzt: millimétr hullámhosszú jlk (MMW) gnrálása optikai úton átvitt szubharmonikus sgítségévl fjzt: Harmonikus MESFET Oszcillátorok trvzés... vztés fjzt: általános összfüggésk...

4 6... alfjzt: nonlináris szköz modllzés alfjzt: harmonikusok mghatározása Fourir sorral alfjzt: oszcillátor munkapontjának mghatározása alfjzt: harmonikus VO trvzés, harmonikus szintk számítása alfjzt : harmonikus VO konstrukciója, harmonikusok mért értéki alfjzt: MESFET transzkonduktancia vislkdés nagy gat kivzérlésnél: alfjzt: harmonikusok mghatározása alfjzt: harmonikusok mghatározása, pozitív csúcsoknál kinyiló gat-sourc dióda stén... 3 Erdményk összfoglalása: EFEJEÉS SAJÁT PUIKÁIÓK IROAOMJEÉK

5 vztés Az lmúlt évtizdbn kibontakozó és napjainkban is tartó új ipari forradalom két "húzóágazata" a tlkommunikáció, illtv az informatika. A két trült szorosan összkapcsolódva fjlődik, ami nm is történht másképp, hiszn az információ gyors fldolgozásának igény szorosan összkapcsolódik az információ gyors továbbításának az igényévl. Az új tchnikai lhtőségk új igénykt, alkalmazásokat szültk, mlykr a gazdaság gészénk állapotát alapvtőn mghatározó új iparágak épülnk. Nm kll hangsúlyozni például a nagysbsségű számítógéps hálózatok jlntőségét, amlyk nélkül a modrn társadalom mgbénulna. Hasonlóképpn jllmzhtjük az Intrntt is, amly amlltt, hogy a szabad vélménynyilvánítás és így a dmokrácia közvtln szközként funkcionál, számos trültn (műszaki- és trmészttudományok, gazdaság, krskdlm) a profsszionális flhasználók számára ma már a mindnapi munkához szükségs lsődlgs információforrást jlnti. A flsorolt alkalmazások közös tulajdonsága, hogy az igényk folyamatos növkdés miatt gyr gyorsabb adatátvitli kapacitást kövtlnk mg. Ezt mgvalósítani hagyományos, vzttt lktromos átvitlll nm lht. A rádió linkk sgítségévl történő átvitlt pdig korlátozza az lérhtő szabad frkvnciasávok gyr kvsbb száma és kskny sávszélsség, nm is bszélv az gyr nagyobb problémát jlntő intrfrnciás zavarokról. Így a tchnika mai állása szrint a nagy távolságra történő, nagysbsségű adatátvitl gytln gazdaságos módja a vzttt optikai adatátvitl. Ennk mgfllőn az optikai távközlési rndszrknk, illtv azok építőlmink kutatása ign nagy rőkkl folyik. A kutatások gyik célja az üvgszálak máig kihasználatlan hatalmas kapacitásának minél jobb kiaknázása. A probléma általában az lktromos optikai (E/O), az optikai lktromos (O/E) konvrzió során, illtv az lktromos oldalon jlntkzik, mivl az optikai tartományban ign kis rlatív sávszélsségk is rndkívül nagysbsségű áramkörökt kövtlnk mg lktromos tartományban. Ennk mgfllőn az xtrém sávszélsségű lmk (rősítők, multiplxrk, dmultiplxrk, optikai modulátorok, lézrk, dtktorok) kutatása lsődlgs jlntőségű. Különös jlntőség lht a szélssávú E/O vagy O/E átalakítóknak a közljövő intlligns, optikai kapcsolású, hullámhosszosztású (WM) rndszribn, ahol két végflhasználó között stlgsn szükségs rndkívüli sávszélsség igényt (> bit/sc) több szabványos WM csatorna ( bit/sc) összkapcsolásával lht csak kilégítni. Nagy rőkkl folyik optikával kombinált mobil hírközlő rndszrk kutatása is. A mobil kommunikáció a tlkommunikáció gyik lgdinamikusabban fjlődő és zért ign fontos trült. A flhasználók és a szolgáltatások számának rohamos növkdés, az adatátvitl színvonalának mlkdés, valamint a frkvncia sávok tlítttség három tndnciát vtít lőr a jövőr vonatkozólag: A cllák számának növkdés, mértük csökknés A cllák kapacitásának növkdés A flhasznált frkvnciasávok ltolódása a millimétrs, illtv szubmillimétrs hullámhosszú frkvnciák irányába (a nagy atmoszférikus csillapítás miatt zn frkvnciasávok használata lőnyös pikócllás rndszrkbn, mivl csökkntik az intrfrncia problémákat a szomszédos cllák között). Ennk mgfllőn a jövő mobil rndszribn a bázisállomásokat várhatóan optikai szálon fogják llátni, valamint a millimétr hullámhosszú vivőt optikai jlkből, optikai módszrkkl, vagy optikán átvitt lktromos rfrncia sgítségévl fogják lőállítani. A disszrtáció témája lsősorban az optikai vvőkbn alkalmazott lktronikus áramkörökr trjd ki, azonban az rdményk flhasználhatóak optikai adók áramkörink trvzésénél is. A disszrtáció két alapvtő részr tagolható.

6 Az lső öt fjzt nagysbsségű optikai vvőkbn alkalmazott xtrém sávszélsségű losztott rősítők analízisévl és szintézisévl foglalkozik. A cél az gynlts rősítés karaktrisztika létrhozása, illtv az lérhtő rősítés-sávszélsség szorzat maximalizálása. A disszrtációnak nm célja az rősítő a zaj-, illtv nmlináris tulajdonságaival foglalkozni, gyrészt trjdlmi korlátok miatt, másrészt a témákat ign részltsn kilmzték a flllhtő szakirodalomban, illtv számos Ph.. disszrtáció foglalkozott vl, mint ahogy azt az lső fjzt részltsn bmutatja majd. A hatodik fjzt témája a témavztőm által javasolt újszrű sgédvivős optikai rndszrkbn alkalmazott harmonikus oszcillátorok trvzés, amly sgítségévl millimétrs hullámhosszúságú vivőfrkvncia állítható lő mobil alkalmazások számára. A disszrtáció lső rész a kövtkző további fjztkr tagolódik. Az lső fjzt átfogó ismrttést ad az irodalomban flllhtő losztott rősítő vizsgálati és trvzési módszrkről. A fjzt záltal képt ad a kövtkző fjztkbn általam bmutatott rdményk újszrűségéről. A disszrtáció második fjzt olyan losztott rősítők analízisévl foglalkozik, ahol koncntrált induktivitások biztosítják a tranzisztorok közötti csatolást. Ezn lggyszrűbb modllből lvont kövtkzttésk nagy rész jól használható a későbbi bonyolultabb stknél. A harmadik fjztbn a vizsgált rősítők tranzisztorai között tápvonalak hlyzkdnk l. A ngydik fjzt ljén a tápvonal tulajdonságok rősítés-sávszélsség szorzatra gyakorolt hatásának vizsgálata található mg. Az itt bmutatott vizsgálati rdményk tszik lhtővé, hogy az rősítő maximális rősítés-sávszélsség szorzattal rndlkzzn. A fjzt második flébn az lőző két fjzt rdményit flhasználva bmutatom az általam kifjlszttt trvzési módszrt, amly adott valós lzáró impdanciák között lőírt rflxiós korlát btartása, adott aktív szköz, fokozatszám és tranzisztor csatlakoztatási parazita induktivitás stén képs olyan lapos átvitlll rndlkző losztott rősítő mgalkotására, amly a maximális rősítés-sávszélsség szorzattal rndlkzik. A módszr hatékonyságát trvzési példa dmonstrálja. Az ötödik fjzt az Európai Unió oprnikus kutatási programjának krtébn kifjlszttt és mgépíttt losztott rősítők tulajdonságaival igazolja az lőzőkbn lvont kövtkzttésk gy részét. A disszrtáció második rész a hatodik fjztből áll. A 6.. fjzt bmutatja az Európai Unió FRANS kutatási programjának krtébn, a kutatócsoportunk által mgvalósított sgédvivős optikai rndszrt, amly az optikán átvitt kisfrkvnciás rfrncia sgítségévl állítja lő a millimétr hullámhosszú vivőfrkvnciát. A mgkívánt frkvnciasokszorozást gyrészt gy P hurok sgítségévl, másrészt a flhasznált VO harmadik harmonikusának flhasználásával éri l. A további alfjztk részltsn foglalkoznak olyan MESFET mikrohullámú oszcillátorok analízisévl, illtv trvzésévl, ahol a harmadik harmonikus tljsítményénk maximalizálása a cél. író Viktor [6]-bn kifjttt lméltét továbbfjlsztv analizálja az oszcillátor működését, majd a kövtkzttéskt flhasználva bmutat gy trvzési módszrt. A mgtrvztt és mgépíttt oszcillátoron mért harmonikus szintkt összhasonlítja az lmélt sgítségévl kiszámított értékkkl. Alkalmazott vizsgálati módszrk A disszrtáció a bvztésbn lírtaknak mgfllőn a nagysbsségű optikai átlakítókban (lsősorban vvőkbn), illtv millimétr hullámhosszú jlk optikai gnrálására alkalmas rndszrk vvőoldalán alkalmazott szélssávú rősítőkt, illtv oszcillátorokat vizsgálja. A disszrtációban alkalmazott vizsgálati módszrk;

7 lináris és nmlináris áramkörök vizsgálata, visszacsatolt rndszrk analízis, áramkörök modllzés, számítógéps hálózatanalízis, mikrohullámú aktív szközök modllzés. A kisérlti áramkörök és vizsgálatuk során alkalmazott trültk; mikrosztrip és koplanár áramkörök trvzés és vizsgálata, hibrid intgrált áramkörök trvzés, kivitlzés és vizsgálata, kis és nagyfrkvnciás (5 Hz) optikai és lktromos méréstchnika

8 fjzt: Irodalmi összfoglaló. Elosztott rősítő mint szélssávú rősítő szköz Az losztott rősítő alapgondolatát 936-ban Prcival vtttt fl []. Forradalmi gondolata az volt, hogy az aktív szközök (akkoriban vákuumcsövk) bmntit és kimntit induktivitásokkal lválasztva, flhasználva azok parazita kapacitásait, alulátrsztő létra struktúrát hozott létr, mind az rősítő bmntén, mind a kimntén. Ilyn módon az rősítő rősítés-sávszélsség szorzata mghaladta az gys aktív lmk zn paramétrét. Egy N fokozatú losztott rősítő smatikus ábrája az.. ábrán látható. A gnrátor az rősítő bmnti vonalához csatlakozik, amly az aktív szközök bmnti parazitáiból és az lválasztó induktivitásokból álló létrahálózat. A gnrátor blső llnállása mggyzik a vonal által mutatott karaktrisztikus impdanciával. A bmnti vonal végén ugyancsak nagyságú lzárást találunk. Az aktív szközök kimnti az rősítő kimnti vonalához csatlakoznak, amly a bmnti vonallal mggyző struktúrájú. mnt 3 (N-) N u s aktív szköz N aktív szköz N aktív szköz N N Kimnt 3 (N-) N.. ábra. Elosztott rősítő koncntráltlmű smatikus ábrája Az rősítő működés a kövtkző: a gnrátorból érkző jl végighaladva az rősítő bmnti vonalán, vzérli az aktív szközök bmntit, majd disszipálódik a vonal végén lévő illszttt lzáráson. A kimnti vonal az gys aktív szközök kimntiről érkző jlkt fázisban összgzi, és a kimnti illszttt lzárásra juttatja. Ezn az lvn thát additív rősítőt valósítunk mg, vagyis a kimnti jl amplitúdója az aktív szközök kimnti amplitúdóinak összg. Így a fszültségrősítés a fokozatszámmal, a tljsítményrősítés pdig a fokozatszám négyztévl arányos. A.. ábrán gy gyfokozatú rősítő idalizált modllj látható, amly gy paraziták nélküli aktív lmből és a () impdanciájú lzáró kétpólusból áll. V b g m V b () V ki.. ábra. Egyfokozatú rősítő idalizált modllj od 95-bn matmatikailag lvztt [] az zn struktúrával lérhtő maximális rősítéssávszélsség szorzat (ES) értékét: ES g m / π (.) ahol FEJEET

9 lim j( ) Ezt a flső korlátot akkor éri l, ha () a.3. képltnk mgfllő alakú. ( ) c j () konstans az lvágási frkvncia alatt. Fizikailag zn impdancia lgkönnybbn az.3. ábrának mgfllő végtln fokozatszámú, létrahálózattal valósítható mg [3,]. (.) (.3) ().3. ábra. Maximális ES értékt adó () fizikai mgvalósítása yakorlatban a kapacitás az aktív szköz kimnti parazitája, így mondható, hogy gy hagyományos rősítő ES értékét az alkalmazott aktív szköz határozza mg. Sajnos zt a korlátot több szköz párhuzamos kapcsolásával sm lht átlépni, mivl a g m / hányados állandó marad. Ha az rősítőfokozatokat kaszkádba kapcsoljuk, akkor az rdő rősítés lvilg korlát nélkül fokozható, azonban ha a sávszélsség mgközlíti az aktív szköz határfrkvnciáját, akkor az rősítés fokozatszámtól függtlnül gyhz tart. A probléma mgoldható losztott rősítő struktúra alkalmazásával, mivl kkor az aktív szközök kimnti kapacitásait induktivitásokkal szétválasztva gy alulátrsztő létrastruktúra jön létr, ahol a határfrkvnciát és érték határozza mg. Az rősítés az additív tulajdonság miatt lvilg akármddig növlhtő a fokozatszám növlésévl, akár a tranzit frkvnciát mghaladó frkvnciákon is. Trmésztsn zn állítás csak vsztségmnts stbn igaz. Az.. ábrán inzton és munkatársai által 98-ban végztt lmélti összhasonlítás rdmény látható [5], ahol a vsztségmnts, kaszkádba kapcsolt rősítők képsségit hasonlítják össz a vsztségmnts losztott (additív) rősítőévl. A vízszints tnglyn az rősítő rlatív sávszélsség látható az aktív szköz (akkoriban vákuum cső) tranzit határfrkvnciájához viszonyítva ( rl ). A függőlgs tnglyn az (.7) nagyságú rősítés léréséhz szükségs fokozatszám van ábrázolva. átható, hogy a kaszkád rősítő csak rl.8 értékig hatékony. Ellnbn az losztott struktúránál a fokozatszám igény linárisan nő a sávszélsség igénnyl, és így lvilg a fokozatszám mgfllő mgválasztásával akármilyn sávszélsségbn, akármilyn rősítés érték létrhozható. Az ddig lmondottak olyan rősítőkr érvénysk, amlykbn az aktív szköz ki és bmnti kapacitásain kívül smmilyn más parazita, illtv vsztség nm fordul lő. Az ilyn koncntrált lmű rősítők viszonylag gyszrű tárgyalása, szélskörűn fllhtő a szakirodalomban [6]. Sajnos mikrohullámú, illtv millimétr hullámhosszú frkvnciákon (ahol z a fajta rősítőtípust lgtöbbször alkalmazzák), a paraziták hatásai nm lhanyagolhatóak. Az rősítő működésér lgnagyobb bfolyással általában az aktív szköz parazitái és vsztségi vannak, nagy lmértékik miatt. Éppn a paraziták hatásai miatt nhéz a gyakorlatban mgtrvzni gy szélssávú losztott rősítőt. Sajnos z így van, függtlnül attól, hogy milyn típusú rősítő szközt használunk. Az alkalmazott aktív szközök gyébként ign változatos képt mutattak az idők folyamán. Elktroncsövs losztott rősítőkkl, mint kskny impulzusok rősítésér alkalmas szközzl, az ddig mgmlítttkn kívül még ign sokan foglalkoztak az 5-s évkbn [7, 8, 9, ]. FEJEET 5

10 . ábra. Kaszkád és losztott rősítők fokozatszám igény konstans rősítés (), d váltózó sávszélsség stén (inzton alapján) Más kutatók losztott paramtrikus rősítőkt szrksztttk félvztő varactor diódákból [,, 3]. Elosztott rősítőkt konstruáltak még TUNNE- [], illtv IMPATT [5, 6] diódákból. Ezk az rősítők gy darab tápvonalból állnak. A tápvonalon haladó jl, a priodikusan lhlyztt/vagy a vonal mntén losztott diódák által mutatott ngatív llnállás miatt, folyamatosan rősödik. A hatvanas évk végétől kzdv a félvztő tranzisztorokból flépíttt rősítőkr irányult a figylm. Az lső MESFET-l flépíttt, Hz sávszélsségű, hibrid losztott rősítőt 968-ban publikálták [7]. A htvns évkbn számtalan más laboratóriumban is állítottak lő hibrid kivitlű MESFET losztott rősítőkt. Ezk közül érdms mgmlítni Myr cikkét [8], amly gy olyan közps kimnő tljsítményű rősítőt ismrtt, amlynk mindn gys fokozatában két tranzisztor hlyzkdtt l. A fokozatok lső tranzisztora mittrkövtőként dolgozott a nagy áramrősítés érdkébn, a második földlt bázisú kapcsolásban a nagy kimnti fszültség lérés érdkébn. A különböző fokozatok lső és a második tranzisztorainak csatlakozási pontjait gy közbnső, harmadik vonallal kötött össz. Ez a mgoldás lőr vtíttt a későbbi mátrix losztott rősítők struktúráját. A nyolcvanas évk ljén a aas alapú monolit intgrált tchnológia mgjlnés nagy lökést adott az losztott rősítők fjlsztésénk. A kis mértk és a tranzisztortokozás lmaradása miatt, gyrészt kvsbb és kisbb a parazita hatása érvénysült, másrészt a bondolás mgszűnés miatt, az akkoriban általános Hz-s működési sávszélsségig, a tranzisztorok csatlakoztatási parazitái lhanyagolhatóan kis értékűvé váltak. Így az rősítő trvzés nagymértékbn lgyszrűsödött, mivl csak a tranzisztor vsztségit (gat, drain-sourc llnállás) és blső kapacitásait (gat-sourc, drain-sourc, illtv a drain-gat kapacitás) klltt figylmb vnni. Ebbn az időszakban jlntk mg az lső számítógéps mikrohullámú szimulációs szoftvrk is. Az lső számítógéps optimalizációval trvztt monolit losztott rősítőt Strid [9] publikálta. Ez gy - Hz sávban működő monolit losztott rősítő, amlynk a különlgsség az, hogy a fokozatok között intgrált, spirálalakú, koncntrált induktivitásokat tartalmaz tápvonalak hlytt, így mgvalósítva a bmnti és kimnti művonalakat. A cikkbn szimulációs tapasztalatokra hivatkozva a szrzők mgállapították, hogy a visszaható kapacitás (drain-gat kapacitás) hatása lgtöbbször lhanyagolható, mrt tipikus MESFET struktúra stén a visszaható kapacitás érték tört rész a gat-sourc és a drain-sourc kapacitásoknak. Ez az általuk alkalmazott tranzisztor stébn így is volt, d mint később látni, z a fltétl nm mindig tljsül. FEJEET 6

11 Ennk mgfllőn a témán dolgozó kutatók arra a kövtkzttésr jutottak, hogy ha a visszahatás lhanyagolható, monolit tchnológia stén -3 Hz-s frkvnciákig a vsztségk bfolyásolják lgjlntősbbn az rősítő átvitlét. Ennk mgfllőn a vsztségk hatásának lmzésér koncntráltak. Először Ayasli [] és munkatársai analizálták a vsztségk hatását. Mgközlítésük lég újszrű volt, hiszn tárgyalásukban a tranzisztorokat losztott tápvonalakkal kötötték össz, azonban a tranzisztorok diszkrét ki- és bmnti kapacitásait losztottnak fltétlzv, blintgrálták azokat a tápvonalak losztott kapacitásaiba. Nyilvánvalóan z a közlítés vitatható pontosságú. Az alkalmazott tranzisztormodll unilatrális volt (a drain-gat kapacitás érték zérus volt), csak a gat-sourc ( S ) és drain-sourc ( S ) kapacitást, a gat (R ) és drain (R S ) vsztségt, valamint a tranzisztor mrdkségét (gm) tartalmazta. Az mlíttt közlítéskt alkalmazva a kövtkző kifjzést adták mg az rősítő tljsítményrősítésér: [ xp( γ l n) ( γ l n) ] γ l xp g m (.) γ l γ l ahol: a és hullámimpdanciák, illtv a γ, γ trjdési tényzők az gynltkkl adottak. S / l, S / l (.5) R S γ j jβ α (.6) S / l l S / l j γ jβ S / l RSl S / l FEJEET 7 α (.7). A képltkbn még a, illtv jlölésk a gat illtv drain tápvonalak gységnyi hosszra ső losztott kapacitásait, l és l a tápvonalak fizikai hosszát, az és az losztott induktivitásokat jlölik. A fokozatszámot az n btű jlöli. átható az.5. képltből, hogy a hullámimpdanciák számításánál lhanyagolták a vsztségkt. Fltétlzték még továbbá, hogy a gat- és drainvonalak között fázisillsztés van (β l β l ), valamint, hogy γ β, γ β, illtv. Figylmb vév a flsorolt gyszrűsítéskt, az.. képlt módosított változatát használták fl további lmzésr: [ xp( α l n) xp( α l n) ] g m (.8). α l α l A különböző vsztség értékknél ábrázolva az.8. kifjzést, a nagymértékű gyszrűsítésk llnér, rdményikből sok értéks kövtkzttést tudtak lvonni az rősítő vislkdésér vonatkozólag: Vsztségs stbn az rősítés a.8. gynlt alapján zérushoz tart, ha a fokozatszám (n) mindn határon túl nő. Tipikus aas MESFET tranzisztorok alkalmazása stén, az rősítés csökknés szmpontjából a gat vsztség hatása a kritikus, így a drainvonal hatását a vizsgálatok alatt lhanyagolják. yakorlati szmpontból mgadnak gy gat csillapítási határértékt: α l n azaz R S n. Amint az látható, a csillapítás a flső határfrkvncia környékén a lgnagyobb, így a gat vsztség ott okozhat lvágást. A lvágás mérték nagyobb, ha a fokozatszám növkszik Az átvitl még nagy gat vsztségk stén is kigynsíthtő a tljs sávban az lmértékk variálásával, d zért az rősítést csökknésévl kll fiztni. monstrálandó az utolsó két kövtkzttést az.5. ábrák mgadják két tipikus görbéjükt.

12 a b.5. ábra. a) at vsztség hatása az átvitlr b) rősítés az átvitl kigynlítés után Az.5.a ábra az rősítés mntét mutatja különböző gat llnállásnál, az.5.b ábra pdig már a számítógéps optimalizációs ljárásokkal kigynlíttt rősítést mutatja. Az lmélti vizsgálatok rdményit flhasználva számítógéps trvzési ljárásokkal trvztk és építttk gy négyfokozatú monolit rősítőt, amly 9 d± d rősítést produkált az -3 Hz sávban. A cikkbn közlik még az rősítő zajtényzőjénk számítógéppl számított értékét, valamint harmadrndű intrmodulációs torzítás méréskt végztk a mgvalósított rősítőn. Vsztségk hatásának átfogó tárgyalását yr és munkatársai publikálták [, ]. Erdményik azonban csak koncntrált lmű rősítőkr és olyan stkr igaz, ahol a gatés drainvonal sávszélsség, vagyis a lvágási frkvnciájuk azonos ( / S / S ). Számításaikhoz az.6 ábrával adott gyszrűsíttt, visszahatás nélküli (unilatrális) tranzisztormodllt tartalmazó, koncntrált lmű rősítő struktúrát használták fl. Vsztségs stbn a jl az losztott rősítőnk mind a bmnti, mind a kimnti vonalán csillapodik. Nagyszámú fokozat stén lőfordulhat, hogy az utolsó tranzisztorokra nm jut vzérlőjl. Ha kkor tovább növljük a fokozatszámot, akkor az újabb tranzisztorok vzérlőjl híján, csak a kimnti vonal csillapítását fogják növlni, és így rősítéscsökknés tapasztalható. Ezk alapján az mlíttt cikkbn mgadják unilatrális str a maximális fokozatszámot, amddig az rősítést növlni lht. Kimutatták, hogy az rősítő vonalainak csillapítását lgnagyobb részt a tranzisztor vsztségi (gat llnállás, illtv a drain-sourc llnállás) okozzák, így a fokozatszám maximális értékét a gyakorlatban, az aktív szköz vsztségi határozzák mg. Ennk mgfllőn az optimális fokozatszám: ln( A / A ) N opt (.9) A A ahol az A illtv az A btűk a gat-, illtv drainvonal szkciónkénti trjdési tényzőink valós részit jlölik. FEJEET 8

13 .6. ábra. sak vsztségkt tartalmazó, koncntrált lmű, unilatrális rősítő modllj A cikkbn mgadják zk közlítő kifjzését alulátrsztő struktúrákra, abban az stbn, ha a szkciónkénti csillapítás viszonylag kicsi (. Népr): ax k b A, A (.) a n X k n X k n ahol: n n a, b, X k, / RiS, / RSS (.) és n a fokozatszámot jlöli. Az A illtv az A csillapítások frkvnciamntét ábrázolták különböző /, illtv / értékkr (lásd.7. ábra). Az ábrák alapján kijlnttték, hogy a gat oldali vsztségnk csak a magasabb frkvnciatartományokban van hatása, azonban ott jlntős rősítéscsökknést okoz. Ezzl szmbn a drainvsztség hatása kvésbé frkvnciafüggő, hatása kisbb, azonban a kisfrkvnciás rősítést is csökknti. a b.7. ábra. at- és drainvsztségk hatása a frkvncia függvényébn A cikkbn éppn a gatvsztség hatását használják ki arra, hogy a vsztségmnts stbn jlntkző lvágási frkvncia környéki kimlést kompnzálják, és így gynlts rősítés karaktrisztikát érjnk l. Ennk vizsgálatához flírták vsztségs str, a zérusfrkvnciájú határértékr normalizált fszültségrősítés kifjzését (fázisillsztést fltétlztk a gat- és drainvonal között): FEJEET 9

14 a X k n X k ax k / b b a sin h( ) sin h b / X k ax k / X k A n n (.). A a ( ) a sin h b X sin / / k X k h b X k ax k X k n n n A kifjzés túlzottan bonyolult ahhoz, hogy közvtlnül fl lhssn használni. Ennk okán a szrzők mgvizsgálták a frkvnciamnt fokozatszámtól való függését is, és azt találták, hogy -nél nagyobb fokozatszámok stén a normalizált rősítés frkvnciamnt nm függ számottvőn a fokozatszámtól. Ezn kövtkzttés alapján a fokozatszámfüggést l tudták hanyagolni a további vizsgálataikban, amnnyibn fltétlzték, hogy a fokozatszám négynél nagyobb. Flhasználva az.. gynltt, a szrzők itrációval mgadták a különböző rlatív frkvncia értékkhz (X k ) tartozó azon a és b párokat amlyk az adott X k rlatív frkvncián d normalizált rősítésltérést rdményznk. A cikkbn zk mlltt kifjzik az rősítő rősítés-sávszélsség szorzatát a tranzisztor maximális oszcillációs határfrkvnciájával (f max ). Közlítő kifjzést adnak az lérhtő maximális rősítés-sávszélsség szorzatra, arra az str, ha a sávszélsség határát a d-s normalizált rősítés-ltérésű pontra értjük: A f d. 8 f max (.3). Az rdménykből kiindulva kidolgoztak gy grafikus trvzési ljárást, amly sgítségévl adott f max -al rndlkző tranzisztorok stén, adott lzáró impdanciák között (és így adott rősítés érték stén) közlítőlg mghatározható az az a és b érték, amly a lhtő lgnagyobb sávszélsségig biztosítja az gynlts átvitlt (f d ). A módszr a lírtak alapján hatékony, azonban flhasználásának korlátait mg kll mlítni: az a és b értékénk mgfllő bállítása még monolitikus trvzési ljárások stén is ahol a tranzisztor gomtriájának változtatásával a parazita lmértékk bizonyos mértékig változtathatóak nhézks lht, vagy nm is mindig lhtségs. Emlltt a szrzők nm vizsgálták mg a tranzisztorvsztségk változtatásának hatását a tranzisztor zajparamétrir, mrdkségér, visszaható kapacitására. A módszr csak koncntrált lmű str érvénys, abban az stbn, ha a gat- és drainvonal sávszélsség azonos, ha a tranzisztormodll csak a ki és bmnti kapacitásokat és vsztségkt tartalmazza, valamint ha a fokozatszám négynél nagyobb. yr és munkatársai gy későbbi cikkükbn ismrttnk gy ljárást, amlybn a gat- és drainvsztségk hatását a vonalakba építtt, ngatív llnállást mutató, aktív fokozattal kompnzálják [3]. A módszrrl jlntős mértékbn mg lht növlni az rősítést, mivl a maximális mgngdhtő fokozatszám mgnő. Ahogy az rősítők flső határfrkvnciája az idők folyamán mgnőtt, a tranzisztorok (általában sourc) földlésénk parazita induktivitása kzdtt problémát okozni. Ezk hatása bizonyos mértékig hasonló a vsztségkéhz, mivl az átvitli sáv flső részén rősítéscsökknést okoznak. Sajnos a gyakorlatban mindn földlés induktív, a mikrohullámú, illtv millimétr hullámú frkvnciákon azonban ügys mgoldásokkal az induktivitás érték csökknthtő. un és munkatársai kimutatták, hogy abban az stbn, ha az rősítő tranzisztorai gy nagy közös, RF szmpontból kvipotnciális földszigtn krsztül vannak induktívan lföldlv, akkor az induktivitás hatása jóval kisbb, összhasonlítva azzal az sttl, mikor a tranzisztorok külön-külön vannak induktívan lföldlv []. Az ddigikből látható, hogy a vsztségk bvztés ign mgnhzíti az rősítő tárgyalását. Hasonló mgállapítások thtők más parazitákra is. Egytln hatás figylmb vétl stén is már ign bonyolult kifjzésk adódnak az rősítő különböző átvitli mnnyiségir (áram-, fszültség-, tljsítményrősítés), még koncntrált lmű stbn is. Általános, mindn parazitát és vsztségt figylmb vvő tárgyalást, amly zárt alakú FEJEET b /

15 kifjzéskt rdményztt volna, az általam ismrt szakirodalomban nm láttam. Az gytln, lvilg tljsn általános analízisr képs ljárást Niclas és munkatársai dolgozták ki [5], akik négykapú láncparamétrkt alkalmazva, mátrixgynltk sgítségévl adták mg az átvitli mnnyiségkt. Az általuk ismrtttt módszr lvilg képs az rősítő analízisér még abban az stbn is, ha az alkalmazott tranzisztormodllbn a gd kapacitások érték nm nulla (bilatrális tranzisztormodll). árt alakú kifjzéskt lvilg a négykapú láncmátrix gynltkből lht kifjzni, adott lzárási fltétlk mlltt. Azonban zt az mlíttt cikkbn csak parazitamnts str ttték mg, mrt a kifjzésk gyébként kzlhttlnül bonyolultra adottak volna. Így a bonyolultabb, parazitákat tartalmazó stkt csak numrikusan analizáltak, az általuk bmutatott kísérlti rősítőt pdig számítógéps optimalizációs ljárásokkal trvzték. A paraziták hatásait külön-külön nm lmzték. ajvizsgálatok Az losztott rősítő zajtényzőjét zárt formában lőször Aitchison számolta ki [6] koncntrált lmű str. Az általa alkalmazott tranzisztormodll a paraziták szmpontjából csak a gat és drain kapacitást és a mrdkségt tartalmazza. A tranzisztor zajmodllj a Van dr il [7, 8] által mgalkotott FET zajmodlll gyzik mg, amly két (gat és drain) részbn korrlált zajáramforrást tartalmaz. Aitchison analízisébn fltétlzt még, hogy fázisszinkron van a gat- és drainvonal között (β β β). Ekkor a zajtényzőt az.. gynlt adja mg: ( nβ ) sin F nsin β ahol: n gm Π Π Π S n R gm n r f ( r, β ) ( r ) β ( n r ) sin( r ) P ngm Π (.) n sin β cos rβ f ( r, β ) ( n r ) (.5). r sin β sin β Π, és Π a gatvonal (művonal), illtv a drainvonal Π hullámimpdanciája (Π-tagjának hullámimpdanciája). Az R és P állandók a Van dr il által bvzttt gat és drain zajállandók. A szrző sorra vszi a zajtényző képltébn (.. gynlt) szrplő összs tényző hatását. A második tag lhanyagolható nagy fokozatszám stén, kivév a és a lvágási frkvncia környékét (amikor nβ közl van -hoz, illtv Π-hz). Így thát zkn a frkvnciákon nagy lsz a zajtényző érték. A harmadik tag ltűnik nagy fokozatszámok stén A ngydik tagban az ƒ(r,β) függvény nagy n értékk stén flülbcsülhtő n 3 /3-al. Ekkor a ngydik tag gynsn arányos a fokozatszámmal. Egyébként pdig a gatvonal lmivl és a frkvncia négyztévl arányos Az ötödik tag fordítottan arányos a fokozatszámmal Figylmb vév a flsorolt rdménykt a szrző a kövtkzőkt mli ki: A zajtényző magas lsz -n és a lvágási frkvncia környékén a második tag miatt Nagy fokozatszámnál, sávközépn a második és a harmadik tag hatása ltűnik. Mivl a ngydik és ötödik tag a fokozatszámmal llntétsn változik, zért létzik gy optimális n Π szorzat, aminél a sávközépi zaj minimális. Vagyis mindn fokozatszámhoz létzik gy optimális gatvonal hullámimpdancia. A szrző mg is adja az mlíttt szorzat optimális értékét, valamint a hozzátartozó minimális zajtényzőt (amly prsz csak nagy fokozatszámoknál és a sáv közp környékén érvénys): ( n ) 3P R Π, OPT S F min S RP (.6). gm 3 FEJEET

16 A cikkbn mgadja a zajtényző görbéjét különböző fokozatszámok stén, gy tipikus tranzisztorokból flépíttt 5 Ohm-ok közé trvztt rősítő stén ( S.5 pf, S. pf, gm3 ms, R., P.6). Ezt az.8. ábra mutatja:.8 ábra. Elosztott rősítő Aitchison által számított zajtényzőj különböző fokozatszámoknál Aitchison gy másik cikkébn mgadja az losztott rősítő Voltrra soros nmlináris analízisét is [9]. Mint ahogy azt már jlztm, gys irodalmak szrint lht olyan MESFET, illtv HEMT tranzisztorokat konstruálni, hogy monolit rősítők stébn a visszaható kapacitás érték lég kicsi lgyn ahhoz, hogy számottvő hatása n lgyn az rősítő tulajdonságaira. Az ddig részltztt irodalmakban a tárgyaláshoz flhasznált tranzisztormodll unilatrális volt, azaz a gat-drain kapacitás érték zérus volt. Mélybb és gzakt analízist lhtn lérni négykapus láncmátrix lírással, azonban z, bonyolultsága miatt, a gyakorlatban csak numrikus számítási ljárásokban alkalmazható [5]. Az mlíttt ok miatt gy másik módszrt alkalmaztak a bilatrális tranzisztormodlll történő lírásra, amit csatolt hullámú lírásnak nvztk [3, 3]. A módszr gyakorlatilag a kapacitívn csatolt tápvonalak lírásának kibővítés arra az str, mikor a kapacitív csatoláson kívül mgjlnik a tranzkonduktancia (gm) aktív, gyirányú csatolása is. Ennk mgfllőn bbn a lírásban fltétlzik, hogy a tranzisztor paraziták gynltsn losztottak a tápvonalak mntén. Ez a közlítés nyilván akkor lfogadható, ha a szkciókénti fázistolás nm túl nagy. gfontosabb rdményük az, hogy a transzkonduktancia gyirányú, illtv a gat-drain kapacitás kétirányú csatolása miatt, két hullám fog trjdni az rősítőnk mind a bmnti ( FET stén gat) mind a kimnti (drain) vonalán (amnnyibn a vonalak hossza végs és a végikn rflxió van, akkor mindgyik vonalon mindkét irányban FEJEET

17 trjdnk az mlíttt hullámok). Az mlíttt hullámokat gyors, illtv lassú hullámoknak nvzték l. Mivl a gyors hullámok fázisban gyzők, a lassú hullámok fázisban llntétsk, zért mgfllnk a kapacitívn csatolt tápvonalakon mgjlnő páros, illtv páratlan módusoknak. A különbség csak az, hogy gm gyirányú csatolása miatt a lassú hullámok trjdési tényzőink valós rész ngatív lsz, azaz a páratlan módus amplitúdója növkszik a trjdés során. A hivatkozott cikkk szrzői nm vtték figylmb a tranzisztorok vsztségit, a csatlakoztatási parazitákat, csak a tranzisztor kapacitásait (gs, ds, gd). A módszr továbbfjlszttt változatát később Wong és Hang adta mg [6, 33]. Ebbn gy olyan analízismódszrről tudósítanak, ahol a tranzisztorokat az paramétr mátrixukkal vszik figylmb. Az analízishz általuk használt struktúrát az.9. ábra mutatja. Az összs lmt (a tranzisztor lmit is) gynltsn losztottnak tétlzték fl a ki és bmnti vonalak mntén..9. ábra. satolt hullámú analízishz használt struktúra. Az áramokat és fszültségkt az adott struktúrára flírt hullámgynltkkl határozták mg: ahol: (.7) (.8), illtv d és d az alkalmazott tápvonalak fizikai hosszai. Mgfllő átalakításokkal a V -r vagy V -r ngydrndű lináris diffrnciálgynltt kaptak, amit mgoldva általános stbn mgkapták a vonalfszültségk általános kifjzését. FEJEET 3

18 ahol a γ, illtv a γ trjdési tényzők az.. kifjzéssl adottak: (.9) (.) áthatóan, az rősítő vonalain mindkét irányban két módus trjd. Mivl a γ trjdési tényzővl rndlkző módusok gyorsabbak a γ módusoknál, zért az lőbbik a gyors, az utóbbiak a lassú hullámoknak fllnk mg. Az A,,,, hullámamplitúdókat gyrészt az mlíttt diffrnciálgynltből, másrészt a vonalak lzárási fltétliből lht mghatározni. Trjdlmi okok miatt zk lvztésénk ismrttésétől ltkintk, azok mgtalálhatók a hivatkozott cikkkbn. A hullámimpdanciákat a trjdési tényzők ismrtébn lht kiszámítani. (.) -t és -öt lnvzték domináns hullámimpdanciáknak, mivl dg zérusra csökkntés stén zk lsznk a gat- illtv drainvonal hullámimpdanciái. A szükségs mnnyiségk általános származtatása után a szrzők vizsgálatokat végztk gy tipikus aas MESFET tranzisztorral flépíttt rősítőn. Az alkalmazott tranzisztor hlyttsítőkép az.. ábrával adott. Fltétlzv, hogy a szkciók közti tápvonalak hossza a gatvonalon lg.7 mm, illtv a drainvonalon ld. mm, a tranzisztor gységnyi hosszra értlmztt paramétri a.. gynltkkl írhatók fl. A szrzők fltétlzték még, hogy, valamint hogy az alkalmazott tápvonalak hullámimpdanciája Ω... ábra. Wong által alkalmazott bilatrális tranzisztormodll (rg.3 Ω, gs. pf, rd 8 Ω, ds. pf, dg.8 pf, gm 53 ms,) A mgadott tranzisztor és fltétlk mlltt a szrzők ábrázolták a hullámimpdanciák, illtv a trjdési tényzők frkvnciamntét. Ezkt az ábrák mutatják. Az rdményikből számos kövtkzttést vontak l: Valamlyik módus trjdési tényzőink valós rész (α ) ngatívvá válik a magasabb frkvnciatartományokban. átható az..a és.3.a ábrákról, hogy zt a jlnségt nm csak a dg értékénk növkdés rősíthti, hanm gm értékénk növkdés is. A hullámimpdanciák.. ábráiból látható, hogy a, módusok stébn (gyors hullámok által érzéklt hullámimpdancia) a képzts részkr (amlyk közl nullák) FEJEET

19 nincs túl nagy hatással dg növkdés, azonban a valós részk jlntős csökknését tapasztaljuk kisfrkvncián. A másik két (lassú) módus stébn, a tranzisztorok vsztségi miatt, a hullámimpdancia valós rész rőtljsn sik a kisfrkvnciás régiókban. Az is mgállapítható, hogy a lassú módusok stébn a valós részk érzéktlnk a visszahatás mértékér, a képzts részk azonban jlntősn mgváltoznak a frkvnciasáv közpén. Nm lht olyan szélssávú illsztést konstruálni, amly mindn módust mgfllőn zárna l, zért a szrzők a domináns módusok hullámimpdanciáinak sávközépi értékit (amlyk közlítőlg valósak) javasolják lzáró impdanciaként. Ekkor a dmonstrált rősítő viszonylag gynlts átvitlt produkált az - Hz-s sávban. Hz alatt némi rősítéscsökknés tapasztaltak, amit a hullámimpdancia lcsökknő értékivl magyaráztak. Fontos kövtkzttés még, hogy az rősítéscsökknés mérték rősödik, ha a dg érték nő. (.).. ábra. A hullámimpdanciák Hang és Wong által számolt frkvnciafüggés különböző visszaható kapacitás értékknél ( a., b., c., d. ) FEJEET 5

20 .. ábra. A trjdési tényzők Hang és Wong által számolt frkvnciafüggés különböző visszaható kapacitás értékknél ( a. γ b. γ ).3. ábra. A trjdési tényzők Hang és Wong által számolt frkvnciafüggés különböző tranzkonduktancia értékknél ( a. γ b. γ ) Amint láttuk, az analízis során alkalmazott tranzisztormodllbn gd érték jóval kisbb volt, mint a gs ill. a ds érték. A szrzők azt az stt nm vizsgálták, mikor a visszaható kapacitás érték összmérhtő vlük, így nm ismrt, hogy a lzárások értékér vonatkozó fnt mlíttt ajánlás kkor is gynlts átvitlt rdményz- széls frkvnciasávban. A hullámimpdanciák értékénk rősbb változása miatt z nm valószínű. Mindmlltt nm analizálták, illtv nm adták mg a fokozatszám, az alkalmazott tápvonalak hossz és hullámimpdancia, illtv a tranzisztor paraziták (vsztség stb.) változtatásának hatását, amly információk a ttszőlgs trvzéshz lngdhttlnk lnnénk. Mindnstr az látszik, hogy kis visszahatással rndlkző aktív szközt választása lsődlgs jlntőségű a trvzés során. Ilynkor viszont unilatrális tranzisztormodllt alkalmazva is viszonylag pontosan l lht írni a jlnségkt, mint ahogy azt az ddig bmutatott munkák többségébn láttuk. A részltztt cikkkn kívül ign nagyszámú irodalom érhtő l losztott rősítő témakörbn. Trjdlmi okok miatt nm tudom mindgyikt részltzni, azonban a mgadott irodalomjgyzékbn a további jlntősbb publikációk mgtalálhatóak [33-3]. FEJEET 6

21 . Elosztott rősítő trvzési módszrk A lggyszrűbb losztott rősítő struktúrában az alkalmazott tranzisztormodll unilatrális és csak a ki- és bmnti kapacitásokat tartalmazza. Ilyn rősítők tárgyalása az ddig ismrtttt irodalomban szélskörűn mgtalálható (a. fjztbn is részltsn mgtalálható). Az gyszrűsíttt tranzisztormodlll mgtrvztt rősítő struktúra azonban csak abban az stbn használható fl a véglgs trvzéshz, ha az alkalmazott tranzisztor parazitái, vsztségi nm fjtnk ki érzéklhtő hatást a működési frkvnciatartományban. Sajnos lgtöbbször az lőírt működési frkvnciatartomány flső határa olyan magas, hogy még a lgjobb tranzisztorok parazitáinak hatásai is nagymértékbn ltorzítják az rősítő működését. Így a paraziták, vsztségk hatásainak tanulmányozása lngdhttln ahhoz, hogy hatékony trvzési módszrt lhssn alkotni. Egy tipikus tranzisztor stén, amlyt földlt sourc konfigurációban használunk, valószínűlg számolni kll a vsztségk (soros gat, ill. párhozamos drain-sourc llnállás ), a visszaható kapacitás (dg), a sourc földlési parazita induktivitás, illtv a gat és a drain csatlakoztatások soros parazita induktivitásainak hatásával. Az ddigik alapján kijlnthtő, hogy az analitikus kifjzésk már gytln parazita figylmbvétl stén (pl. vsztségk yr cikkébn []) is kzlhttlnül bonyolultak. Az analízis is általában már csak numrikus ljárásokkal történik. Trvzési módszr pdig grafikus és közlítő, azaz sok numrikus számítás rdményként kiadódó görbsrgt használ fl. Az mlíttt példák azt mutatják, hogy az analitikus mgközlítés, bonyolultsága miatt a gyakorlatban nm alkalmazható olyan stkbn, mikor több parazita gyütts hatását kll figylmb vnni. Másik lhtőség a számítógéps trvző rndszrk optimalizációs algoritmusai sgítségévl történő trvzés. A mai hálózatanalizáló programok sokfél, ign hatékony optimalizációs algoritmust ismrnk [6, 7], amlyk önmagukban, vagy vgysn alkalmazva próbálják a kiinduló állapotból (áramköri paramétrkből) a mgfllő mgoldást (áramköri paramétr készltt) mgtalálni. A mgoldás jóságát az lérni kívánt spcifikációs célfüggvénytől való átlagos négyzts ltérés nagyságával, u.n. hibafüggvénnyl lht jllmzni, a tljs frkvnciasávban. élunk thát olyan áramköri paramétrsor mgtalálása, ahol a hibafüggvény abszolút minimummal rndlkzik. Err azonban csak akkor van gyáltalán sély, ha a célfüggvény nm köt ki irrális, tljsíthttln spcifikációt. Ennk lkrülés érdkébn analitikusan, vagy szimulációs analízissl gynként mg kll vizsgálni az gys paraziták hatását a gyakorlatban lőforduló tipikus értékik figylmbvétlévl. Ki kll válogatni azokat, amlyk hatása jlntős, majd zkr gynként, analitikus trvzési összfüggéskt kll származtatni, annak érdkébn, hogy az rősítővl lérhtő sávszélsségt, ill. rősítést jlnlétük stén mg lhssn bcsülni. Mint ahogy az az ddigi irodalmi áttkintésből látható, illtv a.. fjztbn bmutatásra krül, létznk olyan tranzisztor konstrukciók, amlykbn a visszaható kapacitás érték tört rész a gs vagy a ds kapacitás értékénk. Ekkor dg hatása lhanyagolható, így a trvzés során unilatrális tranzisztormodllt lht flhasználni. Ez nagymértékű gyszrűsítést jlnt analitikus számításoknál. Hasonlóak mondhatók l a sourc földlési induktivitásról. élszrű konstrukcióval, illtv a []-bn mgadott módszrrl, a hatása csökknthtő. Mgfllő tranzisztor és földlési konstrukció stén thát a fnti két parazita hatása utólagos optimalizációval kompnzálható gy olyan rősítőből kiindulva, amly mgfllő tulajdonságokat mutat két parazita tljs lhanyagolása stén. Ennk mgfllőn a trvzéshz lgndő a mgmaradó két parazita hatását analitikusan lmzni: a vsztségkét, illtv a tranzisztorok gat- ill. drain csatlakoztatásainak parazita induktivitásaiét. A vsztségk hatását, mint láttuk, ign szélskörűn tárgyalták az irodalomban, mivl monolit tchnológia stén, ahol néhányszor Hz-s frkvnciákig a tranzisztor csatlakoztatások nm bfolyásolják számottvőn az rősítő tulajdonságait, a vsztségk hatása a lgjlntősbb. FEJEET 7

22 A csatlakoztatási induktivitás hatása lsősorban a hibrid rősítőknél jlntős a bondolási induktivitás nagy érték miatt, azonban ign magas frkvnciákon már monolit rősítőknél is problémát okoz, annak llnér, hogy érték kkor körülblül gy nagyságrnddl kisbb, mint hibrid stbn. Ezt dmonstrálja uhki és munkatársai által publikált cikk [9], amly az általam szakirodalomban látott lgnagyobb sávszélsségű losztott rősítőről tudósít ( Hz). Az mlíttt rdményt azáltal voltak képsk lérni, hogy a gat oldali csatlakoztatási parazita induktivitások hatását sikrült lcsökkntniük. Az rősítő sávszélsség szmpontjából a gatvonal a kritikus, mrt gyrészt a ma alkalmazott mikrohullámú tranzisztortípusok gat-sourc kapacitása lgalább két- háromszorosa a drainsourc kapacitásnak, másrészt a gat csatlakoztatás induktivitása is nagyobb, mivl a gat lktródához csak gy hosszú, vékony hozzávztésn lht hozzáférni. Az általuk alkalmazott módszr lényg az, hogy a tranzisztorok csatorna fölötti vékony gat lktródáját blintgrálták az rősítő gatvonalába és az így kapott, általuk transmission gat FET-nk (TFET) nvztt tranzisztorokat alkalmazva igykztk a gat parazita induktivitások hatásait ltünttni. A mgoldás hatékonyságát dmonstrálták, azonban lmélti vizsgálatokat nm végztk a csatlakoztatási parazita hatásaival kapcsolatban. A. illtv 3. fjztbn részltsn lmzm a csatlakoztatási induktivitás hatását és zárt összfüggéskt vztk l ilyn rősítők különböző rősítésir. Az rdményk szrint a csatlakoztatási induktivitás ign nagymértékbn lcsökknti az rősítő vonalainak és így magának az rősítőnk a sávszélsségét és az új határfrkvncián rős kimlést okoz. Ennk mgfllőn az rősítő sávszélsségét z a parazita hatása fogja mghatározni, zn blül is a gatvonal a gs nagy érték miatt. Az lérhtő rősítés és sávszélsség mghatározása után lvilg rális célfüggvényt adhatunk az optimalizációs ljárásnak. Ennk llnér a közvtln optimalizációval történő trvzés nm gyszrű, mivl bonyolult hálózatok, illtv szélssávú trvzés stén a hibafüggvény ign tagolt, rngtg lokális minimummal rndlkzik, így az abszolút minimum mgtalálása gy ttszőlgs kiinduló állapotból ign körülménys (rngtg gépidőt és több fajta optimalizációs ljárás gyütts alkalmazását igénylő) lht, illtv nm is mindig lhtségs. Sokkal hatékonyabb mgoldás az, ha gy lv közlítőn jó mgoldásból kiindulva próbálják mg az gyéb, nm túl jlntős paraziták hatásait kompnzálni számítógéps optimalizáció sgítségévl. Ezt a fajta mgközlítést alkalmazták Vai [8] és munkatársai monolit intgrált rősítő trvzésér, akik gy, a yr módszrévl [] trvztt rősítőből kiindulva, majd szimulált annaling optimalizációt alkalmazva, ign gyorsan mgkapták a mgfllő mgoldást. Trmésztsn a végrdményül kapott rősítő koncntrált lmű volt és a bnn flhasznált tranzisztormodll csak a vsztségkt tartalmazta a gat és drain kapacitásokon kívül. A célom thát, az volt, hogy olyan trvzési ljárást alkossak, amly még a vsztségk, illtv a csatlakoztatási induktivitások jlnlét stén is közlítőn gynlts átvitlű rősítőt rdményz, amly az idális mgoldáshoz közl áll, és amlyből azt ign könnyn lht mgkapni, gy végső optimalizációs ciklussal. Mg kll jgyznm, hogy z még parazitamnts stbn is probléma, hiszn fázisillsztés stén az rősítés pólussal rndlkzik a lvágási frkvncián, vagyis monoton növkszik az átvitli sávban. Az átvitl gynltssé tétlér alapvtőn három mgközlítést láttam az irodalomban. Sajnos zk közül csak gy tudta kzlni a vsztségk hatását, a másik kttő csak vsztség és parazitamnts str volt érvénys. Mint ahogy azt az lőző alfjztbn láttuk, az gyik módszr az átvitl gynltssé tétlér a tranzisztor vsztségink mgfllő mértzés, manipulálása [yr ]. Mind a mai napig z az gytln, a vsztségk hatását figylmb vvő szisztmatikus trvzési módszr. Az ott flsorolt lőnyök, hátrányok mlltt mg kll jgyznm, hogy a tranzisztor vsztségink mgfllő értékr állítása stlg más fontos tulajdonságok romlásával jár gyütt, d mindnképpn csökknti az szköztrvző lhtőségit (a kötött vsztség/kapacitás hányados miatt nm tud kisbb zajt, kisbb visszaható kapacitást, vagy FEJEET 8

23 stlg nagyobb kimnő tljsítményt lérni). Mindzk mlltt nm alkalmazható hibrid trvzéshz, mrt ott a tranzisztorok nm változtathatóak. Másik hátránya a módszrnk, hogy a tranzisztorcsatlakozások parazita induktivitásainak hatását nm tudja kzlni, valamint koncntrált lmű rősítőr érvénys, így csak monolit intgrált trvzéshz mgfllő, nm túl magas frkvnciákig. Harmadik probléma, hogy fltétlzi a fázisszinkron mglétét a gatés drainvonalak között, amly azonos lzáró impdanciák között működő rősítőnél általában csak külső, párhuzamos drain, illtv soros gat kapacitás biktatásával lnn lhtségs. Ezk a módszrk azonban annyi más nhézségt hoznak b (csatlakoztatások parazitái, gat oldali lőfszítés problémái) hogy a mai monolitikus rősítőknél nm alkalmazzák őkt. A második publikált módszr az, ha a gat-, illtv a drainvonalnak gy alulátrsztő, vagy sávátrsztő prototípusszűrőt választunk úgy, hogy a krsztági kapacitásokat a tranzisztorok ki-, illtv bmnti kapacitásai valósítják mg. Minnis [5] tápvonalas szűrőkt használt az rősítő b- illtv kimnti vonalainak. Sajnos azonban z a módszr még parazitamnts str sm ad gynlts átvitlt, mrt a drainszűrő blső mgtáplálása miatt (amit a gatszűrő blső kapacitásaiból vzérlnk) nm az rdti szűrőkaraktrisztikák érvénysülnk. Így már parazitamnts tranzisztorok stén is utólagos optimalizációt igényl. A módszr nm analizálja, nm kompnzálja gyik parazita vagy vsztség hatását sm, így csak olyan tranzisztor illtv tchnológia mlltt alkalmazható, ahol a paraziták, illtv a vsztségk hatása a mgcélzott működési sávban még lhanyagolható. A harmadik módszr az, amikor a lvágási frkvncia körüli kimlést a gat- és a drainvonal közti fázisillszttlnség mértékénk mgfllő állításával kompnzáljuk. Az ötlt nm új, transzimpdancia trvzéséhz flhasználható rdményk többk között []-bn is mgtalálhatóak, ahol a szrző koncntrált lmű, vsztség és csatlakoztatási parazitáktól mnts tranzisztorokból flépíttt rősítő stér vizsgálta mg a fázisillszttlnség hatását. Ezk szrint a gat- és a drainvonal szkciónkénti fázistolásának adott ltérés stén a fokozatszámtól függ az rősítő kimlésénk, vagy lvágásának mérték a működési sáv flső részén. A fázisillszttlnséggl kapcsolatosan a jln disszrtáció. fjztébn is végzk vizsgálatokat, amlynk rdményit flhasználom a. fjztbn bmutatott trvzési ljárásban. Többk között mgvizsgálom a fázisillszttlnség hatását olyan str, mikor a tranzisztor gat és drain csatlakoztatási parazita induktivitásai jln vannak. Mgmutatom, hogy a fázisillszttlnség alkalmas szköz az általuk okozott nagyfrkvnciás kimlés kompnzálására. Ennk érdkébn mgadom a fázisillszttlnség dfinícióját figylmbvétlük stén. yakorlati használhatósága miatt vizsgálatokat végzk olyan rősítő struktúrákban is, ahol a gat az általam javasolt u.n. V-csatlakoztatási módon van bkötv, a drain pdig a hagyományos módon, zt öszvér struktúrának nvztm l. Számításaim rdményként mindhárom str (parazitamnts st, csatlakoztatási induktivitásoknak a hagyományos módon történő figylmbvétl, öszvér struktúra st) új közlítő összfüggéskt tudok adni az alkalmazandó fokozatszámra, annak érdkébn, hogy gy ttszőlgs frkvncián, mgkívánt kimlést, vagy lvágást tudjunk lérni a tljsítményrősítésbn fázisillszttlnség adott mérték stén. Err alapozva lvilg trvzési ljárást tudunk alkotni, azonban ha például az rősítés lőírás miatt a fokozatszám kötött, az gynlts átvitl léréséhz a fázisillszttlnség mértékét kll tudnunk mgváltoztatni. Mivl azonban a tranzisztorkapacitások mgváltoztatása ign körülménys, zért a. fjzt rdményi alapján koncntrált lmű stbn, adott tranzisztorkapacitás arány és adott lzárási impdancia arány stén, a fázisillszttlnség mérték nm, vagy stlgsn csak kis mértékbn állítható a hosszági induktivitás értékénk változtatásával (.. alfjzt), hiszn a vonalimpdanciáknak gy lőírt rflxiós határon blül mg kll gyzniük a lzáró impdanciák értékévl. Ilyn stkbn sokkal hatékonyabb, ha a hagyományos módon bkötött csatlakoztatási induktivitás hatását használjuk fl rr a célra, általában úgy, hogy a nagyobb sávszélsségű (lgtöbbször a kimnti) vonal sávszélsségét csökkntjük gy nagyobb értékű induktivitás által. A probléma FEJEET 9

24 zzl az, hogy lgtöbbször nhéz nnk a parazitának (általában bondoló huzal) értékét pontosan bállítani. Annak érdkébn, hogy könnyn alkalmazható, gyszrű mgoldást krssk rr a problémára, a 3. fjztbn részltsn lmzm az losztott lmű (tápvonalakat tartalmazó ) rősítőkt. Itt a parazitamnts str, a normál csatlakoztatás, illtv a V-csatlakoztatás stér zárt alakú rősítés formulákat vztk l, amlykhz hasonlókat nm láttam az irodalomban. A 3. fjzt rdményit flhasználva a. fjztbn mgmutatom, hogy losztott lmű tápvonalakat tartalmazó rősítők stén, a vonalak sávszélsség úgy változtatható, hogy közbn a vonalimpdancia nm változik. Mgadom a vonalimpdancia konstans értékn tartásához szükségs formulákat is. Így szmbn a koncntrált lmű sttl, csatlakozatási induktivítások kötött érték stén is ttszőlgs mértékbn változtathatóvá válik a fázisillszttlnség mérték. Ennk flhasználásával új trvzési módszrt tudok adni, amly képs gynlts átvitlt produkálni. Mgmutatom, hogy tipikus tranzisztorvsztség értékk stén, azok hatása is kompnzálható az alkalmazott módszrrl. Ilyn vizsgálatok nm szrplnk az általam ismrt irodalomban. Ign fontos kérdés, hogy az alkalmazott trvzési módszrrl olyan rősítőt kapunk-, amly maximális rősítés-sávszélsség (ES) szorzat mlltt biztosítja az gynlts átvitl fltétlét, adott tranzisztorkapacitások és adott lzárások között. Más szavakkal az gynlts átvitlt biztosító mgoldások közül nnk maximális- az rősítés sávszélsség szorzata. Ennk ldöntés érdkébn a. fjztbn összhasonlítom az losztott lmű rősítő és a koncntrált lmű rősítő ES szorzatát. A vizsgálat rdmény azt mutatja, hogy a koncntrált lmű rősítő rndlkzik a lgnagyobb ES szorzattal, adott tranzisztorkapacitások és adott lzárások között. Így olyan trvzési módszr adja a lgnagyobb ES szorzatot, amly a lgrövidbb tápvonal hosszakkal tudja az gynlts átvitlhz szükségs fázisillszttlnségt bállítani. Az általam javasolt trvzési módszr, az általában kisbb sávszélsségű gatvonalon mgpróbálja lkrülni a tápvonalak alkalmazását, vagy minimalizálni a hosszukat. A drainvonalon pdig éppn csak akkora tápvonal hosszúságot igényl, amllyl az lőírt fázisillszttlnségt lérjük. Így kijlnthtjük, hogy z a módszr az gynlts átvitlt a lgnagyobb ES szorzat mlltt biztosítja. Az összhasonlítás rdmény alapján azt is kijlnthtm, hogy célszrű a mértkt arányosan csökkntni a határfrkvncia mgnövkdés stén, vagyis érdms a tchnológiát ilyn irányban is tovább javítani. A fnt mlíttt vizsgálatokat, illtv az általam javasolt trvzési módszrt az áttanulmányozott szakirodalomban nm láttam. FEJEET

25 . fjzt: Koncntrált lmű, vsztségmnts losztott rősítők analízis vztés Ebbn a fjztbn a koncntrált lmű, vsztségmnts losztott rősítők analízisévl foglalkozom. Az alfjztk a. téziscsoport altézisink bővbb kifjtését tartalmazzák. A.. fjzt a további számításokhoz szükségs hálózatlmélti ismrtk összfoglalója. A.. fjzt lírja az általam alkalmazott számítási módszrt, amly bármly unilatrális tranzisztormodll stén alkalmazható. A.3. fjzt lső rész a lggyszrűbb koncntrált lmű, vsztség- és parazitamnts losztott rősítőn dmonstrálja a számítási módszrt. A kiadódó végrdményk az irodalomból jól ismrtk. A.3. fjzt második részébn az ilyn rősítők rősítéssávszélsség szorzatával, illtv a különfél rősítésink frkvnciamntévl kapcsolatos mgfontolások állnak. A.. alfjzt bmutat gy illsztési módszrt, amly losztott rősítők konstans impdanciával történt lzárása stén csökknti az illszttlnségi problémákat és így mgnövli a gyakorlatban használható sávszélsségt. A.5.,.6..,.7.., illtv a.8. alfjztkbn a fázisillszttlnségnk a tljsítmény-átvitli görbér gyakorolt hatását lmzm, mind tranzisztor csatlakoztatási parazita induktivitásoktól mnts str, mind azok jlnlét stén. A.6. ill..7. alfjztk olyan koncntrált lmű losztott rősítőkt analizálnak, ahol a tranzisztor ki- és bmnti kapacitásai mlltt mgjlnnk a csatlakoztatási parazita induktivitások is. A.7. alfjztbn a tranzisztoroknak gy új típusú, úgynvztt V csatlakoztatását javaslom és lmzm, amly részbn áthidalja a.6. fjztbn mlíttt problémákat... alfjzt: Az losztott rősítő analíziséhz szükségs hálózatlmélti ismrtk összfoglalója. Az losztott rősítő létrastruktúrájú bmnti, illtv kimnti vonalának működés ign hasonló a szűrőkéhz. Így analíziséhz célszrű hálózatlmélti szközökt alkalmazni. Ebbn az alfjztbn későbbi számításokhoz szükségs ismrtk ign rövid összfoglalása történik mg. Alapvtőn gy hálózatlmélti értlmbn vtt kétkapu tulajdonságainak részltzés történik mg, mivl az losztott rősítőkbn használt hálózatok létrhozhatók kétkapuk kaszkád kapcsolásával [6, 5]. Egy, a hullámimpdanciáival lzárt kétkapu a.3. ábrán látható. Az ábrának mgfllőn, ha a kétkapu az gys (bmnti) kapuján, a hullámimpdanciájával van lzárva ( i ), akkor a ktts (kimnti) kapun bnézv a kimnti hullámimpdanciát ( i ) fogjuk tapasztalni és fordítva. Amnnyibn a hálózat lktromosan szimmtrikus, akkor a bmnti és kimnti hullámimpdanciák mggyznk. i I I i i V Kétkapu V i.3. ábra. Kétkapu rprzntációja hullámimpdanciákkal lzárva FEJEET

26 A hullámimpdanciák mghatározhatóak bármly típusú kétpólusparamétrből (lánc,, stb). A további számításokhoz láncparamétrkt fogok használni. A.3. ábra rfrnciairányait használva a láncparamétrk a.. mátrixgynlttl dfiniálhatóak. V A V I I (.) A hullámimpdanciákat a láncparamétrkből (angol irodalomban A paramétrk) a.. kifjzésk alapján számolhatjuk ki. A i ; i A (.) Egy másik lhtőség a.3. gynltk használata. i SO ; i SO (.3) ahol S és O az gys kapu bmnti impdanciája, ha -s kapu rövidzárral, illtv szakadással van lzárva. Ugyanígy S és O a ktts kapu bmnti impdanciája az gys kapu rövidzáras illtv szakadásos lzárása stén. A hullámimpdanciáival lzárt kétkapu fszültségrősítését, illtv áramrősítését a.., illtv a.5. összfüggésk alapján lht kiszámolni. V V A A (.) I A I A (.5) A komplx trjdési tényzőt a.6. gynltből számíthatjuk ki. V I V I A (.6) Abban az stbn ha a kétkapú rciprok (A-), akkor flírható a.7. kifjzéssl. ar cosh A (.7) A kifjzéskből kövtkzik, hogy a fszültségrősítés és az áramrősítés.8. illtv.9. gynltkkl is flírható. V i V (.8) i I i I i A tljsítmény-átvitlt a.. gynlt adja mg. P V T V A A P T mgadható még a gynltk alapján másképp is. i i PT i i A A I A I A ( arg arg A) ( arg i arg i).. alfjzt: koncntrált lmű, losztott rősítő bmnti és kimnti vonalainak vizsgálata Egy mikrohullámú félvztő tranzisztorokból flépülő losztott rősítő koncntrált lmű hlyttsítőkép a.. ábrán látható. (.9) (.) (.) FEJEET

27 E 3 (n-) n R R S u s n n KI 3 (n-) n R R.. ábra. Félvztő tranzisztorokból flépíttt losztott rősítő koncntrált lmű hlyttsítőkép Amint ahogy az ábrán látható, az gys tranzisztorok vsztségmnts induktivitásokkal vannak lválasztva. Az ilyn struktúrájú rősítőbn mind a gat-, mind a drainvonal létrastruktúrájú művonalat alkot, ahol a párhuzamos sönt ágakban a tranzisztorok bmnő, illtv kimnő admittanciái találhatóak. Az ilyn típusú létrahálózatokat.. ábrán látható módon floszthatjuk gynlő féltagokra. Két féltag különfél összkapcsolásával a vonal gy lmi T-, illtv Π-tagját kapjuk. A T-tag, illtv a Π-tag hullámimpdanciáját jlöljük T -l, illtv Π -l. áthatjuk, hogy a két hullámimpdancia priodikusan jlnik mg a művonalon. / T-tag / / / / T / / / T T féltag Π Π-tag.. ábra. Elosztott rősítő vonalainak struktúrája. Ezkt a hullámimpdanciákat lggyszrűbbn gy féltagból számíthatjuk ki a.. gynlt vagy a.3. gynlt sgítségévl. A féltag láncmátrixa a.. gynlttl adott. V / V / / V (.) I / I / I A.. és a.. gynltkt figylmbvév a T illtv Π hullámimpdanciákat a.3. gynlttl lht mgadni. T, Π (.3) A féltag fszültség- és áramátvitl valamint a trjdési tényzőj a és.. gynltk sgítségévl számítható ki és a gynltkkl adottak. V (.) V ( ) I (.5) I fél (.6) FEJEET 3

28 A.. ábrán bmutatott művonal átvitli tulajdonságainak lmzéséhz célszrű gy lmi T- tag átvitli mnnyiségit is kiszámolni. Egy T-tag láncmátrixát a.7. gynlt adja mg. Ebből flhasználva a gynltkt, a T-tag fszültségátvitlét, áramátvitlét, illtv trjdési tényzőjét lht kiszámolni. Ezk a gynltkkl adottak. V / / V / V (.7) I I / I V (.8) V ( ) I (.9) I ( ) ( ) (.) fél.6. és.. gynltk összhasonlításából látható hogy, vagyis fél. Mivl a T-tag rciprok, zért kiszámításához a.. gynlt használható. ar cosh (.) A tljsítmény-átvitlt a.. gynlt adja mg P T (.) A kimnti és bmnti vonalak vizsgálata mlltt az rősítőbn kialakuló jltrjdési utakat kll lmzni, az rősítő átvitlénk kiszámításához. A jlutakat gy N fokozatú rősítőbn a.3. ábra mutatja. E T N T KI T T.3. ábra. Jlutak losztott rősítőbn átható, hogy a bmnő jl, végighaladván a gatvonalon, vzérli az N darab tranzisztor bmntét, majd a mgmaradt rész disszipálódik a gat lzáráson. A tranzisztorok kimntéről érkző flrősíttt jl két gynlő részr oszlik. Az N darab tranzisztorról érkző, kimnt flé (lőr) haladó jlk lvilg fázishlysn ősszgződnk a kimntn, míg az llntéts irányba (visszaflé) haladóak inkohrnsn összgződv jutnak a drain lzárásra [6]. Az rősítő kimnti jl ilyn módon N darab függtln jlút kohrns összg. A K-dik jlúton haladó jlkomponns végigtrjd K- darab gat T-tagon, a K-dik tranzisztoron krsztül flrősítv kijut a drainvonalra, majd N-K darab drain T-tagon krsztül kijut a kimntr. Ennk mgfllőn a K-dik jlút fszültségátvitlét a.3. gynlt adja mg. ( K ) ( N K ) AK AT AT ATr (.3) ahol A T a gatvonal gytln T-tagjának fszültségátvitl, A T a drainvonal gytln T-tagjának fszültségátvitl, FEJEET

29 A Tr gy olyan aktív tagnak a fszültségátvitl, amly magában foglal gy tranzisztort, bmnt a gatvonalon, kimnt pdig a drainvonalon van... ábrán z a tag ki van mlv az rősítő többi lm közül. A tljs rősítő átvitlét az N darab jlút összg adja (.. gynlt) N ( K ) ( N K ) A A A A (.) Tr K T T Hasonlóképpn írható fl az rősítő áramátvitl, ami a.5. gynlttl adott: N ( K ) ( N K ) I I I I Tr T K T (.5) A tljsítmény-átvitl a.. gynlt sgítségévl az lőző két átvitlből számítható ki a.6. gynltnk mgfllőn: N N * * ( K ) ( N K ) ( K ) ( N K ) P AI ATr AT AT I Tr I T I T (.6) K K E at T-tag / / K-dik transfr T-tag / / / / T T U g / rain T-tag / / / / / KI T gm gm gm gm T.. ábra. Transzfr T-tag lhlyzkdés az rősítőbn.3 alfjzt: Vsztség- és parazitamnts, koncntrált lmű, losztott rősítő vizsgálata Ha a tranzisztorokat a.5. ábrának mgfllő, vsztségmnts, parazita lmk nélküli, ign gyszrű hlyttsítő kapcsolással modllzzük, akkor mind a gatvonal mind a drainvonal létra struktúrájú. Ezn lggyszrűbb struktúrájú rősítő analízis, átvitli tulajdonságai szélskörűn publikáltak [, 5, 6, 6]. g m S.5. ábra. gyszrűsíttt tranzisztormodll. Ebbn az stbn az rősítő smatikus rajzát a.6. ábra mutatja. FEJEET 5

30 E / / / / T T u s / / / / KI T g m g m g m T.6. ábra. Vsztség- és parazitamnts losztott rősítő modllj Ekkor a gat- illtv a drainvonal lválasztó impdanciái, illtv a tranzisztor bmnti és kimnti admittanciái a.7. gynlttl mgadott alakúak. j, j (.7) hlyttsítv zkt a.3. gynltkb, illtv a gynltkb általános stbn a T, Π hullámimpdanciákat, illtv gy T-tag átvitli mnnyiségit kapjuk. Ezk a gynltkkl adottak. A gat- illtv a drainvonal T-tagjaira az gynltk a,, illtv, hlyttsítéssl érvénysk. T, Π (.8) V (.9) V ( j ) I (.3) I j P T ( ) j ( ) r( ) (.3) ar cosh (.3) A hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamntét a.7. ábrák mutatják. A.7. ábra által mutatott görbék az irodalomból jól ismrtk [6]. átható hogy abban az stbn, ha a frkvncia kisbb, mint a vonal határfrkvnciája, vagyis: c (.33) akkor a hullámimpdanciák tisztán valósak, llnkző stbn tisztán képztsk. FEJEET 6

31 6 T() 5 R( T()) Im( T ()) R((Ζ π ()) 5 - Im( π ()) - R((Ζ π ())5.7. ábra. hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt idális rősítő stén A trjdési tényző analíziséhz a.3. gynltt kll szétbontani. cos h( ) cos h( r j i ) cos h( r ) cos( i ) j sin h( r ) sin( i ) (.3) c Abban az stbn, ha a frkvncia kisbb, mint a vonal határfrkvncája, akkor a.3. gynlt jobb oldala valós és érték és - közé sik. Ekkor a.3. gynlt csak úgy tljsülht, ha r, vagyis tiszta képzts. Ebbn az stbn a T-tag csak fázist forgat. Az határfrkvncián a T-tag fázistolása éppn π. Amnnyibn > c, akkor i π és r, vagyis a T-tag csillapít. A trjdési tényző valós és képzts részénk frkvnciamntét a.8. ábra mutatja.5-6 R(()).5 Im( π ()) 3 π.5.8. ábra. T-tag trjdési tényző valós és képzts részénk frkvnciamnt idális rősítő stén A transzfr T-tag átvitlét a.9. ábra alapján lht kiszámítani. FEJEET 7

32 FEJEET 8 -I gm / -I gm / I E V FÉ V E / / gm Π T / V KI I KI / T / / T gm V KI I KI I E V E / / / / T T T T.9. ábra. Transzfr T-tag átvitlénk számítása A gatvonal féltag fszültség-átvitli függvényénk az ismrtébn (.. és.7. gynltből, valamint, hlyttsítéssl) V FÉ kiszámítható. Ezt a.35. gynlt adja mg. E fél j V V (.35) A drain áramgnrátor árama a.36. gynlttl adott: gm V fél gm I (.36) Az I gm áramból a kimnti fszültség a.37. mátrixgynlttl számítható. KI KI KI KI gm I V I V Igm V / / / / / / (.37) Ezk alapján V KI illtv I KI a gynltkkl adott. gm ki j I V (.38) gm ki j I I (.39) hlyttsítv Igm kifjzését a fszültségátvitl kapjuk: E KI j j gm V V (.) Az áramátvitl számításához figylmb kll vnnünk, hogy I E V E / T. Így.39. és a.35. gynltkből kapjuk az áramátvitlt. E KI j j gm I I (.) A.6. és a.7. gynltk alapján a.. és.. gynltk flírhatóak másképp is:

33 ( fél fél ) ( )/ VKI gm gm ATr (.) VE ( fél fél ) ( )/ I KI gm gm (.3) I E A transzfr T-tag tljsítmény-átvitl a..,.. és.3. gynltk alapján: gm r( ) PTr (.).. gynltb hlyttsítv a.9. és.. gynltkt az N fokozatú rősítő fszültségátvitlét kapjuk. Ez a.5. gynlttl adott. ( )/ N gm N K ( ) A (.5) K Hasonlóképpn az áramátvitl a.5.,.3. és.3. gynltk alapján adott. ( )/ N gm N K ( ) I (.6) K A.5. és.6. gynltkből kiszámítható a tljsítmény-átvitl: r( ) N N gm N r( ) K ( ) K ( )* P (.7) K K A.5. illtv.7. gynlt rdményi az irodalomból jól ismrtk [6, 6]. Ha a frkvncia mind a gatvonal, mind a drainvonal lvágási frkvnciája alatt van, vagyis < min, (.8) [ ] akkor a.33. gynltnél lmondottak alapján mind, mind képzts. E frkvncia fölött az gyik, majd mindkttő valóssá válik, és az rősítő működésképtln lsz. A.5. gynltből látszik, hogy az idális működés fltétl a fokozatonkénti fázistolás gynlőség a gat- és drainvonal között, vagyis. Amnnyibn z nm tljsül, fáziskülönbség lép fl a gat- és drainvonalak között, amly az rősítés jllgét bfolyásolja, illtv súlyosabb stbn sávszélsségét korlátozza. Ezzl a problémával a.5. fjztbn foglalkozom részltsn. A fázistolás a.3. gynlt szrint az szorzattól függ. A hullámimpdanciák érték pdig, a.8. gynlt szrint, az / hányadostól. Ezk alapján azonos gat és drain lzáró impdanciák között ( T T ) csak akkor kapunk gynlő fázisforgatást ( ), ha a gat- és drainvonalak azonosak, vagyis és. Mindn más stbn csak ltérő gat és drain hullámimpdanciák stén tljsíthtő a fázisfltétl. A.8. illtv a.7. gynltkből látható, hogy az rősítés a hullámimpdanciáktól, azaz az / hányadosoktól és gm értékétől függ. Az lőző pontokban lvont kövtkzttésk alapján kijlnthtjük, hogy a fázisfltétl csak akkor tljsül, ha. Ekkor azonban a.3. gynltnk mgfllőn, a gatvonal és a drainvonal sávszélsség gynlő kll, hogy lgyn (az szorzattal fordítottan arányos). FEJEET 9

34 A fszültség- vagy áramrősítés-sávszélsség szorzatot kiszámíthatjuk, ha a fszültségrősítés és az áramrősítés abszolút értékénk képltit (.5.,.6. képltkből) szrint intgráljuk és c között. ES A c Ngm Ngm π Ngmπ d c (.9) c c Ngm Ngm π Ngmπ ES I d c (.5) c A.9. képlt rdmény a od által kiszámított érték fl (lásd lső fjzt.. képlt). Ez érthtő is, hiszn a kimntr a tranzisztorok jlénk csak a fl jut l, a másik fl a vaklzárás flé trjd. Mivl a tljsítmény-rősítést a.. képlt szrint lht a fszültség-, illtv áramrősítésből kiszámítani zért kijlnthtjük, hogy a fázisillsztés fnnállása stén az aktív szköz transzkonduktanciája és a parazita kapacitásainak értéki határozzák mg az rősítő rősítés-sávszélsség szorzatát, vagyis nnk érték nm függ az induktivitások értékétől. Általában a mikrohullámú tranzisztorok (MESFET, HEMT, HT) flépítés olyan, hogy a gat és a drain parazita kapacitások értéki ltérnk. Így maximális rősítéssávszélsség szorzatot lérni csak ltérő gat és drain impdanciák mlltt lht, méghozzá akkor, ha az lőírt lzáró impdanciák és a tranzisztor kapacitásai között a.5. gynlttl adott összfüggés áll fnn: T ( ) (.5) T ( ) Amikor z nm tljsül, (pl. adott fix lzáró impdanciák stén, amly a mikrohullámú gyakorlatban általában 5 Ohm)), akkor fázissbsség-különbség lép fl a gat- és drainvonalak között. A fázisfltétl fnnállása stén a gat- és a drainvonal mgfllő hullámimpdanciáinak kisfrkvnciás értékr normalizált frkvnciamnti azonosak, vagyis függtlnk az / hányadosoktól. Ebből kövtkzőn az rősítés normalizált frkvnciamnt ugyancsak függtln az / hányadosoktól. Így akkor, amikor az rősítés normalizált frkvnciaválaszára vagyunk kíváncsiak, számítástchnikai gyszrűsítés végtt lég azt az stt tárgyalni, amikor a két vonal azonos. Azonos gat- és drainvonalak stén - hlyttsítéssl nyrhtő a.5. gynltből a fszültségátvitl, illtv a.7. gynltből a tljsítmény-rősítés képlt. gm N N A (.5) N r( ) gm N P (.53) Ezn mnnyiségkt a frkvncia függvényébn, különböző fokozatszámok stén (, és 6) a.. ábrák mutatják logaritmikus skálában. Mind az gynltk (.8.,.9.), mind az ábrák alapján kijlnthtjük, hogy sm a lvágási frkvncia, sm a 3d-s sávszélsség nm függ a fokozatszámtól. Az lőző pontokban lvont kövtkzttésk és a gynltk alapján kijlnthtjük, hogy a fázisillsztés szükségs és légségs fltétl annak, hogy az rősítő frkvnciamnt függtln lgyn a fokozatszámtól. FEJEET 3

35 log A(f) log P(f) log A(f) [d] 6 8 N N N6 log P(f) [d] 6 8 N N N6 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia[Hz] a) b).. ábra.,,6 fokozatú rősítő a) fszültségrősítés, b) tljsítmény-rősítés a frkvncia függvényébn, logaritmikus skálában, azonos gat- és drainvonal stén.. pf, 5 Ohm.. alfjzt: Vsztségmnts és parazitamnts, koncntráltlmű rősítő illsztési problémái Az losztott rősítő ki- és bmnti illsztési problémáit, a ki- és bmnti impdanciáinak ismrtébn tudjuk mgvizsgálni. Az ddig vizsgált struktúrájú (unilatrális) rősítő ki- vagy bmnti impdanciája a művonal T, illtv Π hullámimpdanciája lht attól függőn, hogy az adott vonal T-tagban vagy Π-tagban végződik-. A gyakorlatban az rősítő vonalainak T-tagban történő mgszakítása valósítható mg könnybbn, így általában az rősítők bmnő, illtv kimnő impdanciája a gat-, illtv drainvonal T hullámimpdanciáival gyzik mg (fltétlzv, hogy a vonalak másik végén a vaklzárások ugyancsak a T impdanciával gyznk mg). Rflxiómnts lzáráshoz az rősítőt mind a bmntn, mind a kimntn zkkl klln lzárni (mivl az átrsztő sávban a művonal hullámimpdanciák valósak (vsztségkt lhanyagoljuk), zért zk mindjárt mggyznk a konjugált komplx lzárással is), azaz szélssávú illsztő hálózatot klln alkalmazni a külső, valós konstans (általában 5 Ohm-os) kapcsolódó impdanciák és az rősítő között. Sajnos azonban a szükségs illsztő hálózat már koncntrált lmkből is csak közlítőlg mgvalósítható, ráadásul ign magas frkvnciákon, ahol az rősítőnk általában működni kll, és ahol lkrülhttln losztott lmk alkalmazása is, ralizációja ign nhéz. Így a gyakorlatban az rősítőt az stk túlnyomó többségébn konstans impdanciájú gnrátorral (általában 5 Ohm) szokták mghajtani, illtv konstans impdanciájú trhléssl szokták lzárni még azon az áron is, hogy így magasabb frkvnciákon a kimnti és a bmnti illsztés lromlik, és így a flhasználható sávszélsség csökkn. A továbbiakban az így lzárt rősítő azon sávszélsségét határozom mg, amlyn blül a kiés bmnti illsztés gy lőírt rflxiós korláton blül marad. Abban az stbn, ha az adott vonal T-tagban végződik a bmnti (vagy kimnti) rflxió abszolút érték, gy (konstans, frkvnciafüggtln) lzárás stén a.5. gynlttl számítható ki: b ( ) Γ( ), b ( ) T ( ) (.5) b ( ) Fltétlzv, hogy b () a kritikus frkvncia környékén, valamint tudván, hogy b() monoton csökkn az átrsztő sávban, T kifjzésénk bhlyttsítés után, mgfllő átalakításokkal mgkapható az lőírt rflxióhoz tartozó rlatív (lvágási frkvnciához viszonyított) sávszélsség adott lzárás mlltt. FEJEET 3

36 ' ( Γ ) ( ) ( Γ ) Γ Γrl, (.55) c ( Γ ) ahol, ' (.56) Például, ha a lzárás -al (a T hullámimpdancia kisfrkvnciás értékévl) gynlő, és d-nél jobb illsztés szükségs, akkor az rősítő a lvágási frkvncia 57.5%-ig használható. Mivl az rősítő ki- illtv bmnti impdanciája ( T hullámimpdancia) monoton csökkn az átvitli sávban (.7.a ábra), zért z az érték növlhtő a rflxiós korlát változatlanul hagyása stén, ha csökkntjük a lzáró impdancia értékét. Trmésztsn kkor a kisfrkvnciás illsztés lromlik, így a csökkntés addig folytatható, míg a rflxió kisfrkvncián az lőírt Γ értékén blül marad. Az lérhtő maximumot akkor kapjuk mg, ha a kisfrkvnciás rflxió éppn az lőírt határérték. Ehhz a lzáró impdanciának a.57. gynlttl adott értékűnk kll lnni. ' Γ (.57) Γ A rlatív sávszélsségkt néhány rflxió értékr a.. táblázat adja mg. A táblázat lső sora a kisfrkvnciás hullámimpdanciával ( ), történő lzárás stét, a második sora a.57. gynltnk mgfllő lzárás stét mutatja. átható, hogy a növkdés jlntős (>%), különösn a szigorúbb rflxiós kövtlményk stén. A lvágási frkvncia érték változatlan marad, így thát a rlatív sávszélsség növkdésévl arányosan nő az a fizikai sávszélsség is, amlyn blül az lőírt rflxiós korlát tljsül. A továbbiakban zt a sávszélsségt működési sávszélsségnk fogom nvzni. A módszr hátránya azonban az, hogy az rősítés érték az illszttlnség okozta ütközési csillapítás mgjlnés miatt csökkn, annak llnér, hogy az rősítő vonalainak / hányadosa nm változik. Az ütközési csillapítás értékét (b- és kimnti összsn), valamint az rősítés bcsült új rlatív értékét a.. táblázat mutatja. A működési rősítés sávszélsség (továbbiakban MES) szorzat bcsült új értékét százalékosan a táblázat utolsó sora mutatja mg. Γrl Γd Γrl Γ6d Γ rl Γd rl ha Γ rl ha Γ α ütközési.9 d. d.86 d Erősítés rlatív érték % MES szorzat bcsült új érték %.. Táblázat áthatóan gy bizonyos rflxió érték fltt (kb. - d) az rősítés csökknésénk mérték mghaladhatja a működési sávszélsség növkdését. Ekkor már a módszr nm növli mg a MES szorzatot, így az ljárás alkalmazása csak akkor célszrű, ha az gydüli cél a működési sávszélsség növlés. FEJEET 3

37 Elvilg a lzáró impdancia csökkntéséhz hasonló hatást érhtő l akkor, ha nm a lzáró impdanciát csökkntjük, hanm az / hányados értékét (a vonal T hullámimpdanciájának értékét) növljük. Ezt abban az stbn alkalmazhatjuk, ha a lzáró impdancia érték nm változtatható. Két lénygs különbség azonban fnnáll az lső sttl összhasonlítva. Egyrészt az / hányados értékénk változása miatt változik az rősítés, másrészt általában változik az szorzat is, azaz a lvágási frkvncia érték. Mivl a T hullámimpdancia monoton csökkn, zért ilynkor rflxió szmpontjából kritikus mgint a kisfrkvnciás rész lsz. Ennk mgfllőn lőírt Γ rflxiós korlát stén, a régi / hányados értékét (( ) ami a lzáró impdanciával gyzik mg) az új / érték ( új ), maximum a.58. gynltnk mgfllő mértékbn haladhatja mg. Γ új (.58) Γ áttuk a.3. fjztbn, hogy az rősítés-sávszélsség szorzat nm változik abban az stbn, ha a kapacitások értéki nm változnak mg, és a gat- illtv drainvonal közti fázisillszttlnség adott mérték (amiről a kövtkző alfjztbn lsz szó és q-al fogunk jlölni) fnnmarad. A gyakorlatban a kapacitások lgtöbbször nm változnak, mivl az aktív szköz fizikai paramétri által mghatározottak (lvilg lhtőség van a kapacitás értékénk növlésér, illtv csökkntésér, párhuzamos, illtv soros külső kapacitás biktatásával [5], azonban a mai monolit tchnológiák által biztosított tranzisztor kapacitások nagyságrndj mlltt, zk parazitái (pl. csatlakoztatás) ign nagy mértékbn rontják az lérhtő potnciális sávszélsségt, így szélssávú monolit rősítőknél (> Hz) nm is láttam ilyn mgoldásokra példát). Így az / hányados értékénk növlését csupán értékénk növlésévl kll lérni, a kapacitások értékénk változatlanul hagyása mlltt. Ekkor azonban lcsökkn a vonalak lvágási frkvnciája ( c ). Így a maximális lérhtő rlatív sávszélsség mggyzik ugyan a.. táblázat második sorában mgadott értékkkl, azonban mivl c lcsökknt, zért ugyanaz a rlatív frkvncia érték ( Γrl ), fizikailag kisbb frkvnciát, vagyis kisbb működési frkvnciát jlnt. Az adott rflxióhoz tartozó működési frkvnciát mgkapjuk, ha a.. táblázat második sorának értékit bszorozzuk a mgváltozott lvágási frkvncia rlatív értékivl (amly az rdti lvágási frkvnciához viszonyítok és a.3. táblázat lső sorában adok mg). A kiadódó működési frkvnciákat a.3. táblázat második sorában adom mg. A.3. táblázat második sorát összhasonlítva a.. táblázat lső sorában látható kiinduló értékkkl, azt a mglpő rdményt kapjuk, hogy az mgnövkdés miatt a lvágási frkvncia csökknés olyan nagymértékű is lht, hogy a mgnövkdő rlatív frkvncia érték llnér, a ténylgs működési frkvncia alig nő, vagy stlg még csökkn is. Az rősítés változását két tényző adja: gyrészt csökkn az ütközési csillapítás mgjlnés miatt, másrészt arányosan nő az rősítő vonalimpdanciáinak növkdésévl, amlyt az induktivitások értékink növkdés idéz lő. Az ütközési csillapítás miatti rősítés csökknés mggyzik az lőző stévl, így azt a.. táblázat ngydik sora adja mg. Az rősítő impdanciáinak növkdéséből adódó rősítésnövkdést százalékosan a.3. táblázat harmadik sora adja mg. A számítás során fltétlztük, hogy a bmntt és a kimntt azonos mértékbn változtatjuk. Az rősítés tljs változását a táblázat ngydik sora adja mg. A MES szorzat bcsült változását az ötödik sor mutatja. Mint látható a növkdés stabilan körülblül másfélszrs, thát a módszr lőnyösbb ahhoz az sthz képst mikor a lzáró impdanciát csökkntjük l. Ennk oka, hogy itt az rősítés növkdés jlntősn javít a hlyztn. Trmésztsn a módszrk alkalmazhatósága rősn függ a körülményktől. Például, ha a célunk az rősítő sávszélsségénk a mgnövlés, akkor a bmnti vonal (amly általában bből a szmpontból kritikus) impdanciájának növlés csak ign korlátozottan thtő mg. Ilynkor a MES szorzat a táblázatban mgadottnál kvésbé nő. FEJEET 33

38 Γ Túj T stén: Γrl Γd Γrl Γ6d Γrl Γd Γ rlatív változása Működési frkvncia ( rl ) új érték az rdti -hz viszonyítva Működési frkvncia ( rl ) változása % Impdancia növkdésből adódó rősítés változás % Σrősítés változás % MES szorzat bcsült változása % Táblázat Abban az stbn, ha az adott vonal Π-tagban végződik a bmnti (vagy kimnti) rflxió abszolút érték gy konstans lzárás stén, hasonlóan az ddigikhz, a.55. gynlttl számítható ki. A különbség annyi, hogy a képltbn szrplő bmnő impdancia a vonal Π hullámimpdanciája, azaz b ( ) Π ( ). Mivl Π () monoton nő a frkvnciával, így fltétlzhtjük, hogy b (). hlyttsítv Π () kifjzését, mgfllő átalakításokkal bbn az stbn is mgkaphatjuk az lőírt rflxióhoz tartozó rlatív sávszélsségt. Γrl Γ c ' ( ) ( Γ ) ( Γ ) ( Γ ) ' (.59) Mivl most Π () a lvágási frkvnciáig monoton növkszik, így ahhoz hogy mgnövljük az lőírt rflxióhoz tartozó működési frkvnciát, a lzáró impdanciákat bbn az stbn növlni kll. Az új normalizált lzáró impdancia értékt adott rflxiós korlát stén a.6. gynlt adja mg Γ ' (.6) Γ Ezt és a rflxió értékét.59. gynltb hlyttsítv mgkapjuk az lőírt rflxióhoz tartozó rlatív frkvnciát. Ennk érték különböző rflxiós értékknél mggyzik a.. táblázat második sorának értékivl. Ekkor thát tljsn hasonlóan ahhoz az sthz mikor a vonal T- tagban végződik, az rősítés csökkn az ütközési csillapítás miatt, és a működési sávszélsség mgnő. Abban az stbn amikor a lzáró impdanciát nm lht mgváltoztatni, a vonal hullámimpdanciáját lht lcsökkntni. Ekkor mivl a hullámimpdanciát az ddigikkl összhangban a hosszági induktivitás értékénk csökkntésévl változtatjuk, zért a lvágási frkvncia mgnő, és prsz az rősítés lcsökkn. Ellntétbn a T-tagban végződő vonallal, jln stbn a lvágási frkvncia növkdés miatt, a működési frkvncia növkdés mghaladja a rlatív frkvncia növkdésénk mértékét (az új rlatív frkvncia értékk mggyznk a.. táblázat második sorában mgadottakkal). A lvágási frkvncia rlatív növkdését a.. táblázat lső sorában adom mg. A működési frkvncia rlatív növkdését pdig ugyanzn táblázat második sorában (az.. táblázat második sora ltt szorozva a.. táblázat lső sorával). átható, hogy a működési frkvncia bbn az stbn nagymértékbn mg tud nőni. FEJEET 3

39 Γ Π új Π stén: Γrl Γd Γrl Γ6d Γrl Γd Γ rlatív változása Működési frkvncia új rlatív érték Működési frkvncia ( rl ) változása % Impdancia csökknésből adódó rősítés változás % Σrősítés változás % 5 66 MES szorzat új bcsült érték % táblázat Ha fltétlzm, hogy az rősítő mindkét vonalát azonosan változtatom, akkor sajnos az rősítés még nnél is nagyobb mértékbn l tud csökkni. Így a kiadódó MES szorzat változás csak kis rflxiós (- d) értékk stén pozitív. Mgjgyzném azonban, hogy gy valóságos rősítőbn a drainvonal sávszélsség általában többszörös a bmnti vonalénak, így az ljárás alkalmazására csak a bmnti vonalon van szükség. Ekkor viszont az rősítés csökknés jóval kisbb lsz és így a MES szorzat változás nagyobb rflxiós értékig lht pozitív. Az ddig lírtakat összfoglalva a kövtkző lhtőségk vannak a működési rősítés sávszélsség szorzat mgnövlésér lőírt rflxiós korlát stén. T-tagra végződő vonalak stén: ). lzáró impdancia lcsökkntés (nagy rflxióknál (- d) nm hatékony) ). hullámimpdancia növlés (mindig hatékony, d a sávszélsség jlntősn csökknht, és az rősítés jlntősn növkdht) Π-tagra végződő vonalak stén: 3). lzáró impdancia növlés (nagy rflxióknál (- d) nm hatékony) ). hullámimpdancia csökkntés (csak kis rflxiónál hatékony (- d), jlntős sávszélsség növkdés és rősítés csökknés) énygs tulajdonság, hogy a -l és -l jlölt ljárások során mgváltozik a vonal szkciónkénti fázistolása. Eltérőn alkalmazva őkt az rősítő két vonalára, korlátozottan bfolyásolható gat- és drainvonalak közötti fázisillszttlnség mérték. Ennk jlntőségét a.5. alfjztbn lmzm. Mg kll jgyznm, hogy valóságos trvzésnél általában a tranzisztorkapacitások és lzáró impdancia értékk nm változtathatóak. Ennél fogva koncntrált lmű rősítő stén, a vonalak lvágási frkvnciája azaz a fázisillszttlnség mérték kötött, és így gydül az mlíttt módszrk használhatóak némi korrkcióra. Például, ha a gatvonal sávszélsség ign kicsi, a drainvonal sávszélsségévl összhasonlítva, akkor a gatvonalnak érdms Π-tagban végződni, hogy hatékonyan tudjuk mgnövlni a működési sávszélsségt a -s módszr alkalmazásával. A drainvonalnak viszont érdms T-tagban végződni annak érdkébn, hogy a gatvonal által okozott rősítés csökknést kompnzálni tudjuk a -s módszr sgítségévl. Az mlíttt ljárások rdményképpn közlíthtő, llntétsn alkalmazva pdig távolítható gymáshoz képst a két vonal lvágási frkvnciájának érték, azaz fázisillszttlnség mérték változtatható. A módszrk a gyakorlatban sajnos korlátozottan alkalmazhatóak. Egyik nhézség, hogy magas frkvnciákon csak a T-tagos végződés mgvalósítása gyszrű, a Π-tagos végződés mgvalósítása ign nhéz, zért az irodalomban publikált, mgvalósított mikrohullámú rősítők csak az lső struktúrát használják. FEJEET 35

40 Másik probléma, hogy a vaklzárásoknak illsztttnk kll lnni. Az irodalomban, csak a koncntrált lmű drivált féltagos illsztés részlts tárgyalása található mg, azonban nnk nagyfrkvnciás ralizációja gyakorlatilag lhttln. Emiatt a gyakorlatban a vakoldali lzárásokat általában számítógéps optimalizáció utján trvztt losztott lmű hálózatokkal ralizálják. A vaklzárásokon fllépő rflxiók hatását inzton [5] lmzt. Az általa mgadott gynlt szrint (.6. gynlt) a rflxiók hullámzást okoznak a fszültségátvitlbn: ' N sin ( ) ( N ) ( ) A A Γ Γ (.6) N sin A sin(n)/nsin() függvény érték /N sávközépn, ha () és vagy akkor, ha (π). A hullámzás mérték thát sávközépn csökknthtő a fokozatszám mlésévl, azonban és környékén mg fog gyzni a rflxiók összértékévl. A lvágási frkvncia közlébn azonban, konstans lzárás stén annyira rossz a bmnti, illtv kimnti rflxió, hogy az rősítő működésképtln, így az ott tapasztalható kimlés vagy lvágás érdktln. Az lőírt rflxió alapján számított működési frkvncia flső határa pdig általában a középső frkvnciatartományba sik, ahol a hullámzás kis értékű. Az mlíttt okok miatt thát a környéki kimlés az a kritikus paramétr, ami mghatározhatja illszttlnség maximális mértékét a vaklzárásokon. Ha pl. maximálisan %-os kimlést ngdélyzünk a fszültségátvitlbn ( P<.3d), akkor a bmnti, illtv a kimnti vonal vaklzárásán a rflxióknak gyaránt --d-nél jobbnak kll lnni, ha fltétlzzük, hogy azok gynlők. Eddigikt összfoglalva: ha az alkalmazott vaklzárás kis rflxiót mutat alacsony frkvncián, akkor az rősítő vislkdés nm fog lénygsn különbözni az ddig számítottaktól. Ilyn például gy olyan konstans lzárás, amink az érték a vonal hullámimpdanciáival gyzik mg kisfrkvncián. Szrncsér valóságos tranzisztor stén a hlyzt ráadásul még kdvzőbb, mivl a drain vsztségk miatt kisfrkvncián sik az rősítés (lásd. fjzt), ami némiképp kompnzálja a környéki kimlést..5. alfjzt: Vsztségmnts és parazitamnts, koncntráltlmű rősítő fázisillszttlnségből adódó problémái Amint azt a.3. fjztbn láttuk, a gat- és a drainvonal fázisillsztés stén, vagyis mikor, a sávszélsség függtln a fokozatszámtól. Fázisillszttlnség stén sajnos z nm igaz. A mai mikrohullámú, illtv millimétr hullámú tranzisztorok gat-sourc kapacitás érték általában nagyobb a drain-sourc kapacitás értékénél. Az zkből flépíttt rősítőbn, azonos lzáró impdanciák (5 Ohm) közé trvzv, biztosan fllép fázissbsség különbség. Általában miatt a gatvonal sávszélsség kisbb, mint a drainvonalé. Az illszttlnség mgszüntthtő értékink (és így a vonalimpdanciáknak) olymérvű mgváltoztatásával, hogy az szorzatok kigynlítődnk. Ilyn módon az illszttlnség gyik mérőszáma lht a hullámimpdanciák és a kapacitások szorzatának a hányadosa. Ez tulajdonképpn az szorzatok gyökénk a hányadosa, amly a lvágási frkvnciák hányadosával fordítottan arányos. Ezt a mnnyiségt jlöljük q-val: T ( ) q.6 T ( ) Az rősítés kisfrkvnciás értékr normalizált értékét a.63. gynlt alapján tudjuk kiszámítani: FEJEET 36

41 r( ) N r( ) N P( ) K( ) P( ).63 P() N K A további vizsgálatokhoz fltétlzzük, hogy a gatvonal sávszélsség kisbb, mint a drainvonalé, vagyis q> (gy mai mikrohullámú tranzisztorban a gat-sourc kapacitás érték általában kétszrs a drain-sourc kapacitásénak, így azonos hullámimpdanciák stén q.). Mivl az rősítő a kisbbik lvágási frkvncia fölött nm tud működni, zért a frkvnciát hhz (jln stbn -hz) kll viszonyítanunk. Így thát a rlatív frkvncia a.6. képlttl adott: rl (.6) Amnnyibn úgy változtatjuk q értékét, hogy csak a nagyobbik sávszélsségt (jln stbn a drain sávszélsségt) változtatjuk, akkor a.6. képlt alapján a rlatív frkvncia arányos marad a frkvnciával. A.63. képltbn szrplő összg gy mértani sor összg, thát kifjzhtő zárt alakban: N N ( ) N N N N N sin ( ) h K (.65) ( ) K sinh( ) ahol (.66) Az általunk vizsgált frkvnciatartományban (<, ) mind, mind képzts. Flhasználva az lőbb mlítttkt, a.63. gynlt flírható másképpn is: N sin( ) P( rl) P( ) rl (.67) P() N sin( ) rl rl q A.. ábra a.67. kifjzést mutatja, logaritmikus skálában, különböző fokozatszámok stén, q stér. log P(f)/P() log P(f)/P() [d] N N N3 N N5-5 5 Frkvncia[Hz].. ábra Tljsítmény-rősítés a kisfrkvnciás értékér normalizálva, q-s fázisillszttlnség stén, különböző fokozatszámoknál (. pf, 5 Ohm ) FEJEET 37

42 Az ábrából látható, hogy fázisillszttlnség stén a fokozatszám növléskor az rősítésbn lvágás tapasztalható. Ez a hatás, a fokozatszám célszrű mgválasztása stén kompnzálja a lvágási frkvncia körül tapasztalható kimlést, és záltal szélsbb sávban gynltssé tszi az átvitlt. Azonban a fokozatszám további növlés dominánssá tszi a második hatást és a sávszélsség radikálisan csökkni kzd. A lvágás mérték három paramétrtől függ: a fokozatszámtól, a q értékétől, illtv az adott illsztéshz (pl. Γ d) tartozó rlatív frkvncia értékétől. Ez utóbbi értékét az lőírt rflxió érték és a lzárás milynség határozza mg (lásd... fjzt) A jlnséggl kapcsolatban többk között Járó doktori disszrtációjában [] lht a trvzéshz jól flhasználható rdménykt találni. Ebbn idális (csak a b és kimnti kapacitásokat és transzkonduktanciát tartalmazó tranzisztorokból flépülő) rősítőr a transzimpdancia ltérését lht mgtalálni (a kisfrkvnciás értékhz képst), adott illsztéshz tartozó határfrkvncián, különböző fokozatszámok és q értékk stén. Járó thát a rlatív frkvnciát vtt állandónak (konstans lzárás stén, Γ d-s illsztéshz tartozó rlatív frkvncia: rl,575). Az általa mgadott, rl,575-hz (Γ d-hz) tartozó görbékt a.. ábra mutatja. A görbék a transzimpdancia ltérését adják mg a fokozatszám függvényébn. Ζ Γ d [d] N - fokozatszám.. ábra Fázisillszttlnség hatása adott rlatív frkvnciánál, különböző q és fokozatszám értékknél (Járó alapján) Hasonló ábrák rajzolhatók fl bármlyik más rősítés jllgű mnnyiségr (tljsítmény-, fszültség-, áramrősítés, stb) a.3. fjztbn lvzttt összfüggésk alapján (pl a tljsítmény-rősítés ltérés a.6. gynlt alapján számítható ki). A továbbiakban szét kll választani a rlatív frkvncia fogalmát az illsztéstől. Nyílván gy lőírt rflxiós korlát btartása a vonalak lzárásától függ. Idális a lzárás, ha gészn a vonalak lvágási frkvnciájáig biztosítja az lőirt illsztést, vagyis rl. A gyakorlatban az idális lzárás csak mgközlíthtő. A fjztbn végztt vizsgálódások szmpontjából lénygtln, hogy miként érjük l gy adott rflxiós korlát btartását, az lőírt rlatív frkvncia értékig. Itt csak a rlatív frkvncia érték a mghatározó, az lőírt rflxió mgvalósítása ttől különválasztható tchnikai kérdés. Más rlatív frkvncia értékn (ha mgváltozik az illsztési fltétl, vagy a lzárás) más görbsrg flrajzolása szükségs. A gyakorlatban lgtöbbször arra vagyunk kíváncsiak, hogy adott fltétlk mlltt (q, rlatív frkvncia) mkkora az a fokozatszám-tartomány, amly gy lőírt rősítés-ltérés tartománynál (pl. P( rl ) <d) kisbb ltérést rdményz. Azért kll fokozatszámtartományról bszélni, mivl a tartomány értékinél kisbb fokozatszám stén túlzott kimlést, nagyobb fokozatszám stén túlzott lvágást tapasztalhatunk. Nyilvánvalóan csak magasabb rlatív frkvnciatartományban lsz az alsó határnak jlntőség, mivl itt tapasztalható jlntős kimlés. FEJEET 38,,,3,,5,6,8,3 3

43 Ahhoz, hogy a fokozatszám-tartományt mg tudjuk mondani a.67. gynltt kll N- r mgoldani. Ez a fladat csak közlítéssl, numrikusan, illtv grafikusan oldható mg. A grafikus mgoldás stén gy adott rlatív frkvncia értékn flrajzolt görbsrgből lht a krstt fokozatszámot lolvasni: pl. a transzimpdancia stén zt a.. ábra mutatja, d hasonlóképpn járhatunk l a tljsítmény-rősítés stén a.67. képlt sgítségévl. A közlítésnél a.67. gynltbn a szinusz függvénykt sorba kll fjtnünk. N közlítéséhz a.67. kifjzés nvzőjébn lévő sin sorfjtés lvilg nm is szükségs, azonban ha ott is sorbafjtünk az rdő kifjzés pontosabb lsz, hiszn a számlálóban és a nvzőbn a hiba jllg mggyző. Az abszolútérték képzés argumntumában lévő kifjzésk rlatív ltérés azonban ilynkor ign cskély: pl. kisbb, mint zrlék még lfajult, a valóságban gyakorlatilag nm létző stkbn is ( rl, q5 és N3). Az lső három tag figylmbvétl stén (később blátjuk, hogy lég ahhoz, hogy a gyakorlatban lőforduló fokozatszámok és q értékk stén z jó közlítést ad) a.67. gynlt flírható másképp is: N N q P( ) 5! rl (.69) * rl q rl 5! ahol acosh( rl ) acosh( ) rl (.7) q Az átvitli sávban tisztán képzts, így a.69. gynltbn a polinomok valós pozitív értékűk. Ekkor az gynltből lhagyható az abszolútérték képzés. Ezt a módosított formulát átrndzv, N-r gy másodfokúvá rdukálható nyolcadfokú gynltt kapunk. A nyolc gyök közül négy ngatív rdményt ad, ami fizikailag nm létző mgoldásnak fll mg. A maradék négy gyök közül kttő komplx rdményt ad, amly nm ralizálható. A harmadik csökknő P értékkr csökknő N értékkt ad, rögzíttt q, illtv rl értékknél. Ez nyilvánvalóan nm rális, hisz a.., illtv.. alapján is kijlnthtjük, hogy csökknő fokozatszám stén a lvágás gyngébb lsz (vagyis P érték nő). Így az gydüli fizikailag értlmzhtő mgoldás a.7. gynlttl adott. N (, q, P) rl 3 ( 9 8 )( ) / rl q (.7) Különböző P ltéréshz tartozó N értékkt, a rlatív frkvncia függvényébn, q. stén, a.3. ábra adja mg. rl / P FEJEET 39

44 Ν( rl, P,q.) rl dp-3d dp-d dp-d dpd dpd dp3d.3. ábra: adott P ltéréshz tartozó fokozatszám q. stén, a rlatív frkvncia függvényébn Egynél nagyobb P értékknél ( P[d]>) a kimlést kll kompnzálni, így kkor a kapott görb alsó határt jlnt a fokozatszámra. Egynél kisbb P értékknél ( P[d]<) a lvágás mértékét kll korlátoznunk, így a kapott görb flső határt jlnt a fokozatszámra. Ezk alapján lolvasható gy adott ltéréstartományhoz tartozó fokozatszám-tartomány (pl d< P<d stén, rl.575-nél 3 N 6). Más q értékk stén más görbsrg flrajzolása szükségs, illtv az ábra kitrjszthtő három dimnzióba a q-nak, mint második változónak a bvztésévl. A.3. ábra görbéi közlítő összfüggésk rdményi. Mg kll vizsgálnunk, hogy mly tartományokban (q, rl, N ) lfogadható a közlítés hibája. A közlítés rlatív hibáját kiszámíthatjuk a.7. gynlt sgítségévl. 3 5 N N N 3 N 5 sin( ) 5 8 5! 3 5 sin( ) N 5 8 Err 5! (.7) N sin( ) sin( ) A kifjzést a..a ábra mutatja. átható hogy a %-os rlatív hiba, N /.35-nél adódik (kimutatható, hogy a görb gyakorlatilag változatlan marad különböző N értékkr). Így a szkciónkénti fázistolás-különbségr a.73. gynlőtlnség ad flső korlátot, %-os rlatív közlítési hiba stén:.7 ( rl, q) (.73) N Ez az gynlt lggyszrűbbn grafikusan, a..b ábra alapján oldható mg. A különböző q értékkhz tartozó fázistolás különbségkt, és különböző fokozatszámoknál az gynlőtlnség jobb oldalát gy koordináta rndszrbn ábrázolva, a mtszéspontok mgadják a rlatív frkvncia flső határát, amddig a közlítés az lőírt pontosságú (% rlatív hiba). Összvtv a.3. és a..a ábrát láthatjuk, hogy q. stén az idális N fokozatszámnál, rl.95-ig közlítésünk tljsíti a % pontossági fltétlt. FEJEET

45 Err(N / ) rl -.5 N6 N N3 N q. q. q.8 q. q.6 q N / -5 N stén % rlatív hiba rl a) b).. ábra. a) rlatív hiba az N / függvényébn b).73-s gynlőtlnség grafikus mgoldása különböző q értékknél és fokozatszámoknál. Elvilg lhtségs az gyszrű sorbafjtés hlytt pontosabb algoritmusok alkalmazása is (pl. Nwton-Raphson módszr), azonban kkor a közlítő kifjzés sokkal bonyolultabbnak adódik..6. alfjzt: Vsztségmnts, koncntráltlmű rősítő parazita induktivitásokkal Az losztott rősítő tranzisztorainak gat és drain kontaktusainál sajnos soros parazita induktivitások is jln vannak. Ebbn az stbn a tranzisztor hlyttsítőkép a.5. ábrának mgfllő. g m S.5. ábra Tranzisztor hlyttsítőkép parazita induktivitásokkal Az rősítő smatikus ábrája bbn az stbn a.6. ábrán látható. IN / / / / T T u S / / / / OUT T T g m g m g m.6. ábra Parazita induktivitásokat tartalmazó losztott rősítő smatikus ábrája Egy ilyn struktúrájú losztott rősítő vonalainak gy lmi T-, illtv féltagját a.7. ábra mutatja. FEJEET

46 / / / / / / T T / / T-tag féltag.7. ábra Elmi T-tag és féltag parazita induktivitások stén Egy ilyn művonal krsztági admittanciáit és a hosszági impdanciáit a.7. gynltk adják mg. j, j (.7) hlyttsítv zkt a.3. gynltb a hullámimpdanciák kifjzését kapjuk: T, Π (.75) A hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamntét különböző krsztági induktivitás ( ) értékk stén a.8. ábrák mutatják: R(T)[Ohm] R( T ) bnh b. b.5 b.8 Im(T)[Ohm] 8 6 bnh b. b.5 b.8 Im( T ) 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia(Hz) R(π(Ohm)) R( π ) bnh b. b.5 b Frkvncia[Hz] Im( )[Ohm] bnh b. b.5 b.8 Im( π ) Frkvncia[Hz].8. ábra. Hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt normál bondolt rősítő stén.. pf, 5 Ohm. Egy féltag fázistolását a.6. gynltkből és a.7. gynltkből kapjuk: FEJEET

47 ( ) fél j Hasonlóképpn a gynltkből gy T-tag átvitli mnnyiségit kapjuk: V I ( ) AT V I j (.76) (.77) T P ( ) r( ) (.78) j ar cosh ( ) (.79) A trjdési tényző valós és képzts részét a.9. ábra mutatja: 6 R() Im() 5 bnh b. b.5 b.8 3 R( ) 3 Im( ) c 5 5 Frkvncia[Hz] bnh b. b.5 b Frkvncia(Hz).9. ábra T-tag trjdési tényző valós és képzts részénk frkvnciamnt parazita induktivitások stén.. pf, 5 Ohm. A.3. gynltnél lmondottak alapján.8. gynlt ugyancsak flírható másképp is: cos h( ) cos h( ) ( ) ( ) ( ) ( ) r ji cos h r cos i j sin h r sin i ( ) (.8) Hasonlóan a.3. gynlthz, ha a.8. gynlt jobb oldala és - közé ső valós szám, akkor r és i, vagyis a trjdési tényző képzts. Ekkor a T-tag nm csillapít, csak fázist forgat. A T-tag átvitlénk határfrkvnciáját így a.8. gynlttl mgadott gynlőtlnségből kapjuk mg. Ez a.8. gynlttl adott:.illtv. (.8) ( ) c (.8) ( / ) FEJEET 3

48 Határfrkvncia alatt ( c ) thát tag fázisforgatása éppn π. Amnnyibn pdig i tisztán képzts. Határfrkvncián a T- c, akkor r tisztán valós ( és ), vagyis az áramköri szkció csillapít. Az.8.gynltből azt is látjuk, hogy a határfrkvncia a soros parazita induktivitás értékér ( ) négyszr érzéknybb, mint az lválasztó induktivitáséra (). Így a parazita induktivitás minél kisbb értékn tartása alapvtő fladat. hlyttsítéssl visszakapjuk a parazita nélküli st határfrkvnciájának kifjzését (.33. gynlt). A transzfr T-tag átvitlét a.. ábra alapján számíthatjuk ki. I E / / I E / V E T T V E T Π V FÉ V V / / / I KI / A / I KI T T V KI T I gm / I gm / T V KI gm / gm /.. ábra Transzfr T-tag átvitlénk számítása Az ábra alapján a V fél mghatározásához gy féltag fszültségátvitlét kll kiszámítani a.. és.7. gynltk sgítségévl. VE ( ) V fél (.83) j A tranzisztor V vzérlőfszültségét bből fszültségosztással kapjuk: VE V (.8) j Az áramgnrátor áramát a.85.gynlt adja mg: I gm gmv (.85) A kimnti fszültségt a.. ábra alapján tudjuk kiszámítani (.86. gynlt). A szimmtria miatt az ábrán A-val és -vl jlölt pontok kvipotnciálisak, így a köztük lévő összkötttés ltávolítható. gmv Vki (.86) j hlyttsítv V kifjzését (.8. gynlt), valamint figylmb vév gy féltagnak a fázistolását (.76. gynlt), a.86. gynltből flírható a fszültségátvitl: FEJEET

49 FEJEET 5 b ki Tr gm V V A fél fél (.87) Az áramátvitlt a fszültségátvitlből is számíthatjuk: T b T ki b ki gm V V I I fél fél (.88) A tljsítmény-átvitl a.87. illtv.88. gynltkből számolható ki: ( ) * r Tr gm P (.89) Ismrv a transzfr T-tag tulajdonságait, kiszámíthatjuk a tljs rősítő átvitlét. A.. gynltb hlyttsítv.77. és.87. gynltkt az N fokozatú rősítő fszültségátvitlét kapjuk: ( ) ( ) N K K N gm A / (.9) Hasonlóképpn.5. gynltb hlyttsítv.77. és.88. gynltkt az N fokozatú rősitő áramátvitlét kapjuk: ( ) ( ) N K K N gm I / (.9) A tljsítmény-rősítés a.9. és.9. gynltkből kapjuk mg. ( ) ( ) ( ) * ) ( * N K K N K K Nr r gm P (.9) A fázisfltétl tljsülés stén ( ) az átvitl rlatív frkvnciamnt nm függ a fokozatszámtól. Ekkor az átvitl vizsgálható azonos gat és drainvonalak stén is (,, ), hiszn az rősítés normalizált frkvnciamnt függtln a vonalimpdanciák értékétől. Azonos gat és drainvonalak stén a fszültségátvitl és a tljsítmény-átvitl kifjzés lgyszrűsödik: ( ) gm N A N (.93) ( ) gm N P N r (.9)

50 log A(f) log P(f) log A(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh log P(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh c Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia[Hz].. ábra fokozatú parazita induktivitásokat tartalmazó rősítő a) fszültségrősítés b) tljsítmény-rősítés.. pf, 5 Ohm..6.. alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st parazita induktivitások stén Mint láttuk a.3. fjztbn, idális rősítő stébn, ltérő gat és drain kapacitások stén fázissbsség illszttlnség, vagy/és b- és kimnti illszttlnség lép fl, ha a.5. gynlt fltétli nm tljsülnk. A.. és.5. fjzt rdményit figylmb vév, a cél valójában adott gat és drain lzárások között és adott gat és drain tranzisztorkapacitás értékk stén, gy mgkívánt q érték lérés (vagy mgközlítés), úgy hogy mind a bmnti rflxió, illtv mind a kimnti rflxió gy lőírt határértékn blül maradjon. Ehhz idális stbn a.5. gynlt módosított változatát kll tljsítni: T ( ) q.95 T ( ) A T és T hullámimpdanciák kisfrkvnciás értékit az gynltbn úgy kll mgválasztani, hogy adott lzárások stén a rflxiók az lőírt határértékn blül maradjanak, illtv a.. fjzt módszrénk használata stén az ott lírt módon kll ljárni. Ellntétbn az idális sttl, mgfllőn mgválasztott parazita induktivitás értékkkl, még a.95. gynlt tljsíthttlnség stén is lhtségs bizonyos korlátokkal az mlíttt fltétlt tljsítni, mivl az induktivitásokkal ign hatásosan tudjuk az gys vonalak fázissbsségit változtatni anélkül, hogy a vonalimpdanciák (illtv azok kisfrkvnciás értéki) változnának. Trmésztsn zt csak akkor érhtjük l, ha mgfllőn kontrollálni tudjuk a parazita induktivitások nagyságát. Parazita induktivitások stén a q tényző a.96. gynlttl írható fl: q c c ( ) ( ) áttuk a.6. fjztbn, hogy a T hullámimpdanciák kisfrkvnciás értéki az / hányadosokkal arányosak. Ezt figylmb vév a.96. gynlt átalakítható olyan formára, amly tartalmazza az mlíttt impdanciákat. [ ( ) ] T c q [ c ( )] T.97. gynltből bármlyik parazita induktivitást kifjzhtjük: FEJEET 6

51 q [ ( ) ] ( ) T [ ] T q [ ( ) ] ( ) [ ] q T T.99 q Így bármlyik vonal parazita induktivitás értékénk mgkötés stén ki tudjuk számítani az lőírt q értékhz tartozó másik parazita induktivitás értékt. Prsz az rdmény csak akkor ralizálható, ha az pozitív (az adott kifjzés számlálója pozitív). Sajnos parazita induktivitások stén az rősítés ltérés képlt nm gyzik mg az idális stévl. Átvitli sávban az rősítés ltérés képlt a.. gynlttl adható mg: N sin q P( ) rl. ( )( ) q rl rl sin Abban az stbn, ha a parazita induktivitások értéki összmérhtők, vagy nagyobbak a hosszági soros induktivitások értékinél, akkor utóbbiak hatása lhanyagolható és alkalmazhatóak a.-. gynltkkl mgadott közlítésk: ( ). ( ). Ekkor a.. gynlt flírható másképp: N 3 sin q P( ) rl.3 3/ ( ) 3/ ( ) rl q rl sin Alkalmazva ugyanazt a közlítést, amlyt az idális stbn, mgkaphatjuk az alkalmazható fokozatszámot mgadó közlítő kifjzést parazita induktivitások stér, hasonlóan a.7. gynlthz. ( 9 8 )( ) 3/ 3 rl P rl q q N ( rl, q, P). Ábrázolva a.. gynltt q. stén és különböző P értékknél, a.3. ábrához hasonló görbékt kapunk. A.. ábrából látszik, hogy közlítésünk a lvágási frkvncia környékén nm jó, csak körülblül.8-as rlatív frkvncia értékig (az adott q értéknél). Azonban a görb mnt alapján bláthatjuk, hogy valószínűlg a.8-as rlatív frkvncia értékn kapott fokozatszám érték hasonló rdményt ad a lvágási frkvncia környékén is. Fontos mgjgyzni, hogy hasonlóan az idális sthz, az. fjztbn lírtaknak mgfllőn, vsztségk mgjlnés a hálózatban rősítés csökknést okoz a lvágási frkvncia környékén. Így kkor érdms kimlést bltrvzni az átvitlb magas frkvnciákon, kompnzálandó a vsztségk hatását. Mivl a kimlés mérték zzl a módszrrl trvzhtő, zért a kompnzáció mérték bállítható 3/.98 FEJEET 7

52 rl, P,q rl dp-3d dp-d dpd dp3d.. ábra: adott P ltéréshz tartozó fokozatszám q. stén, a rlatív frkvncia függvényébn, parazita induktivitások stén.7. alfjzt: Vsztségmnts, koncntráltlmű rősítő V-alakban bkötött parazita induktivitásokkal A tranzisztor gat és drain csatlakoztatások parazita induktivitásainak káros hatását az lőző fjztbn láttuk. sökkntését vagy a parazita induktivitás értékénk csökkntésévl, vagy/és a tranzisztorok célszrű csatlakoztatásával érhtjük l. [S7, S8] publikációimban gy újfajta csatlakoztatási módot javasoltam az úgynvztt V- csatlakoztatást. Az rősítő smatikus ábráját bbn az stbn a.3. ábra mutatja. E / / / / V T V T u s / / / / KI V T V T g m g m g m.3. ábra Elosztott rősítő hlyttsítőkép, ha a tranzisztorok V-alakban vannak bkötv Egy ilyn struktúrájú losztott rősítő vonalainak gy lmi T-, illtv féltagját a.. ábra mutatja. Ha figylmsn mgnézzük az ábrát észrvhtjük, hogy bbn az stbn az rősítő kimnti, illtv bmnti vonala ugyanolyan létrastruktúrájú mint az idális, parazita induktivitás mnts stbn, azzal a különbséggl, hogy itt a soros induktivitáshoz () hozzáadódik a parazita induktivitás értékénk kétszrs ( ). Ennk mgfllőn az idális st gynlti érvénysk a.5. gynlt által adott hosszági impdancia és krsztági admittancia értékkkl. V j, V j (.5) ( ) FEJEET 8

53 / / / / / V T V T / / T-tag féltag.. ábra Elmi T-tag és féltag parazita induktivitások V-csatlakoztatása stén A hullámimpdanciákat, gy T-tag átvitli mnnyiségit, illtv a lvágási frkvnciát általános stbn a gynltk adják mg: V ( ) V ( ) T, Π (.6) V I v (.7) V I j P T ( ( ) ( ) ( ) ) ( ( ) j ( ) ( ) ) ( ) (.9) ar cosh (.) Ezk alapján a lvágási frkvncia a.. gynlttl adott: V c (.) ( ) A hullámimpdanciák, illtv a trjdési tényző frkvnciamntét a.5. illtv.6. ábrák mutatják mg. A transzfr T-tag átvitlét ugyancsak az idális stből számíthatjuk ki. Nm azonos gat- és drainvonalak stén zt a.. és.3. gynltk adják mg. P v Tr A v Tr gm gm v v ( ) ( )/ ( ) ( ) ( ) r v v ( ) (.) (.3) A tljs rősítő fszültség- illtv tljsítmény-átvitlét a.. illtv.5. gynltk adják mg: FEJEET 9

54 R(T)[Ohm] 8 6 R( T ) bnh b. b.5 b.8 Im(T)[Ohm] 8 6 bnh b. b.5 b.8 Im( T ) 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia(Hz) 5 R( π ) Im( π ) R( (Ohm)) bnh b. b.5 b.8 Im( )[Ohm] bnh b. b.5 b Frkvncia[Hz] Frkvncia[Hz].5. ábra. Hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt V-bondolt rősítő stén különböző induktivitások stén.. pf, 5 Ohm. 3 R() Im() bnh b. b.5 b.8 3 R( ) Im( ) c 5 5 Frkvncia[Hz] bnh b. b.5 b Frkvncia(Hz).6. ábra V-alakban bkötött parazita induktivitásokat tartalmazó rősítő T-tagjának trjdési tényzőj különböző értékk stén a) valós rész, b) képzts rész.. pf, 5 Ohm. A v gm v v ( )/ ( ) N v N K K v v ( ) (.) FEJEET 5

55 P v gm v v v ( ) N r( ) r N * K ( ) ( ) Azonos gat- és drainvonalak stén gyszrűsödnk a kifjzésk: A v v N Ngm ( ) K N v v v v ( ) K ( ) K (.5) (.6) v N gm N r( ) P (.7) ( ) Az rősítő fszültség- és tljsítmény-rősítésénk frkvnciafüggését a.7. ábrák mutatják: log A(f) log P(f) log A(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh log P(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh Frkvncia[Hz] a 5 5 Frkvncia[Hz].7. ábra fokozatú, V-alakban bkötött parazita induktivitásokat tartalmazó rősítő a) fszültségrősítés b) tljsítmény-rősítés.. pf, 5 Ohm. Ha összvtjük a végrdménykt, illtv az ábrákat a.. fjzt rdményivl akkor azt látjuk, hogy V csatlakoztatás stén a parazita induktivitás kvésbé csökknti a lvágási frkvnciát, vagyis hatása csak kétszr olyan rős, mint a soros induktivitásé. A V csatlakoztatás igazi jlntőség abban van, hogy az ddigi krsztági parazita induktivitás hlytt soros parazita induktivitást hozunk létr, így az áramkör alapvtő struktúrája mggyzik az idális rősítőjévl, azaz az rősítés-sávszélsség szorzat nm változik. Trmésztsn z csak mgfllőn mgnövlt ki- és bmnti lzáró impdanciák stén valósul mg, mivl a sávszélsség csökknését az rősítés növkdés kompnzálja, azáltal hogy a gat és a drain vonalimpdanciák mgmlkdnk. Amnnyibn célunk az rdti lzárások között, az idális rősítő sávszélsségénk a visszaállítása, akkor a soros ágban lhlyzkdő normál induktivitás () értékét a parazita induktivitás ( ) értékénk kétszrsévl csökkntni kll. Fizikailag z akkor valósítható mg, ha az induktivitásból kétszr ki tudjuk vonni az parazita induktivitás értékét, vagyis ha - > min, ahol min a mgvalósítható lgkisbb induktivitás érték..7.. alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st V-alakban csatlakoztatott tranzisztorok stén Ez az st tljsn mgfll az idális rősítőnk, így a.5. fjzt rdményi alkalmazhatóak. FEJEET 5 b

56 .8. alfjzt: Nm azonos gat- és drainvonalak st akkor, ha a tranzisztorok a gatvonalon V-alakban, a drainvonalon normál módon vannak csatlakoztatva Egy félvztő mikrohullámú tranzisztorban általában a gs/ds arány kttőnél is nagyobb. Ebből kövtkzőn, mivl azonos lzárások közé trvzv az rősítőt, a sávszélsségt a gatvonal fogja mghatározni, így érdms a gatvonalon V alakban csatlakoztatni a tranzisztorokat. Ugyanakkor a drainvonal sávszélsség sokkal nagyobb lsz a gatvonalénál, amly ign nagy fázisillsztttlnségt okoz a két vonal között. Ennk mgfllőn érdms a drainvonalon normál módon csatlakoztatni a tranzisztorokat, hogy a q a mgkívánt tartományokba ssn. Ha az rősítőbn tokozatlan csip tranzisztorokat alkalmazunk, akkor az mlíttt struktúra stén a gatvonalon a krsztági induktivitás érték lhanyagolható lsz (a csippn lévő hozzávztési induktivitás ign kis értékű összhasonlítva a V alakban bkötött bondolási induktivitással), ugyanakkor a drainvonalon a krsztági (bondolási) induktivitás lsz a mghatározó. Ennk mgfllőn a.. gynltbn alkalmazott közlítés érvényét vszti, hlytt a.8. gynlt közlítését alkalmazhatjuk:.8 A drainvonalnál érvénybn marad a.. gynlt közlítés. A q dfiníciója mggyzik a.96. gynlttl mgadottal, azzal a különbséggl, hogy alkalmazni kll rá a fnt mlíttt közlítéskt. Ekkor mivl a.. gynlt flírható másképp: P N 3 sin q rl.9 3/ ( ) / ( ) rl q rl sin ( ) rl, P,q rl dp-3d dp-d dpd dp3d.8. ábra: adott P ltéréshz tartozó fokozatszám q. stén, a rlatív frkvncia függvényébn, ha a gatvonal V-alakban a drainvonal hagyományos módon van csatlakoztatva. Alkalmazva ugyanazt a közlítést, amlyt az idális stbn, mgkaphatjuk az alkalmazható fokozatszámot mgadó közlítő kifjzést az itt lírt öszvér struktúrára: FEJEET 5

57 ( 9 8 )( ) / 3 rl P rl q q N ( rl, q, P). Ábrázolva a.. gynltt q. stén és különböző P értékknél, a.3. ábrához illtv a.. ábrához hasonló görbékt kapunk, amlykt a.8. ábra mutat. átható, hogy az gynlts átvitlt produkáló fokozatszám (N 5) az idális (N ) és a normál bondolt (N 7) st fokozatszáma közé sik.9. alfjzt: Normál módon csatlakoztatott tranzisztorokat és V-alakban bkötött tranzisztorokat tartalmazó koncntrált lmű losztott rősítő összhasonlítása trvzési példákon krsztül. Ebbn a fjztbn két koncntrált lmű, kétfokozatú rősítő összhasonlítása történik mg. Az gyik rősítőbn a tranzisztorok hagyományosan vannak csatlakoztatva (az parazita induktivitás a krsztágban van a.6. fjztnk mgfllőn), a másikban V- csatlakoztatással (az parazita induktivitások a hosszágban vannak a.7. fjztnk mgfllőn). A tranzisztorok a.5. ábrának mgfllőn csak a ki- és bmnti kapacitást, illtv a transzkonduktanciát tartalmazzák. A két rősítőbn a tranzisztorok mindn paramétr mggyzik ( S.8 pf, S.35 pf, gm8 ms). A tljsítmény-rősítés frkvnciamntét a hagyományos rősítő stén a.9.a ábra mutatja különböző induktivitás értéknél. A V-csatlakoztatás stét ugyanolyan parazita induktivitás értékknél a.9.b ábra mutatja. Az rősítők mind a két stbn 5 Ohm-os lzárások között működtk. Az ábrák görbéi az lért lgjobb, számítógéppl optimalizált rdménykt tartalmazzák. A cél a minél szélsbb sávban, minél gynltsbb átvitl lérés volt a ki- és bmnti rflxiók - d-s szint alatt tartása mlltt. Az optimalizáció során az áramkörbn lévő hosszági induktivitások értéki szabadon változtathatóak voltak. ain [d] 6 8 istributd amplifir modl inductiv coupling btwn stags 5 5 Frq [Hz] idal, nh oal.5 nh. nh ain [d] 6 8 3/ istributd amplifir modl inductiv coupling btwn stags 5 Frq [Hz] 5 idal, nh oal.5 nh. nh a b.9. ábra a) hagyományos b) V-alakban bkötött tranzisztorokkal rndlkző rősítők rősítés különböző parazita induktivitás értékknél számítógéps optimalizálás után A lokális minimumok lkrülés érdkébn az optimalizáció ign hosszú random (véltln) krséssl kzdődött, majd a mgtalált lgjobb mgoldásból gradins optimalizációval jutottam l a lgközlbbi minimumhoz. Ennk környztébn újabb random krsést alkalmazva igykztm az stlgs lokális minimumból kiugrasztani a rndszrt, majd gy újabb gradins optimalizációval mgkrsni a minimumot. Ezt a ciklust sokszor ismétlv jutottam l az ábrákon látható rdménykhz. A későbbik folyamán hatékonyabb optimalizációs algoritmusok (gntikus, nldrmad) is lérhtővé váltak. ntikus optimalizációs ljárással lért rdményk hasonlóak voltak. FEJEET 53

58 Az ábrákból gyértlműn látszik, hogy az optimalizáló program a V-csatlakoztatás stén ki tudta simítani az átvitlt. Ezzl szmbn hagyományos stbn z nm sikrült tljs mértékbn. Az optimalizációra fordított idő V-csatlakoztatás stén sokkal rövidbb volt. A lírtak alapján lvonhatjuk a kövtkzttést, hogy V-csatlakoztatás stén az rősítő jobban kzlhtő számítógéps trvzés során. Erdményk összfoglalása: A. fjzt az lső téziscsoport kifjtését tartalmazza. A kövtkzőkbn altéziskr bontva foglalom össz az rdménykt... Az.. altézis bővbb kifjtés a.. és.. fjztkbn található mg. Ezkbn ismrttk gy számítási módszrt, amly sgítségévl bármly unilatrális tranzisztormodll stén kiszámíthatóak az losztott rősítők különfél átvitli. Emlltt javaslok gy illsztési módszrt, amly losztott rősítők konstans impdanciával történt lzárása stén csökknti az illszttlnségi problémákat és így mgnövli a gyakorlatban használható sávszélsségt. [S, S5, S, S]... Az.. altézis részlts kifjtés a.5.,.6..,.7.., illtv a.8. alfjztkbn található. Ezkbn a fázisillszttlnségnk a tljsítmény-átvitli görbér gyakorolt hatását lmzm. Közlítő összfüggéskt adok mg az alkalmazható fokozatszámra, abban az stbn, mikor gy kiválasztott rlatív (a bmnti vonal lvágási frkvnciájára normalizált) működési frkvncián, adott fázisillszttlnség mlltt, lőírt maximális rősítés-ltérést kll mgvalósítani. Ezkt mgadom mind a tranzisztor csatlakoztatási parazita induktivitásitól mnts str, mind azok jlnlét, illtv u.n. V-csatlakoztatása stén. yakorlati jlntőség miatt az összfüggéskt u.n. hibrid struktúrára is mgadom, ahol a gatvonalon V-alakban a drainvonalon hagyományosan vannak az aktív szközök csatlakoztatva. [S, S5, S7]..3. Az.3. altézis lírása a.6. illtv.7. alfjztbn található. Az.. altézis módszrivl zárt alakban lvztm az rősítésit (fszültség-, áram-, tljsítmény-), hullámimpdanciáit és trjdési tényzőjét olyan koncntrált lmű losztott rősítőknk, ahol a tranzisztor ki- és bmnti kapacitásai mlltt mgjlnnk a csatlakoztatási parazita induktivitások is. Mgmutatom, hogy a csatlakoztatási parazita induktivitások ign drasztikusan csökkntik az rősítő lvágási frkvnciáját és így az rősítés-sávszélsség szorzatot. A.7. alfjztbn a tranzisztoroknak gy új típusú, úgynvztt V csatlakoztatását javaslom és lmzm, amly csökknti a csatlakoztatási paraziták által okozott problémákat. [S5, S6, S7]. FEJEET 5

59 3. fjzt: Elosztott lmű, vsztségmnts losztott rősítők analízis vztés A 3. fjzt, amly a. téziscsoport kifjtés, olyan losztott rősítőkkl foglalkozik, ahol a tranzisztorok között tápvonalak vannak a koncntrált induktivitások hlytt. Ezkt losztott lmű losztott rősítőknk nvzm a továbbiakban. Mint ahogy azt az lső fjztbn részltsn kifjtttm az általam ismrt szakirodalomban nm találtam gzakt, zárt formulákat ilyn rősítők különböző rősítésir. A 3. fjzt zt az űrt próbálja btöltni unilatrális (visszacsatolás nélküli) stbn. A 3.. alfjztbn gy losztott lmű rősítő általános flépítésű vonalainak T, Π hullámimpdanciái, gy T-tagnak, illtv gy féltagnak az átvitli (fszültség-, áram-, tljsítmény-) és trjdési tényzőj krül kiszámításra. A 3.. alfjztbn, támaszkodva az lőző alfjzt rdményir, gy idális, losztott lmű, parazita induktivitások nélküli (.5. ábrának mgfllő) tranzisztorokat tartalmazó, N fokozatú rősítő fszültség-, áram-, és tljsítmény-rősítését adom mg. A lvágási frkvnciát transzcndns gynlt mgoldása adja, zért a lvágási frkvnciára csak közlítést tudok adni. A 3.3. alfjztbn mgvizsgálom a tranzisztorok csatlakoztatási parazita induktivitásainak hatását, tápvonalakat tartalmazó losztott rősítőkőn. A 3.. alfjztbn a koncntrált lmű rősítőkhöz hasonlóan, az losztott lmű rősítőknél is lmzm a tranzisztorok úgynvztt V-alakú csatlakoztatását. 3.. alfjzt: losztott lmű, losztott rősítő bmnti és kimnti vonalainak vizsgálata Egy mikrohullámú félvztő tranzisztorokból flépülő losztott rősítő losztott lmű hlyttsítőkép a 3.. ábrán látható. E, /,,,, / T N T KI T, /,,,, / T 3.. ábra. Félvztő tranzisztorokból flépíttt losztott rősítő losztott lmű hlyttsítőkép Mint az ábrán látható, az gys tranzisztorok vsztségmnts tápvonalakkal vannak lválasztva. Az rősítő létra struktúrájú vonalainak T- illtv Π-tagját a 3.. ábra mutatja., / T-tag, /, /, /,, / T / / / T T féltag Π Π-tag 3.. ábra. Elosztott rősítő vonalainak struktúrája. 3 FEJEET 55

60 3 FEJEET 56 A T-tag, illtv a Π-tag láncmátrixát a 3.. illtv a 3.. kifjzésk adják mg. ) cos( sin sin ) cos( ) cos( sin sin ) cos( I V j j j j I V (3.) ( ) ( ) / ) cos( sin sin ) cos( / I V j j I V (3.) Ezkből a.. összfüggés sgítségévl könnydén kiszámolhatjuk a T illtv Π hullámimpdanciákat. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin cos sin j j T (3.3) ( ) ( ) ( ) ( ) sin cos sin j j Π (3.) vzthtő, hogy a hullámimpdanciák között a 3.5. gynlttl adott összfüggésk állnak fnn. Π tan j T (3.5) Egy T-tag átvitli mnnyiségink a kiszámításához a gynltkt használhatjuk fl. Ezk a 3.6. kifjzéssl adottak. ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin sin cos j j I I V V A T (3.6) Hasonlóan a koncntrált sthz, a kiszámításához itt is a.. gynlt használható. ( ) ( ) sin cos cos j h ar (3.7) A T-tag tljsítmény-átvitlét a 3.6. kifjzésnk a.. gynltb történő hlyttsítésévl számíthatjuk ki. Ezt lggyszrűbbn a trjdési tényzős alakkal írhatjuk fl: ( ) r P T (3.8) A féltag láncmátrixát a 3.9. összfüggés adja mg. A fszültség- és áramátvitl valamint a trjdési tényző a gynltkkl adottak. ) cos( sin sin ) cos( I V j j I V (3.9) ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin cos sin j j tan j V V (3.) ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin cos sin j j tan j I I (3.)

61 fél j sin ( ) cos( ) j sin( ) cos( ) (3.) fél izonyítható, hogy, vagyis fél. A tljs rősítő átvitlér a koncntrált str lírtak érvénysk (. fjzt). Így kiszámolva a T-tagok, illtv a transzfr T-tagok átvitlét és bhlyttsítv azokat a.., illtv a.5. gynltkb a tljs rősítő fszültség-, illtv tljsítmény-átvitlit kapjuk. 3.. alfjzt: vsztség- és parazitamnts, losztott lmű, losztott rősítő vizsgálata Ha a tranzisztorokat a.5. ábrának mgfllő vsztségmnts, parazita lmk nélküli gyszrű hlyttsítő kapcsolás modllzi, akkor mind a gatvonalban, mind a drainvonalban a söntölő admittancia gy kapacitás. Ekkor a tranzisztor bmnti és kimnti admittanciái a 3.3. kifjzéssl mgadott alakúak. j (3.3) Ebbn az stbn az rősítő smatikus rajzát a 3.3. ábra mutatja. E ; / ; ; / ; / ; / T T u S ; / ; ; / ; / ; / KI T g m g m g m T 3.3. ábra. Vsztség- és parazitamnts tápvonalas losztott rősítő modllj hlyttsítv 3.3. kifjzést a gynltkb, általános stbn a T, Π hullámimpdanciákat, illtv gy T-tag átvitli mnnyiségit kapjuk. A gat- illtv a drainvonal T-tagjaira az gynltk a,, illtv, hlyttsítéssl érvénysk. A hullámimpdanciák és a trjdési tényző frkvnciamntét a 3.. és 3.5. ábrák mutatják. Az ábrákból látható, hogy az átvitli sávban a hullámimpdanciák valósak, a trjdési tényző pdig képzts, hasonlóan a koncntrált sthz (. fjzt). Azt is mgállapítható, hogy növkvő kapacitás értékk stén csökkn az átvitli sávszélsség, illtv csökkn a hullámimpdanciák kisfrkvnciás érték. A lvágási frkvnciák érték közlítőlg lolvasható a 3.., illtv 3.5. ábrákról, illtv a 3.7. gynlt sgítségévl lvilg kiszámítható. A kifjzés alapján, ahhoz hogy a trjdési tényző képzts lgyn az arcosh argumntumának és közé kll sni, vagyis: cos( ) j sin( ) (3.) A tápvonalak lktromos hossza kifjzhtő az l fizikai hossz, illtv a v fázissbsség sgítségévl: l (3.5) v 3 FEJEET 57

62 6 R( T ) Im( T) 5 8 R(T(Ohm)) 3 pf.pf.3pf.5pf Im(T(Ohm)) 6 pf.pf.3pf.5pf 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia(Hz) R( π ) Im( π ) R( π (Ohm)) 8 6 pf.pf.3pf.5pf 5 5 Frkvncia[Hz] Im( π (Ohm)) - pf.pf -.3pF -6.5pF Frkvncia(Hz) 3.. ábra. Hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt idális, tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző krsztági kapacitás értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm. R() Im().8 pf.pf.3pf 3.6.5pF R(). Im( ) c pf..pf.3pf.5pf 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia(Hz) 3.5. ábra T-tag trjdési tényző () valós és képzts részénk frkvnciamnt idális, tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző krsztági kapacitás értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm. Így a lvágási frkvnciára gy transzcndns gynlt adódik, amly csak közlítéssl vagy grafikusan oldható mg. Az 3.. gynlőtlnség közvtln grafikus mgoldását mutatja a 3.6.a ábra ( 5Ohm,.pF, l7.5mm). átható, hogy ha a kapacitás érték nulla (kkor az rősítő vonala mgfll gy hullámimpdanciájú, idális tápvonalnak), akkor a sávszélsség végtln. Amint a kapacitás nullánál nagyobb pozitív értékt vsz föl, a függvény a maximumok illtv 3 FEJEET 58

63 a minimumok környékén kilép a működéshz szükségs tartományból ([,-]), vagyis a trjdési tényző valós lsz. Így thát az lső átvitli sávot amly immár a kapacitás értékétől függőn végs sávszélsségű végtln sok átvitli sáv fogja kövtni, amlyk között zárósávok hlyzkdnk l (magasabb frkvnciatartományokig ábrázolva a flső átvitli sávok is mgjlnnénk a 3.. illtv 3.5. ábrákon). A görb amplitúdója a frkvnciával gyr növkszik, így a magasabb átvitli sávok gyr ksknydnk. A túllövésk mérték, és így a ksknydés mérték is nő a kapacitás értékénk növlésévl. Mgfigylhtő az is, hogy az átrsztő sávok kzdti frkvnciáján a tápvonalak lktromos hossza π-nk gész számú többszörös (zt gyébként 3.. gynltből is mgkapható). Ezk alapján kiszámolható az átrsztő sávok kzdti frkvnciái: n v f n, n,,.. (3.6) l 6 3 cosh() - pf.pf.pf 5 osh() [Hz] Frkvncia[Hz].. Kapacitás[pF] 3.6. ábra a) Az 3. gynlőtlnség grafikus mgoldása b) lvágási frkvncia a kapacitások függvényébn (A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm) Az átrsztő sávok flső határfrkvnciáit (a lvágási frkvnciákat), az lőzőkbn lírtaknak mgfllőn nm lht zárt alakban kifjzni. A közlítő értékk az 3.. gynlőtlnség grafikus, vagy más közlítő mgoldásával kaphatóak mg (jln stbn a 3.6.a ábráról olvashatóak l). Az áttanulmányozott szakirodalomban nm található a flső átrsztő sávokra utalást. Elvilg zk is használhatóak rősítés céljaira azonban hhz számtalan, a kövtkzőkbn részltztt problémát kll mgoldani. átható volt a. fjztbn, hogy fázisszinkron stén az átrsztő sávban, a koncntrált lmű rősítő rősítésmnt monoton növkdő és a lvágási frkvncián pólusa van. Hasonló rdmény kapható tápvonalas rősítő stén is, mint ahogy az a későbbikbn látható. A flsőbb sávok stén a sávszélsség kisbb, thát az rősítés növkdés mrdkbb lsz. Így gy lőírt kimlés határán blül maradni gyr ksknybb sávban lhtségs. Ezt a jlnségt a 3.8.b ábrán figylhtjük mg, ahol a későbbikbn kiszámolt tljsítmény-rősítés széls frkvnciatartományban van ábrázolva. Elvilg lhtőség van olyan mértékű fázisillszttlnség bállítására a gat- és drainvonal között, amly sgítségévl a kívánt flső átvitli sávban gynltssé thtő az átvitlt, azonban ilynkor az alapsávi átvitl biztosan lromlik. A gat és drain vsztségk hatásai nm ismrtk a flsőbb átvitli sávokon. A parazita induktivitások hatásait a kövtkző alfjztbn lmzi. A paraziták mlltt, a flső átvitli sávokban az aktív szköz végs csatornafutási idjéből adódó transzkonduktancia csökknést is számításba kll vnni. Amnnyibn csak az lső átvitli sávot használjuk fl, az rősítő határfrkvnciája az lső lvágási frkvncia lsz. Ennk értékit mutatja a 3.6.b ábra, különböző kapacitás értékknél, konstans hullámimpdanciájú (5 Ohm), és fizikai hosszúságú (l7.5 mm) tápvonalak stén. 3 FEJEET 59

64 A hullámimpdanciák, trjdési tényző, lvágási frkvncia lmzés után az rősítő átvitli mnnyiségi krülnk kiszámításra. Ehhz mgint a transzfr T-tagot kll mgvizsgálni. A transzfr T-tag átvitlét a 3.7. ábra alapján lht kiszámítani. I E, /, /, / I E V E T T V E V FÉ T / Π, / I KI, /, / -I gm / -I gm /, / I KI T gm T V KI T / gm / T V KI 3.7. ábra. Transzfr T-tag átvitlénk számítása A gatvonal féltag fszültségátvitlénk ismrtébn (3.. gynltből) a V FÉ fszültség kiszámítható. Ezt a 3.7. összfüggés adja mg. Vb V fél j sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) tan j j (3.7) A drain áramgnrátor árama a 3.8. gynlttl adott: I gm gmv fél (3.8) Az I gm áramból a kimnti fszültség a 3.9. mátrixgynlttl számítható. j Vgm cos( ) sin VKI (3.9) I gm / I j KI sin cos( ) A kimnti fszültség zk alapján: I gmt Vki j sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) tan j j (3.) Ebből a 3.. kifjzést figylmb vév, V KI a 3.. összfüggéssl adható mg. I gm T fél Vki (3.) j tan hlyttsítv Igm kifjzését (3.7. és 3.8. gynltk) a transzfr T-tag fszültségátvitlét kapjuk : ( Vki gm T ATr Vb j tan Hasonlóképpn kapjuk a kimnti áramot: fél fél ) j tan (3.) 3 FEJEET 6

65 3 FEJEET 6 fél tan j I I gm ki (3.3) hlyttsítv Igm kifjzését és figylmb vév, hogy I E V E / T, a transzfr T-tag áramátvitlét kapjuk. ) ( T gm b ki Tr tan j tan j I I I fél fél (3.) A tljsítmény-átvitlt a 3.. illtv 3.. gynltknk, a.. képltb hlyttsítésévl kaphatjuk mg. ) ( * r T T gm b ki Tr tan j tan j P P P (3.5).. kifjzésb hlyttsítv a 3.6. és 3.. gynltkt az N fokozatú rősítő fszültségátvitlét kapjuk. Ez a 3.6. kifjzéssl adott. ( ) N K K N T tan j tan j gm A ) / ( (3.6) Hasonlóképpn kapható mg az áramátvitl a.5., 3.6., 3.. összfüggéskből: ( ) N K K N T tan j tan j gm I ) / ( (3.7) A tljsítmény-átvitl a 3.6. és 3.7. gynltknk a.. kifjzésb hlyttsítésévl kapható mg. ( ) ( ) ( ) N K K N K K N r r T T gm tan j tan j P ) ( * * (3.8) Az átvitli sávban a T hullámimpdanciák valósak és pozitívak, mint ahogy azt a 3.. ábra alapján láttuk. Ennél fogva itt a tljsítmény-rősítés képlt flírható másképp is: ( ) ( ) ( ) N K K N K K N r r T T gm tan j tan j P ) ( * (3.9) A 3.5. képlt alapján, illtv figylmb vév, hogy az átvitli sávban Π is valós a 3.9. kifjzés átalakítható: ( ) ( ) ( ) Π Π N K K N K K N r r gm P ) ( * (3.3) Azonos gat- és drainvonalak stén a fszültségátvitl, illtv a tljsítmény-rősítés a 3.3. illtv a 3.3. képltkkl adott. N N T N gm tan j N gm A Π (3.3)

66 N r( ) N gm T N gm N r( ) P Π (3.3) j tan Az átvitli sávban a 3.3. kifjzésbn, hasonlóan az idális sthz, az abszolút érték képzés lhagyható. A fszültségrősítés frkvnciamntét logaritmikus skálában a 3.8. ábra mutatja. Mivl azonos gat- és drainvonalak (azonos lzáró impdanciák) stén a fszültség-, áram-, illtv tljsítmény-rősítés logaritmikus görbéj mggyzik, az utóbbi kttőt külön nm ábrázolom. 5 log A(f) log A(f) [d] 5 pf 5.pF.3pF.5pF 5 5 Frkvncia[Hz] 3.8. ábra N fokozatú rősítő fszültségrősítésénk frkvnciamnt idális, tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző krsztági kapacitás értékknél (A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm) 3.3. alfjzt: vsztségmnts, losztott lmű rősítő parazita induktivitásokkal Soros parazita induktivitások stén a tranzisztor hlyttsítőkép a.8. ábrának mgfllő. Az rősítő smatikus ábrája bbn az stbn 3.9. ábrán látható. ; / ; ; / ; / ; / E T T u S ; / ; ; / ; / ; / KI T T gm gm gm 3.9. ábra. Parazita induktivitásokat tartalmazó losztott rősítő smatikus ábrája 3 FEJEET 6

67 R(T(Ohm)) R( T ) bnh b.nh b.nh b.nh Im(T(Ohm)) - -6 Im( T ) 5 5 bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia[Hz] - Frkvncia(Hz) R( (Ohm)) 8 6 R( π ) bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia[Hz] Im( π (Ohm)) Im( π ) bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia(Hz) 3.. ábra. Hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf. A krsztági admittanciák a kifjzéssl adott alakúak. j, (3.33) hlyttsítv zt a képltkb, általános stbn a T, Π hullámimpdanciákat, illtv gy T-tag átvitli mnnyiségit kapjuk. Az gynltk hlyttsítés stén ugyanolyan alakúak, mint az idális stbn. A gat- illtv a drainvonal T-tagjaira a kifjzésk a,, illtv, hlyttsítéssl érvénysk. A hullámimpdanciák, illtv a trjdési tényző frkvnciamntét különböző parazita induktivitás stén a 3.. illtv 3.. ábrák mutatják mg adott kapacitás (.3 pf), tápvonal hullámimpdancia (5 Ohm) és adott tápvonalhossz (l7.5 mm) stén. 3 FEJEET 63

68 6 R() Im() 5 bnh b.nh b.nh b.nh 3 R( ) Frkvncia[Hz] Im( ) c bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia(Hz) 3.. ábra T-tag trjdési tényző () valós és képzts részénk frkvnciamnt parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf. A transzfr T-tag átvitl a 3.. ábra alapján számítható ki. I E, /, / I E, / V E T T V E T Π V FÉ V V / T I KI, /, /, /, / A V KI T T -I gm / -I gm / T I KI V KI gm / gm / 3.. ábra. Transzfr T-tag átvitlénk számítása Az ábra alapján V fél mghatározásához gy féltag fszültségátvitlét kll kiszámítani a gynltnk a 3.. képltb történő hlyttsítésévl. Vb V (3.3) fél j tan j sin( ) cos( ) j sin( ) cos( ) A tranzisztor V vzérlőfszültség bből fszültségosztással kapható: V fél V (3.35) A kifjzés sgítségévl z másképp is flírható: V V fél ; ahol j Más alakban flírva: (3.36) 3 FEJEET 6

69 3 FEJEET 65 b tan j V V fél (3.37) Az áramgnrátor áramát a összfüggés adja mg: gm V I gm (3.38) A kimnti fszültség a.. ábra alapján számítható ki. A szimmtria miatt az ábrán A-val és -vl jlölt pontok kvipotnciálisak, így a köztük lévő összkötttés (szaggatott vonal) ltávolítható. Ebbn az stbn az áramgnrátor árama és a kimnti fszültség között a mátrixgynlt trmt kapcsolatot. KI KI gm I V j j I Vgm ) cos( sin sin ) cos( / (3.39) ahol: j. A kimnti fszültség zk alapján: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) T T gm ki j j I V / sin / cos / cos / sin (3.). vztésnél figylmb vttük hogy: (3.) A 3.3. gynlttl átalakításával T számunkra célszrűbb alakját kapjuk: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) / cos / sin / sin / cos / tg T j j (3.) hlyttsítv zt a 3.. képlt nvzőjéb a 3.3. kifjzéssl adott alak kapható. ( ) ( ) ( ) ( ) cos sin cos sin tg T gm ki j j j I V (3.3) Figylmb vév a 3.. gynltt flírható a véglgs alak: fél j I V T gm ki tg (3.) hlyttsítv Igm kifjzését (3.37. és gynltk) a tljs fszültségátvitl adódik: ( ) fél fél j j gm V V A T E ki Tr tg tg (3.5) Az áramátvitlt bből gyszrűn flírható: ( ) tg tg T T T Tr b ki j j gm A I I fél fél (3.6) A tljsítmény-átvitlt a 3.7. összfüggés adja mg:

70 3 FEJEET 66 ( ) tg tg * r T T Tr j j gm P (3.7) Ismrvén a transzfr T-tag tulajdonságait kiszámítható a tljs N fokozatú rősítő fszültségátvitl. ( ) ( ) tg tg / N K K N T j j gm A (3.8) Az rősítő áramátvitl hasonlóképpn számítható ki: ( ) ( ) tg tg / N K K N T j j gm I (3.9) A tljsítmény-rősítést mgkapható 3.8. és 3.9. kifjzésk.. gynltb történő hlyttsítésévl. ( ) ( ) ( ) ( ) tg tg * * N K K N K K N r r T T j j gm P (3.5) Azonos gat- és drainvonalak stén a fszültségátvitl és a tljsítmény-átvitl kifjzés lgyszrűsödik: ( ) ( ) tg j N gm A N T (3.5) ( ) ( ) ( ) tg j N gm P N r T (3.5) A fszültségrősítés frkvnciamntét a 3.3. ábra mutatja mg:

71 log A(f) log A(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh Frkvncia[Hz] 3.3. ábra. N fokozatú rősítő fszültségrősítésénk frkvnciamnt parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf. 3.. alfjzt: vsztségmnts, losztott lmű rősítő V-alakban bkötött parazita induktivitásokkal Ebbn az alfjztbn a V-csatlakoztatási móddal bkötött tranzisztorokkal rndlkző tápvonalakkal flépíttt losztott rősítők átvitlit számítjuk ki. Az rősítő smatikus ábráját bbn az stbn a 3.. ábra mutatja. E, /,, /, /, / V T V T u s, /,, /, /, / KI V T V T g m g m g m 3.. ábra. Elosztott rősítő hlyttsítőkép, ha a tranzisztorok V-alakban vannak bkötv Egy ilyn struktúrájú losztott rősítő vonalainak gy lmi T-, illtv féltagját a 3.5. ábra mutatja. Az ábra alapján a féltag láncmátrixa a mátrixgynlttl adott. cos( ) j V sin b V fél (3.53) I b I fél j sin cos( ) ahol: j, j (3.5) 3 FEJEET 67

72 3 FEJEET 68 T-tag V T féltag / /, / V T, /, /, /, /, / 3.5. ábra. Elmi T-tag és féltag parazita induktivitások V-csatlakoztatása stén A hullámimpdanciák a gynltből a.. gynlt flhasználásával kapható mg: E T E T T, T T E E Π (3.55) ahol: cos sin j E, cos sin j E (3.56) cos sin j T, sin cos j T (3.57) A hullámimpdanciák frkvnciamntét különböző parazita induktivitások stén a 3.6. ábrák mutatják mg adott kapacitás (.3 pf), tápvonal hullámimpdancia (5 Ohm) és adott tápvonalhossz (l7.5 mm) stén. A gynltből a féltag átvitli kiszámíthatóak a gynltk sgítségévl: v fél T E T E T E T E V V b fél (3.58) v fél E T T E T E E T I I b fél (3.59) E T T E v fél (3.6) A T-tag átvitli mnnyiségi mgkaphatóak, ha a gynltkkl adott átvitlkt mgszorozzuk gy llntéts orintációjú féltag mgfllő átvitli függvényivl. Az ddigi módszrt, vagyis átvitli mnnyiségknk a T-tag láncmátrixátból történő közvtln számítása itt nhézks a kifjzésk bonyolultsága miatt. Egy llntéts orintációjú féltag láncmátrixa a 3.6. gynlttl adott: ki ki fél fél I V j j I V ) cos( sin sin ) cos( (3.6) v fél E T T E T E E T V V fél ki (3.6) v fél T E T E T E T E I I fél ki (3.63)

73 R(T(Ohm)) R( T) bnh b.nh b.nh b.nh Im(T(Ohm)) 8 6 Im( T ) bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia[Hz] 5 5 Frkvncia(Hz) R( π (Ohm)) 8 6 R( π ) bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia[Hz] Im(π(Ohm)) Im( π ) bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia(Hz) 3.6. ábra. Hullámimpdanciák valós és képzts részénk frkvnciamnt V alakban bkötött parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf. A tljs T-tag átvitli így a két féltag átvitlink szorzatából adódnak: v V ( ) v ki I ki fél (3.6) Vb I b E T E T ( ) v r ET ( ) PT (3.65) ET A trjdési tényző a.7., 3.53., 3.5. gynltkből számítható ki: ( ) ( ) ( ) ar cos h cos( ) sin j (3.66) A trjdési tényző frkvnciamntét különböző parazita induktivitások stén a 3.7. ábrák mutatják mg adott kapacitás (.3 pf), tápvonal hullámimpdancia (5 Ohm) és adott tápvonalhossz (l7.5 mm) stén. A transzfr T-tag átvitlénk számítása ign hasonló a normál T-tag számításához. A gat kapacitáson ső fszültségt hasonlóan a normál T-taghoz a gynlt adja mg a gatvonal paramétrink bhlyttsítésévl. Ebből a drain áramgnrátor áramát a gynlt adja mg I gm (3.67) gm V fél 3 FEJEET 69

74 .8 R() Im() bnh.6 b.nh b.nh b.nh 3 R(). Im(). 5 5 Frkvncia[Hz] bnh b.nh b.nh b.nh 5 5 Frkvncia(Hz) 3.7. ábra T-tag trjdési tényző () valós és képzts részénk frkvnciamnt V alakban bkötött parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf. A kimnti fszültség és az áramgnrátor közti összfüggést a mátrixgynlt adja mg: Vgm cos( ) j sin Vki I gm (3.68) I ki j sin cos( ) Ebből: V v ki I kit E T T E fél (3.69) I gm I gm T ET ET T A transzfr T-tag fszültségátvitl a 3.58., 3.67., gynltkből számítható: v v v Vki gm E E ( fél fél ) ATr T (3.7) Vb T T Az áramátvitlt a fszültségátvitlből kapható: v v v Vki T gm E E ( fél fél ) ITr T (3.7) Vb T T T Az ddigi rdménykből a tljs rősítő fszültség- illtv áramátvitlét lht kiszámolni: N v gm E v v v V V E ( )/ N ( A ) T (3.7) T T 3 FEJEET 7 k N v v v V V ( )/ N ( ) v gm E E I T T T k A tljsítmény-átvitlt zkből számíthatjuk ki: N N v gm v v v V V * E E r Nr P TT T T k k Azonos gat- és drainvonalak stén gyszrűsödnk a kifjzésk: v v gm E N A N T T V V ( ) ( ) ( ) ( ) * v ( ) v gm E Nr P T T A fszültségrősítés frkvnciamntét kkor a 3.8. ábra mutatja mg: (3.73) (3.7) (3.75) N (3.76)

75 log A(f) log A(f) [d] 3 6 bnh b.nh b.3nh b.nh Frkvncia[Hz] 3.8. ábra. N fokozatú rősítő fszültségrősítésénk frkvnciamnt V alakban bkötött parazita induktivitásokat és tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző értékknél. A tápvonalak adatai: l7.5 mm, 5 Ohm, a kapacitás érték.3 pf alfjzt: normál módon csatlakoztatott tranzisztorokat és V-alakban bkötött tranzisztorokat tartalmazó, losztott lmű rősítő összhasonlítása trvzési példákon krsztül. Ebbn a alfjztbn a. fjzttl analóg módon, összhasonlítok két losztott lmű, kétfokozatú rősítőt. Az gyik rősítőbn, amlynk optimalizált frkvnciamntét a 3.9.a ábra mutatja különböző induktivitás értéknél, a tranzisztorok hagyományosan vannak csatlakoztatva (az parazita induktivitás a krsztágban van a 3.3. alfjztnk mgfllőn). A másikban, amlynk frkvnciamntét a 3.9.b ábra mutatja, V-alakú csatlakoztatással (az parazita induktivitások a hosszágban vannak a 3.. alfjztnk mgfllőn). ain [d] 6 8 istributd amplifir modl transmission lin btwn stags 5 Frq [Hz] 5 idal, nh oal.5 nh. nh a 5 5 Frq [Hz] idal, nh oal 3 FEJEET 7 ain [d] 6 8 istributd amplifir modl transmission lin btwn stags.5 nh. nh 3.9. ábra a) hagyományos b) V-alakban bkötött tranzisztorokkal rndlkző rősítők rősítés különböző parazita induktivitás értékknél számítógéps optimalizálás után A tranzisztorok a.5. ábrának mgfllőn csak a ki- és bmnti kapacitást, illtv a transzkonduktanciát tartalmazzák. A két rősítőbn a tranzisztorok mindn paramétr mggyzik ( S.8 pf, S.35 pf, gm8 ms). Az optimalizációs stratégia mggyztt a. fjzt végén alkalmazottal. A cél a minél szélsbb sávban, minél gynltsbb átvitl lérés volt. Az optimalizáció során mindgyik tápvonal gomtriai adatai (szélsség, hosszúság) külön-külön változtathatóak voltak. Az ábrákból látszik, hogy a mgnövkdtt paramétrszám (szabadságfok) llnér,

76 hagyományos stbn az optimalizáló program nm tudott lapos átvitlt lérni. Ezzl szmbn a V-csatlakoztatás stén z könnydén, sokkal rövidbb idő alatt sikrült. V-csatlakoztatás stén thát az losztott lmű rősítő is jobban kzlhtő a trvzés során. Erdményk összfoglalása: A 3. fjzt a ktts téziscsoport tárgyalása. A kövtkzőkbn az rdményk altéziskr bontva krülnk ismrttésr... Az altézis bővbb lírása a 3.. illtv 3.. alfjztbn található. Mgadom gy losztott lmű (tápvonalakat tartalmazó) rősítő, általános flépítésű vonalainak T, Π hullámimpdanciáit és trjdési tényzőjét. árt alakban mgadom gy idális, losztott lmű, parazita induktivitások nélküli tranzisztorokat tartalmazó, N fokozatú rősítő fszültség-, áram-, és tljsítményrősítését. Mgmutatom hogy a hullámimpdanciák és a trjdési tényző frkvnciafüggés, valamint a krsztági kapacitás értékétől való függés hasonló a koncntrált lmű rősítőknél tapasztalhatóakhoz. A lvágási frkvnciára közlítő mgoldást adok. Mgmutatom, hogy az lső átvitli sávot lvilg végtln sok, gyr ksknydő átvitli sáv kövti. mutatom zk flhasználásának gyakorlati korlátait. Az altézishz a [S, S9, S] saját publikációk kapcsolódnak... Az altézis részlts lírása a 3.3. illtv 3.. alfjztkbn található. Mgvizsgálom a tranzisztorok csatlakoztatásánál mgjlnő parazita induktivitások hatását, tápvonalakat tartalmazó losztott rősítőkőn. árt alakban mgadom, az rősítő vonalainak T és Π hullámimpdanciáit, trjdési tényzőjét, valamint gy N- fokozatú rősítőnk az átvitli mnnyiségit (fszültség-, áram-, tljsítmény-). Közlítő értékt adok a lvágási frkvnciára stén. Mgmutatom, hogy hasonlóan koncntrált lmű rősítőknél tapasztaltakkal a parazita induktivitások mgjlnés radikálisan lcsökknti a lvágási frkvnciát és így az rősítő rősítés-sávszélsség szorzatát. Itt is lmzm a tranzisztorok úgynvztt V- alakú csatlakoztatását. Mgmutatom annak lőnyit. Az altézishz a [S, S9, S] saját publikációk kapcsolódnak. 3 FEJEET 7

77 . fjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű losztott rősítők összhasonlítása, új trvzési módszr mgadása. vztés A. fjzt, amly a 3. téziscsoport bővbb kifjtését tartalmazza, a tápvonalakat tartalmazó losztott rősítők tulajdonságait hasonlítja össz a koncntrált lmű rősítők tulajdonságaival. Mgvizsgálja, hogy miként függ a sávszélsség és az rősítés a tápvonalak fizikai hosszától. Az rdménykr alapozva ismrtt gy új trvzési módszrt. Mint ahogy az kiolvasható az lső fjztből, az áttanulmányozott szakirodalom nm tartalmaz ilyn típusú vizsgálatokat. A.. alfjzt a parazita induktivitásoktól mnts koncntrált lmű és losztott lmű rősítő rősítés-sávszélsség szorzatait hasonlítja össz. A.. alfjztbn a.. alfjztbn lírtakhoz hasonló vizsgálatok történnk parazita induktivitásokat tartalmazó rősítőkőn..3. alfjztbn a lírtakhoz hasonló vizsgálatok történk V-csatlakoztatott tranzisztorokkal flépíttt rősítőkőn... alfjzt az lőző három fjzt rdményiből szinttizált új trvzési ljárást mutat b, amlyt konkrét trvzési példával dmonstrál... alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, parazita- és vsztségmnts losztott rősítők rősítés-sávszélsség szorzatainak összhasonlítása. A. fjzt losztott rősítőibn az gys fokozatok tranzisztorai között induktivitások trmtnk kapcsolatot. Egyszrűség miatt az irodalomban főlg z a koncntrált lmű lírás található mg. Magasabb frkvnciákon z a fajta lírásmód nm mgfllő, mivl a tranzisztorok közti kapcsolatot fizikailag csak losztott tápvonalakkal lht mgvalósítani. Manapság ugyan a aas monolit tchnológia ltrjdés a mértk radikális csökknésévl jár, és így a koncntrált lírásmód viszonylag magas frkvnciákig éltképs, d ugyanakkor a működési frkvncia flső határa is kitolódott (> Hz). Ezkbn a frkvnciatartományokban a tápvonalas lírásmódot kll alkalmazni, amlyt a 3. fjzt ad mg. Ahhoz hogy l lhssn döntni a trvzés során, hogy mkkora rőfszítéskt érdms tnni a mértk csökkntés érdkébn, célszrű gy tápvonalakkal flépíttt rősítő tljsítményét összvtni gy tisztán koncntrált lmkből flépíttt rősítő tljsítményévl. Tljsítmény alatt az rősítés-sávszélsség szorzatot kll értni (rősítés alatt itt bármlyik rősítés mnnyiség érthtő (fszültség-, áram-, tljsítmény-), azonban az összs hatást a tljsítmény-rősítés képlt adja vissza, így lsz a továbbiakban alkalmazva). A lvágási frkvncia alatt a tápvonalas rősítő lső lvágási frkvnciáját kll értni. A vsztség- és parazitamnts koncntrált lmű rősítő tljsítmény-rősítésénk képlt (.7 képlt) alapján kijlnthtő, hogy az rősítés arányos a gat- és drainvonal Π hullámimpdanciáival. Az rősítő működési sávszélsségét ugyancsak a vonalak lvágási frkvnciája korlátozza, ami az adott vonalak hullámimpdanciáinak lvágási frkvnciája is gybn. Így thát két rősítő rősítés-sávszélsség szorzata összhasonlítható, mgfllő vonalaik impdancia-sávszélsség szorzatainak (IS) összhasonlításán krsztül. Az IS szorzatot gyértlműn jllmzi az impdancia kisfrkvnciás érték és a lvágási frkvncia. Az összhasonlítás szmpontjából mindgy, hogy a T vagy a Π hullámimpdanciákat használjuk- fl (prsz konzkvnsn vagy csak az gyikt, vagy a csak másikat), mivl a lvágási frkvncia, illtv az impdanciák kisfrkvnciás érték mggyzik a két fajta impdanciánál. Más szavakkal, ha gy vonal T impdanciával kiszámolt IS szorzata nagyobb gy másik vonalénál, akkor a Π impdanciával kiszámolt IS szorzata is nagyobb lsz, méghozzá hasonló arányban. 3 FEJEET 73

78 Hasonlóképpn a koncntrált sthz, az átvitli sávban a tápvonalas stnél is arányos az rősítés a hullámimpdanciák értékévl (3.3. gynlt). Egy adott vonal T és Π impdanciáinak kisfrkvnciás érték és a lvágási frkvnciája gynlő. A többi mgállapítás is érvénys, azzal a különbséggl, hogy a lvágási frkvnciára nm létzik zárt alakú mgoldás. Továbbiakban annak a vizsgálata történik mg, hogy rögzíttt krsztági kapacitás értékknél gy tápvonalakból flépíttt vonal IS érték lht- nagyobb gy koncntrált induktivitásokból flépíttt vonal IS értékénél. Az összhasonlítást mgkönnyíti, ha az impdanciák kisfrkvnciás értékét gy fix értékn tartjuk, mivl kkor csak a lvágási frkvnciákat kll összhasonlítani. Az összhasonlítás a T impdancián történik. Az már látható a 3. ábrából, hogy rögzíttt fizikai hosszúságú tápvonalakat alkalmazva a kapacitások között, növkvő érték stén a hullámimpdanciák érték, valamint a lvágási frkvncia is csökkn, hasonlóan a koncntrált sthz. Vizsgáljuk most mg, hogy mi történik, ha rögzíttt érték stén a tápvonalak fizikai hossza csökkn, úgy hogy a tápvonalak hullámimpdanciája változatlan marad. Ezt mutatja a..a ábra mindkttő hullámimpdanciára. A számítások során fltétlztm, hogy a fázissbsség a szabadtéri fénysbsséggl gyzik mg (vc). 8 l7.5mm 6 l6mm Impdancia f[hz] l3mm l.5mm (l) 5... l [m]... ábra a) T és Π impdanciák frkvnciamnt idális, tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző tápvonalhosszaknál. b) T () Π ()5 Ohm léréséhz szükségs hullámimpdancia értékk a tápvonalhossz (l)függvényébn (. pf, vc) átható, hogy csökknő fizikai hossz stén csökkn az impdancia, d növkszik a lvágási frkvncia. A lvágási frkvncia mgnövkdés érthtő, mivl a lcsökknt fizikai hossz miatt a lvágáshoz tartozó kritikus lktromos hosszat a tápvonal magasabb frkvncia értéknél éri l. Az impdancia csökknését a tápvonalak által képvislt losztott induktivitás csökknés okozza. Ahhoz, hogy a különböző fizikai hosszak stén a lvágási frkvnciákat rálisan össz lhsn hasonlítani, a T és Π impdanciákat konstans értékn kll tartani. Ez a tápvonalak hullámimpdanciájának mgfllő növlésévl érhtő l. A szükségs növkdés mérték kiszámítható például a T impdancia kisfrkvnciás értékénk változásából. A T impdancia kisfrkvnciás érték a 3.3 képlt határérték számításával kapható mg. ahol: T ( ) l l im j sin j sin ( ) ( cos( ) ) l ( ) ( cos( ) ) l v l l l, j és v a jltrjdési sbsség a tápvonalakon. v él hogy a T kisfrkvnciás érték konstans maradjon bármilyn l-r, vagyis: (.) 3 FEJEET 7

79 l T ( ) k (.) l v Ezt átrndzv, másodfokú gynlt kapható -ra, amlynk valós, pozitív gyök adja mg képltét: ( T () k, l, ) ( k v k v l k ) (.3) l Ezt a mnnyiségt ábrázolja a..b ábra a tápvonalhossz függvényébn (. pf, vc). átható hogy a fizikai hossz csökknés stén, a konstans hullámimpdanciához tartozó értékk növkdnk. érus hossznál lvilg végtln nagy hullámimpdanciájú vonal szükséglttik, ami mgfll gy idális induktivitásnak. Másik fontos mgállapítás, hogy a tápvonal hullámimpdancia mgfllő mgválasztásával lvilg akármilyn krsztági kapacitás érték stén lőállítható a szükségs hullámimpdancia ( T és Π ) érték, függtlnül a tápvonalak hosszától. Harmadik fontos kövtkzttés, hogy a tápvonalhossz növkdésévl a tápvonalak szükségs hullámimpdanciája közldik a tljs vonal T és Π impdanciáinak kisfrkvnciás értékéhz. Másképp fogalmazva a vonal bmnti impdanciáját gyr inkább a tápvonal hullámimpdanciák határozzák mg. Konstans 5-Ohm-os T () impdanciához tartozó T és Π karaktrisztikus impdanciák frkvnciamntét a..a ábra mutatja különböző l fizikai hosszak stén (. pf, vc). Az ábra alapján kijlnthtő, hogy csökknő hosszak stén növkszik a lvágási frkvncia, vagyis az IS szorzat. l7.5mm 7 75 l6mm 5 Impdancia 5 l3mm l.5mm [Hz] f[hz] 9.. l[mm].. ábra a) T és Π impdanciák frkvnciamnt idális, tápvonalakat tartalmazó rősítő stén, különböző tápvonalhosszaknál. b) A lvágási frkvncia közlítő érték a tápvonalhossz (l) függvényébn a T () Π ()5 Ohm btartása stén (. pf, vc) A lvágási frkvncia közlítő értékit a hossz függvényébn a..b ábra mutatja. átható, hogy ha l tart nullához, a lvágási frkvncia monoton tart gy maximumhoz, amlynk érték a koncntrált lmű rősítő lvágási frkvnciája (. pf, vc). f c 5. 9 Hz (.) π k Ennk lvztés a kövtkzőkbn krül részltzésr. A lvágási frkvnciát a 3. fjztbn lírtak alapján a 3.. transzcndns gynlt lső mgoldása adja. l l cos( ) j sin( ) cos j sin (.5) v v A.5. gynltb bl kll hlyttsítni -t (.3. képltét), majd az l hosszat jobbról zérus flé csökkntv határértékt kll számolni. A körfrkvnciára vonatkozó határérték gynlt 3 FEJEET 75

80 pozitív valós gyök mgadja a lvágási frkvncia értékét l stén, vagyis a koncntrált lmű stbn. A.5. gynlt határértékét, abban az stbn, ha l jobbról tart zérushoz a.6. gynlt adja mg. 8v k v k v v A másodfokú gynlt pozitív valós gyök a lvágási körfrkvncia érték l stén: (.6) πf c k (.7) A.8. képltkből látható, hogy koncntrált stbn mindkét karaktrisztikus impdancia érték az / hányados gyökévl gyzik mg, vagyis: k (.8) és kkor c c f c π (.9) Vagyis visszakapható a koncntrált lmű rősítő lvágási körfrkvnciájának képlt. A..b ábrán mgfigylhtő azt is, hogy a lvágási frkvncia érték bizonyos tápvonalhosszig változatlanak tkinthtő, azonban tovább növlv a hosszat, az rohamosan csökkni kzd. Így thát létzik gy határ hosszúság, aminél nagyobb tápvonalhosszak stén a sávszélsség vsztség ign jlntős lsz. A határ hosszúságnál rövidbb tápvonalakat alkalmazva, az rősítő sávszélsség közl lsz a koncntrált lmű rősítő sávszélsségéhz pf.pF.6pF 5 bnh b.nh b.nh b.6nh [Hz] 5 [Hz] l[mm].. l[mm].3 ábra a) A lvágási frkvncia közlítő érték a tápvonalhossz (l) függvényébn, különböző kapacitás értékknél. b) Különböző b induktivitás értékknél (. pf). Mindkét stbn T () Π ()5 Ohm és vc Mivl már a lvágási frkvnciára is csak közlítő értékkt lhttt kapni, így a határ hosszúságot is csak közlítőlg lht lolvasni a..b ábráról (pl. l kr mm,. pf, vc és T () Π ()5 Ohm stén). A kapacitás változás hatását a.3.a ábra mutatja. átható, hogy a kapacitás értékénk csökknésévl kis mértékbn csökkn a határ hosszúság érték, valamit a határ hosszúság fltt a sávszélsség mrdkbbn zuhan. Így thát a kisbb kapacitás miatti nagyobb sávszélsség érték a hossz növkdésévl hamar ltűnik. Az rősítőbn alkalmazott maximális tápvonal hosszaknak thát a lhtő lgkisbbnk kll lnni, annak érdkébn, hogy az rősítés-sávszélsség szorzat csökknést lkrüljük. 3 FEJEET 76

81 .. alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, vsztségmnts losztott rősítők rősítés-sávszélsség szorzatainak összhasonlítása krsztági parazita induktivitás stén (normál módon csatlakoztatott tranzisztorok st). Hasonló számítások végzhtők a parazita induktivitásokat tartalmazó rősítők stén is. Ekkor a hullámimpdanciák gynltéb az hlyér a. fjzt.7. gynltét kll hlyttsítni. Kiszámolva a T hullámimpdancia kisfrkvnciás határértékét, a.. gynlttl mggyző rdmény adódik. Ezk alapján ahhoz, hogy konstans maradjon a hullámimpdanciák érték (amit k-al jlölünk) --hasonlóan az idális sthz-- a tápvonalak hullámimpdanciáinak a.3. gynlt által mgadott értékt kll flvnni. A lvágási frkvnciát ugyancsak a.5. transzcndns gynlt mgoldása adja mg, trmésztsn a mgfllő bhlyttsítésévl (. fjzt.7. gynlt). Részltsbbn kiírva: l ( k, l) l cos sin (.) v ( ) v A.. gynltbn trmésztsn már a.3. gynlttl kiszámolt értékkt használjuk. Hasonlóan az idális sthz, itt is a fizikai hossz nullához közlítés stén (l ) kiadódó határérték gynltt kll kiszámolni. 8v 8v b k v k v (.) v( b) A lvágási frkvnciát l stén (koncntrált stbn) a határérték gynlt -ra vonatkozó, valós, pozitív mgoldása adja mg. Ez a.. gynlttl adott: b c (.) b k A. fjzt.7. képltiből látható, hogy koncntrált stbn mindkét hullámimpdancia érték az / hányados gyökévl gyzik mg, vagyis: k (.3) Ekkor hasonlóan az idális sthz, visszakapható a parazita induktivitásokat tartalmazó koncntrált lmű rősítő lvágási frkvnciájának képlt (.8. gynlt). b c (.) b A parazita induktivitások hatását a.3.b ábra dmonstrálja. Az ábrán a kapacitás érték, valamint a hullámimpdanciák kisfrkvnciás érték konstans (. pf, T () Π ()5 Ohm) és a fázissbsség a szabadtéri fénysbsséggl gyzik mg (vc), hasonlóan az idális sthz. Észrvhtő az ábráról, hogy a parazita induktivitás változtatása a kapacitás változtatásához hasonló hatást vált ki. Nagyobb b értékknél a határ hosszúság kissé mgnő és a határ hosszúság fltt a sávszélsségk kigynlítődnk. Ennk mgfllőn, hasonlóan az idális sthz, itt is változtatható a vonal lvágási frkvnciája, kötött kapacitás, induktivitás és hullámimpdanciák stén is..3. alfjzt: Koncntrált lmű és losztott lmű, vsztségmnts losztott rősítők rősítés-sávszélsség szorzatainak összhasonlítása V-alakban bkötött parazita induktivitás stén (V bondolt tranzisztorok st). V csatlakoztatás stén a koncntrált lmű rősítő lírását a.6. alfjzt, az losztott lmű rősítő lírását a 3.. alfjzt adta mg. A V csatlakoztatott rősítő vonalainak struktúráját általános stbn a 3.. ábra mutatja. A T és Π hullámimpdanciák szmpontjából három lénygs st különböztthtő mg: 3 FEJEET 77

82 .) a krsztági kapacitásból és a bondoló induktivitásokból kiadódó művonal hullámimpdanciájának kisfrkvnciás érték mggyzik az alkalmazott tápvonalak hullámimpdanciájával, azaz /..) Kisbb nála, azaz / <. 3.) Nagyobb nála, azaz / >. Az lső stbn a T hullámimpdancia változását a tápvonalak fizikai hosszának változásakor..a ábra mutatja ( 5 Ohm). átható, hogy a tápvonalhosszak növlésévl csak a lvágási frkvncia csökkn, a hullámimpdanciák kisfrkvnciás érték változatlan marad. Ennk mgfllőn a lgnagyobb IS szorzatot nulla tápvonalhossznál (koncntrált st) kapjuk. 8 lmm 8 lmm 6 l.5mm 6 l.5mm RE(T(f)) lmm lmm RE(T(f)) lmm lmm f[hz] f[hz].. ábra a) A T impdancia mnt a tápvonalhossz (l) függvényébn, V-bondolás stén az lső lvágási frkvnciáig ábrázolva (mindkét ábránál 5 Ohm, vc), ha / (.3 nh,. pf) b) / < (.3 nh,.3 pf). 8 lmm 6 lmm RE(T(f)) 6 l.5mm lmm lmm RE(Π(f)) 8 6 l.5mm lmm lmm f[hz] f[hz].5. ábra a) a T b) Π impdancia mnt a tápvonalhossz (l) függvényébn, V-bondolás stén az lső lvágási frkvnciáig ábrázolva, ha / > (mindkét ábránál. nh,. pf, 5 Ohm, vc). A második stt különböző tápvonalhosszaknál..b ábra mutatja ( 5 Ohm). átható, hogy a tápvonalhossz növkdésévl csökkn a lvágási frkvncia és a hullámimpdanciák kisfrkvnciás érték közlít a tápvonalak hullámimpdanciájához. A harmadik stbn a T és Π hullámimpdanciákat a.5.a és.5.b ábrák mutatják ( 5 Ohm). Hasonlóan a második sthz a tápvonalhossz növkdésévl csökkn a lvágási frkvncia és a hullámimpdanciák kisfrkvnciás érték közlít a tápvonalak hullámimpdanciájához. Mgfigylhtjük azonban, hogy gy bizonyos tápvonalhossz fltt a két hullámimpdancia jllg flcsrélődik. Ennk a hossznak az érték csökkn, ha az / arány nő. 3 FEJEET 78

83 Hasonlóan az idális és normál bondolt sthz, célunk az, hogy különböző fizikai hosszak stén a T és Π impdanciákat gy k konstans értékn tartsuk, annak érdkébn, hogy a lvágási frkvnciákat rálisan össz lhsn hasonlítani. Abban az stbn, mikor k k választással tljsíthtő az mlíttt kövtlmény. Abban az stbn mikor k értékt kll választani, amlyr / < k <, thát kkor a második st áll fnn. Abban az stbn mikor k / > k >, thát a harmadik st áll fnn. A hullámimpdancia szükségs érték különböző tápvonalhosszaknál a hullámimpdanciák (például a T ) kisfrkvnciás értékénk változásából számítható ki. T impdancia kisfrkvnciás érték a képlt határérték számításával kapható mg: E T ( l v) T ( ) im l l E T l v l l (.5) ahol E, T, E, T a illtv a gynltkkl adott, v a jltrjdési sbsség a tápvonalakon, a bondoló induktivitás érték, krsztági kapacitás. él az, hogy T érték k konstans maradjon bármilyn l-r, vagyis: T ( ) k ( l v) l v (.6) Átrndzv zt, másodfokú gynlt adódik -ra, amlynk valós, pozitív gyök adja mg képltét: ( T () k, l,, ) ( k v v k v l k v v k ) l (.7) Ezt a kifjzést ábrázolom k5 Ohm stén, a.6.a ábrán a tápvonalhossz függvényébn arra az str, ha / < k (.3 pf,.3 nh, vc), illtv a.6.b ábrán arra az str, ha / > k (. pf,.3 nh, vc). T (l) T (l) l 3. l[m] ábra A T hullámimpdancia konstans 5 Ohm-on tartásához szükségs tápvonal impdanciák a tápvonalhossz (l) függvényébn, V-bondolás stén, a) ha / < k, illtv b) ha / > k (vc). átható hogy a.6.a ábra stébn a hlyzt nagyon hasonló az idálishoz, azaz csökknő hosszaknál a szükségs hullámimpdancia mindn határon túl nő, annak érdkébn, hogy a vonalból hiányzó induktivitást pótolja. A.6.b ábra stébn kapacitás hiány van, zért a szükségs hullámimpdancia mindn határon túl csökkn. l[m] 3 FEJEET 79

84 A lvágási frkvncia közlítő értékét különböző kapacitás értékknél a.7.a ábra mutatja. Mint látható a kapott görb ign hasonló az lőző két alfjzt rdményéhz, azaz gy határ tápvonalhosszig (l kr mm) a lvágási frkvncia csak lassan, fltt pdig gyorsan csökkn. Abban az stbn viszont ha k /, akkor a határ hossz zérus. áttuk a. fjztbn, hogy idális (parazita induktivitás nélküli) koncntrált lmű rősítőknél, adott tranzisztor S / S kapacitás viszony és lőírt lzáró impdanciák (pl. 5 Ohm-ok) stén a fázisillszttlnség mérték (q érték) és így a frkvnciamnt gyakorlatilag kötött. Ennk oka az, hogy az mlíttt körülményk között a vonalak lvágási frkvnciája, azaz szkciónkénti fázistolása a kiadódó induktivitás értékk által mgkötött érték. A q értékét gydül a hagyományos módon mgjlnő parazita induktivitás értékévl lht lvilg koncntrált lmű stbn hatékonyan bfolyásolni. Azonban a gyakorlatban nnk a parazitának a minimalizálására törksznk (pl. többszöri bkötéssl), így gy jól bállított értéktől mgfllőn ltérni nm gyszrű. A. fjzt rdményi alapján kijlnthtő, hogy tápvonalas stbn adott krsztági kapacitás érték és kötött lzáró impdancia, azaz kötött T és Π vonalimpdanciák, valamint kötött csatlakoztatási parazita induktivitás érték stén is lhtőség van a lvágási frkvncia csökkntésér, azaz a szkciónkénti fázistolás növlésér, a tápvonalhosszak növlésévl. Ennk mgfllőn, llntétbn a koncntrált sttl, lvilg lhtőség van az rősítő vonalai közti fázisillszttlnség mértékénk (q) és így a frkvnciamnt ttszőlgs módosítására. Trmésztsn az ljárás során az rősítő valamlyik vonalának az IS szorzata biztosan kisbb lsz, mint a maximális stbn (koncntrált induktivitások stén), thát csökkn az rősítő rősítés-sávszélsség szorzata is. Ez a lépés azonban lngdhttln, ha másképp az lőírt frkvnciamnt nm mgvalósítható. 3.pf.pF.pF ATE gc.5 nh RAIN dc.5 nh [Hz] gs. pf 5 ms ds.3 pf.. l[mm] SOURE.7. ábra a) lvágási frkvncia közlítő érték a tápvonalhossz (l) függvényébn, V- bondolás stén (.3 nh, T () Π ()5 Ohm, vc) b) gyszrűsíttt tranzisztormodll.. alfjzt: Az új trvzési módszr bmutatása trvzési példa sgítségévl. Ebbn a fjztbn gy 5 Ohm-os lzárások között működő négyfokozatú losztott rősítő általam javasolt trvzési lépésit mutatom mg az ddigi rdményim flhasználásával. A fokozatszám általában gy lőírt rősítés igény alapján adódik ki. Ennk érték függ a tranzisztor transzkonduktanciájának nagyságától, illtv a vsztségktől. Számítását az irodalomból ismrt rdményk alapján lht lvégzni, amit az 5. fjztbn tszk mg. Jln példában az általam ddig bmutatott rdményk flhasználását szrtném dmonstrálni, zért a.7.b ábra gyszrűsíttt, unilatrális, vsztségmnts tranzisztorát vszm alapul a trvzéshz. Fltétlzv, hogy a minimális lérhtő és kézbn tartható bondoló induktivitás érték.3 nh, V-csatlakoztatást alkalmazva a gatvonalon, a hullámimpdancia kisfrkvnciás 3 FEJEET 8

85 érték / 65 Ohm, azaz magasabb a lzáró impdanciáknál. Ebbn az stbn, ha a gatvonal T-tagra végződik, akkor a. és 3. fjztk rdményi alapján, számunkra lőnyösn mgnövkszik az rősítő rősítés, miközbn az lőirt rflxióhoz tartozó működési sávszélsségt közl konstans értékn lht tartani, ha a rflxió szintj -d körül van. A hullámimpdanciák maximuma körülblül 6 Ohm lht. Így thát szükségssé válik tápvonalszakaszok biktatása. Tgyük fl, hogy ralizációs lőírás miatt lgalább.3 mm fizikai hosszúságú tápvonalakat kll biktatnunk a tranzisztorok közé. Kis dilktromos állandójú hordozót választva (<ε r <3), az mlíttt fizikai hossz.5mm-nél rövidbb kvivalns lktromos hosszúságnak fog mgfllni, amly stén a kritikus hossz alatt maradunk, illtv nm csrélődnk fl a.3. alfjztbn a lírt módon a hullámimpdanciák frkvnciamnti. Tápvonal kvivalns lktromos hosszúságnak thát.5 mm-t választva, a szükségs tápvonal hullámimpdanciát a gatvonalon.7. gynlt alapján tudjuk kiszámítani (k6). Ezk alapján a kiadódó szükségs tápvonal hullámimpdancia 38 Ohm. A kiadódó gatvonal lvágási frkvncia csak gy kicsivl lsz az azonos hullámimpdanciájú koncntrált lmű vonal lvágási frkvnciájánál alacsonyabban. A.7.a ábra alapján bcsülni lht gy körülblüli.6-.7 Hz csökknést a koncntrált sthz képst. Az kvivalns koncntrált lmű gatvonal lvágási frkvnciájának számításánál a V- csatlakoztatás llnér, a normál bondolt rősítő.8. gynlttl adott lvágási frkvncia képltét kll használni, a tranzisztornak a csipn lvő gc.5 nh induktivitása miatt: f c 3. Hz / 8 (.8) π gs ( ) gc Figylmb vév a tápvonalak miatti csökknést 9.3 Hz gatvonal lvágási frkvnciával számolok tovább. A működési sávszélsség alkalmazva a.. alfjztbn lírt módszrt, d-s maximális bmnő rflxiónál a lvágási frkvncia 7%-a (. táblázat), azaz.7 Hz. A drainvonal stébn ha nm vsszük figylmb a bondolási induktivitást, az ign kis értékű ds kapacitás miatt ign magas lvágási frkvnciát kapunk, ha 5 Ohm-os hullámimpdancia értékkr trvzzük a vonalat (a kiadódó hosszági induktivitás érték.75nh),. Ez a gat- és drainvonal közti nagy fázisillszttlnséghz (nagy q) értékhz vzt, ami nm mgfllő lapos rősítés-karaktrisztika mgvalósításához, négyfokozatú rősítő stén. A bondolási induktivitás figylmbvétl stén lhtőségünk van V- csatlakoztatás, vagy normál csatlakoztatás alkalmazására. Abban az stbn, ha V-bondolást alkalmazunk, a nagy értékk miatt ugyan lcsökkn a lvágási frkvncia, d a kiadódó művonal hullámimpdanciái ign nagy értékűk lsznk, amit csak hosszú tápvonalak biktatásával tudunk kompnzálni. Ez járható út, akkor mikor amúgy is nagy áramköri mértk szükségsk, mint ahogy azt az 5. fjztbn gy konkrét mgépíttt rősítőn látni fogjuk. Másik lhtőség, ha a drainvonalon normál csatlakoztatást alkalmazunk. Figylmb vév, hogy a bondoló és a csipn lévő dc induktivitás sorosan összkapcsolva a krsztágba krül, a lvágási impdancia érték: f c 9. Hz ds ( ( dc ) ) 56 (.9) π A fázisillszttlnség mérték így q.6-r adódik. Ilyn struktúrájú rősítő fázisillsztési problémáival a.8. alfjzt foglalkozott. A kiszámolt q értékr fl lht rajzolni a.8. ábrához hasonló görbsrgt. Ez a.8.a ábrával adott. átható, hogy gynlts átvitlt N3 fokozatszámnál kapunk. Ahhoz, hogy az gynlts átvitlt négyfokozatú rősítőnél kapjuk, a q értékét csökkntni kll. Négyfokozatú rősítőhöz idális q.55, mint ahogy az a.8.b ábrán látható. Ennk léréséhz a drainvonal lvágási frkvnciáját 5. Hz-r kll csökkntni, amit tápvonal biktatásával tudunk lérni. A tápvonalak szükségs hosszát a 3 FEJEET 8

86 .3.b ábra görbéink.3 pf, illtv.3 nh lmértékkr történő flrajzolásával tudjuk mghatározni. Ez a.9.a ábrán látható, amiről lolvasva a szükségs tápvonalhossz l.5 mm (ε r stén). Az 5 Ohm-os hullámimpdancia értékhz szükségs tápvonal hullámimpdanciákat a tápvonalhossz ismrtébn, a.3. gynltből tudjuk kiszámítani, a kiadódó érték 58 Ohm. Az rősítő Aplac programmal szimulált átvitlét 5 Ohm-os gnrátor és 5 Ohm-os lzárás között a.9.b ábra mutatja. átható, hogy a görb tljs mértékbn kilégíti a spcifikációs kövtlménykt (gynlts rősítés.6 Hz-ig, azaz a gatvonal lvágási frkvnciájának 7%-ig), és az lmélt által mgjósolt tulajdonságokkal rndlkzik. A görbén tapasztalható ign nyh sés, amit mgfigylhtünk magasabb frkvnciák flé, annak az rdmény, hogy a választott q.55 érték, illtv a gatvonal lvágási frkvnciája közlítő összfüggésk alapján adódott ki. Azonban a görb sés akár optimalizációval, akár a drain tápvonalak hosszának kismértékű növlésévl könnydén kompnzálható. Egy ilyn kompnzáció rdményként adódó átvitl látható a..a ábrán, ahol a drain tápvonalak hosszát növltm mg.35mm-l (trmésztsn a hullámimpdancia is korrigálva ltt: 56 Ohm ) a q értékénk csökkntés érdkébn. A rflxiók a..b ábrán láthatóak. A bmnti rflxió - d körül van Hz-ig ahogy azt mgjósoltam. A kimnti rflxió ign kis érték a drainvonal gzakt 5 Ohm-os trvzésénk rdmény. Az így mgtrvztt és kismértékbn módosított négyfokozatú rősítő smatikus ábráját a.. ábra mutatja. 8 8 rl, P,q dp-3d dp-d dpd rl, P,q dp-3d dp-d dpd dp3d dp3d rl rl.8. ábra. [Hz] pF.3pF istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary May. 5. [d] l[mm] Frq [Hz] Magd(S(,)).9. ábra a) lvágási frkvncia közlítő érték a tápvonalhossz (l) függvényébn öszvér rősítő stén (.3 nh, T () Π ()5 Ohm, vc) b) mgtrvztt rősítő átvitl optimalizáció lőtt 3 FEJEET 8

87 . 5. [d]. istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary May istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary May. -.5 [d] Frq [Hz] Magd(S(,)) Frq [Hz] Magd(S(,)) Magd(S(,)).. ábra a) kismértékbn módosított ( l.3 mm) rősítő átvitl (optimalizáció nélkül) b) rflxiók Az rdményk alapján kijlnthtm, hogy az általam mgadott a trvzési ljárás képs lőirt fokozatszámú és átvitli karaktrisztikájú rősítő trvzésér a tranzisztor csatlakoztatási induktivitások hatásának kompnzálásával, unilatrális, vsztségmnts stbn. ; l / E 38 Ω; l.5 mm ; l ; l 5 Ω ; l / T u S.3 nh ; l / ; l ; l ; l / KI T 56 Ω; l.8 mm 5 Ω.. ábra. Mgtrvztt rősítő smatikus ábrája.5. alfjzt: A többi parazita hatása A tranzisztor vsztségink hatását, mint ahogy azt az. fjztbn mlítttm ign részltsn lmzték az irodalomban unilatrális tranzisztormodll stén. Azonban, mint ahogy azt a kövtkzőkbn látni fogjuk, a mai tranzisztorok tipikus vsztség értéki stén, magas frkvnciákon az általuk okozott lvágást mglhtősn jól kompnzálni tudjuk, q értékénk mgfllő csökkntésévl. Egydül a tljs sávban okozott rősítés csökknéssl nm tudunk mit kzdni. rakva a..a ábra rősítőjéb gy soros gat llnállást (Rg5 Ohm) valamint gy párhuzamos drain-sourc llnállást (Rds5 Ohm), a..a ábra alsó görbéjévl adott átvitlt kapom. Az értékk mgfllnk az 5.. ábrával adott HP ATF3 típusú MESFET lmértékink. átható, hogy még az rősítő módosítása nélkül is a lvágás magas frkvncián nm túl jlntős. Újabb kompnzálás után (a.. ábrával adott rősítő drain tápvonal hosszainak.mm-l történő további növlésévl a q-t tovább csökkntjük, 55.7 Ohm) a..a ábra flső görbéjévl adott átvitlt kapjuk. A kapott rdményből kiindulva könnyn még gynltsbb átvitlt lht lérni optimalizálással. A rflxiók kisfrkvnciás értéki is lromlanak a vsztségk hatására, különösn a drainvonalon, ahol a kisfrkvnciás kimnti llnállás a tranzisztorok R S llnállásainak és a vaklzárás kisfrkvnciás értékénk párhuzamos rdőjként adódik. Jln négyfokozatú rősítő stébn z 5.5 Ohm, így a kimnti rflxió kisfrkvnciás érték d körülir adódik. Sajnos z érték romlik a fokozatszám növlésévl, így thát vsztségk nm csak a vonalak mgngdtt lgnagyobb szkciónkénti csillapítása miatt korlátozzák a mgngdhtő lgnagyobb fokozatszámot, mint ahogy zt az irodalomban ddig mgtalálhattuk (lásd.. fjzt), hanm a kisfrkvnciás kimnti rflxió maximális érték miatt is. 3 FEJEET 83

88 . istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary Jun 3. istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary Jun 3 5. [d]. 5. [d] Frq [Hz] Magd(S(,)) Frq [Hz] Magd(S(,)).. ábra a) Vsztségk hatása kompnzáció lőtt és után (flső), d optimalizáció lőtt b) sourc induktivitás hatása az a) ábra kompnzált rősítőjér ( nh,.5 nh. nh) A földlési sourc induktivitás hatása sokkal radikálisabb az rősítésr, mint a vsztségké. Ezt mutatja a..b ábra, ahol a..a ábra vsztségs, kompnzált rősítőjéb.5 nh, illtv. nh soros sourc induktivitást iktatok b. Sajnos a sourc induktivitás hatását csak kis mértékbn lht kompnzálni a q további csökkntésévl, így az gynlts rősítés léréséhz már optimalizálni kll az áramkört. A ralizáció során thát ign nagy hangsúlyt kll fkttni a sourc földlési induktivitás csökkntésér, illtv monolit intgrált stbn alkalmazható a []-ban javasolt módszr. A visszacsatoló kapacitás hatásának vizsgálatát, mint ahogy azt az. fjztbn mlítttm, Wong végzt l. Az általa kidolgozott módszr a bilatrális losztott rősítő struktúráknak közlítő analízisét tszi lhtővé. Azért csak közlítő, mrt a tranzisztor hlyttsítőképénk koncntrált lmit gynltsn losztottnak tétlzt fl a gat-, illtv drainvonal mntén. Trvzési ljárást az rdményk bonyolultsága miatt nm tudott adni. A..a ábra kompnzált rősítőjénk függését a visszaható kapacitás értékétől a.3.a ábra mutatja, négy különböző gd értéknél ( ff, 6 ff, ff, 5 ff). átható hogy a visszaható kapacitás ign rőtljs hullámzást okoz az átvitlbn, valamint jlntősn csökknti a lvágási frkvncia értékét. Emlltt lrontja a bmnti rflxiót is. Ezk alapján az alkalmazott aktív szköznk minimális visszaható kapacitás értékkl kll rndlkzni, ahhoz hogy az általam kidolgozott trvzési módszr hatékonyan alkalmazható lgyn. Adott tranzisztor stén visszaható kapacitás érték csökknthtő még a tranzisztorok kaszkód kapcsolásával. Abban az stbn pdig, ha a gd>ds, a két kapacitás szrp flcsrélhtő a tranzisztorok földlt gat-s kapcsolásával. Az ábra alapján általános szabályként lfogadhatjuk, hogy ha az alkalmazott tranzisztor gd kapacitás érték kisbb, mint a ds kapacitás ötöd, akkor hatása lhanyagolható. Utólagos optimalizálással a trvzési ljárás még alkalmazható abban az stbn is, ha gd érték közl %-a a ds kapacitás értékénk, d kkor a működési frkvncia már csökkn. Optimalizálással kapott rdménykt mutat a.3.b ábra. A mgjlölt görb mutatja azt az stt mikor a visszaható kapacitás érték a ds értékénk %-a (gd6f), a sima görb pdig azt mikor %-a (gdf). A szimulált rősítők tranzisztorai tartalmazzák még az lőzőkbn bvzttt vsztségkt, valamint s.5 nh sourc földlési induktivitást. Az rősítő optimalizált struktúrája abban különbözik a.. ábrával mgadottól, hogy a gat illtv a drain oldali vaklzárások, a nhzn ralizálható hullámimpdanciák hlytt 5 Ohm-ok. Ez a csr nm okozott különösbb változást az rősítésbn, hisz a - d-s rflxiós lőírás miatt, a működési frkvnciatartományban a hullámimpdanciák amúgy is ign közl voltak az 5 Ohm-hoz. A bmnti rflxiók érték a tljs sávban d alatt van, a kimnti rflxiók érték kisfrkvncián Rds miatt csak d és csak 7 Hz fltt süllydnk - d alá. A kapott rdménykt ign rövid optimalizálási ciklus után kaptam a..a ábra kompnzált rősítőjénk paramétriből, mint kiindulási adatokból. Az alkalmazott Nldrmad típusú optimalizációs algoritmus [6, 5] kvsbb, mint fél prc alatt találta mg a végrdménykt 33 MHz-s Pntium számítógépn futtatva. A kapott rősítők paramétri 3 FEJEET 8

89 a.. táblázattal adottak. áthatóan az optimalizációs változók száma viszonylag kicsi volt, mivl nm volt szükségs az összs tápvonal összs paramétrét külön-külön változtatni. gd6 ff gd ff Összs gat tápvonalra: Ohm Összs gat tápvonalra: 9 Ohm Összs drain tápvonalra: 56 Ohm Összs drain tápvonalra: 6.3 Ohm Két szélső gat tápvonal hossza:.73 mm Két szélső gat tápvonal hossza:.68 mm Középső gat tápvonalak hossza: mm Középső gat tápvonalak hossza:.68 mm Két szélső drain tápvonal hossza:.7 mm Két szélső drain tápvonal hossza:.56 mm Középső drain tápvonalak hossza: 5.7 mm Középső drain tápvonalak hossza:.335 mm.. Táblázat. Optimalizált rősítők paramétri különböző gd értékknél. A struktúra mggyzik a.. ábrával adottal. A véglgs mgoldás gyszrű származtatása mutatja, hogy a mai tranzisztorok tipikus vsztség értékinél, illtv a visszaható kapacitásra és a földlési induktivitásra fnt mgadott korlátok mglét stén, a trvzési módszr közlítőlg jó rdményt ad. Ezzl szmbn közvtln számítógéps trvzés stén, mikor az áramkört gy véltln kiindulási paramétrsorból próbáljuk optimalizációval mgtrvzni, az áramkör bonyolultsága, a optimalizációs változók nagy száma, illtv a széls átvitli sáv miatt, a hibafüggvény rndkívül nagyszámú és éls lokális minimummal rndlkzik. Ilyn körülményk között az idális mgoldás mgtalálása optimalizációval ign nhéz és időigénys.. 5. [d]. 5. istributd amplifir modl APA 6. Usr: TKI, Hungary Jun istributd amplifir modl A 7.5 Usr: Tchnical Univrsity of udapst Jun 6. d Frq [Hz] Magd(S(,)) f/hz Magd(S(,)) Magd(S(,)).3. ábra a) gd hatása ( ff, 6 ff, ff, 5 ff)..a ábra kompnzált rősítőjér b) optimalizált rősítés gd6 ff (markrs görb) ill. gd ff stén A trvzési példában -a gd kapacitás kivétlévl- a figylmb vtt paraziták értéki 5.. ábrával adott HP ATF3 típusú MESFET lmértékink flltk mg. Sajnos a visszaható kapacitás nagy érték miatt z a mglhtősn örg konstrukciójú tranzisztortípus nm alkalmas hatékony losztott rősítő trvzésér. Manapság a millimétrs hullámhosszú rősítők iránti igény a félvztő gyártókat újabb, sokkal jobb paramétrkkl (kisbb zaj, kisbb visszahatás, nagyobb rősítés, nagyobb max. oszcillációs frkvncia) rndlkző tranzisztortípusok gyártására kényszríttt. Így krskdlmi forgalomban már találhatunk olyan tranzisztorokat, amlyk tljsítik a visszaható kapacitásra mgadott korlátokat és így az általam javasolt trvzési módszr gyakorlatban is alkalmazható. A kövtlményknk mgfllő tranzisztor például a FUJITSU által gyártott FHRX típusú tokozatlan HEMT, amlynk a hlyttsítőkép a..a ábrával adott. áthatóan a gd érték kvsbb, mint %-a a drain kapacitásnak, mlltt vsztségk is kicsik, valamint a zaj és rősítés tulajdonságai is nagyon jók [56]. A paramétrk további javítása (különösn a visszahatás csökkntés) az szköztrvzők célirányos fjlsztésin, kutatásain múlik. Ilyn tranzisztort mutat a..b ábra, ahol az [55] Hz-s MMI rősítőjébn alkalmazott Mushroom gat struktúrájú HEMT hlyttsítő képét láthatjuk. 3 FEJEET 85

90 Rg. Ohm gs. pf Ri5.8 Ohm gd. pf ps 9 ms Rd3.9 Ohm ds.6 pf Rds37 Ohm S.. ábra a) FUJITSU FHRX típusú, b) [55]-bn mgadott Mushroom gat-s HEMT hlyttsítő kapcsolása. A 8-as évk végén gy új nagyfrkvnciás rősítő szközt fjlsztttk ki, a Htróátmnts ipoláris tranzisztort (HT). Ezk az szközök sok lőnyös tulajdonság mlltt (például a több száz Hz-s maximális oszcillációs frkvncia), rndkívül kicsi visszahatással rndlkznk. Ez a tulajdonságuk mindnfajta rősítő építésér idálissá tszi őkt. Tipikus HT hlyttsítő képt mutat a.5. ábra [57, 58]..5. ábra HT xtraktált hlyttsítő kép [57]. Kijlnthtm thát, hogy a trvzési módszr alkalmazhatósága szmpontjából kritikus visszahatás, illtv vsztségk értéki a mai tranzisztorok tchnológiai színvonala mlltt lég kicsir csökknthtők, hogy a módszrt alkalmazni lhssn. Hasonlóan a sourc földlési induktivitás hatását is minimalizálni lht a mgfllő konstrukcióval (sourc többszörös rövid kibondolása -stlg szalaggal- a tranzisztor szintjér hozott, nagyflültű fémszigtkr), illtv gy az lőzőkbn hivatkozott ljárással []. Monolit intgrált tchnológiánál a csatlakoztatási induktivitások érték jóval kisbb lht, illtv sokkal finomabban állítható, mint hibrid intgrált stbn, így a módszr ralizációs szmpontból könnybbn alkalmazható és magasabb működési frkvnciák érhtők l vl. Erdményk összfoglalása: A. fjzt a hármas téziscsoport összfoglalása a 3.. altézis kivétlévl. Mivl a kövtkző fjztbn van kifjtv (5. fjzt), zért azt annak a végén ismrttm. 3.. Az altézis részlts lírása a.. alfjztbn található. Itt a parazita induktivitásoktól és vsztségktől mnts, unilatrális tranzisztorokat tartalmazó koncntrált lmű és losztott lmű rősítő rősítés-sávszélsség szorzatait hasonlítom össz, a vonalaik impdancia-sávszélsség (IS) szorzatainak összhasonlításán krsztül. Ennk érdkébn a tápvonalhosszak módosításakor a hullámimpdanciákat állandó értékn tartom a tápvonal hullámimpdanciák mgfllő változtatásával. Mgadom az hhz szükségs számítási formulákat. Ennk mgfllőn mgmutatom, hogy az impdancia szintn 3 FEJEET 86

91 tartása stén, a fizikai hosszat nullára csökkntv a lvágási frkvncia monoton nő és a koncntrált lmű rősítő vonalának. fjztbn mgadott lvágási frkvnciájához tart. Az rdményk alapján kijlntm, hogy a koncntrált lmű rősítő vonalainak lgnagyobbak az IS szorzataik, vagyis az ilyn rősítőnk lgnagyobb az rősítéssávszélsség szorzata, rögzíttt krsztági kapacitás értékk stén. Az altézishz a [S5, S] saját publikációk kapcsolódnak. 3.. A 3.. altézis kifjtés a.., illtv.3. alfjztkbn található mg. Itt a 3.. altézisbn lírtakhoz hasonló vizsgálatokat végzk parazita induktivitásokat tartalmazó rősítőkőn. Mgmutatom, hogy adott krsztági kapacitás érték és adott parazita induktivitás érték stén itt is a koncntrált lmű rősítőnk lgnagyobb az rősítés-sávszélsség szorzata. Mgvizsgálom a V-csatlakoztatott tranzisztorokkal flépíttt rősítőkt is és az lőzőkhz hasonló rdménykr jutok. Az altézishz a [S5, S7] saját publikációk kapcsolódnak illtv az rdményk publikálás lőtt vannak Az altézis a.. alfjztbn krül bmutatásra. Az altézisbn az ddigi rdményk alapján kidolgozott trvzési módszrt mutatok b, amly unilatrális, vsztségmnts tranzisztormodll stén, kizárólag az rősítőbn alkalmazott tápvonalak tulajdonságait módosítva képs a gat- és drainvonalak közti fázisillszttlnség mértékét úgy manipulálni, hogy lőírt rősítés (azaz lőírt fokozatszám), rflxiók, illtv sávszélsség stén, gynlts átvitlű rősítőt szinttizál. Mivl a trvzés során a tápvonalak hossza az gynlts átvitl léréséhz szükségs lgkisbb mértkt vszi fl, így a altézisk rdményi alapján a módszr a lgnagyobb rősítés-sávszélsség szorzattal rndlkző rősítőt hozza létr. A trvzési példán krsztül mgmutatom, hogy a különböző (normál, illtv V) csatlakoztatási struktúrák lőnyösn kombinálhatóak. mutatom, hogy a mai félvztős aktív szközök tipikus értékű vsztségink hatása gyszrűn kompnzálható a fázisillszttlnség további csökkntésévl. Mgvizsgálom a trvzési módszr alkalmazhatóságát földlési parazita induktivítás jlnlét, illtv bilatrális (visszahatással rndlkző) tranzisztormodll alkalmazása stén. Ezk alapján mpirikus korlátot adok a gd kapacitás maximális értékér vonatkozólag. Ralisztikus tranzisztormodll, illtv mgvalósítható földlési induktivitás érték flhasználásával mutatom mg a módszr gyakorlati használhatóságát konkrét trvzési példán krsztül, amlynk végrdményképpn ralizálható rősítő adódik ki. Az altézis rdményit az [S, S5, S7] saját publikációban ismrtttm. 3 FEJEET 87

92 5. fjzt: A. és 3. fjztk néhány rdményénk gyakorlati igazolása Ebbn a fjztbn az általam trvztt és építtt losztott rősítőkt ismrttm. A fjzt rdményi a 3.5. altézishz kapcsolódnak. Az rősítők hibrid intgrált tchnológiával készültk, mivl Magyarországon aas monolit intgrált tchnológia nm lérhtő. A tchnológia miatt zn rősítők tljsítmény nm hasonlítható a mai lgkorszrűbb monolit intgrált tchnológiával készült rősítők tljsítményéhz. Arra azonban jók, hogy néhány általam lvzttt lmélti rdményt a gyakorlatban igazoljanak (krsztági induktivitások, fázisillszttlnség hatása illtv működési frkvncia érték). Monolit stbn a lgtöbb parazita érték kicsi és így a hatásaik is lhanyagolhatóak. Ez mgállapítás lginkább a tranzisztorok csatlakoztatási induktivitásaira igaz, amlyk monolit stbn jóval kisbb értékűk, mint hibrid intgrált stbn, ahol bondoló huzalt, vagy szalagot kll használni a csatlakoztatáshoz. Ahogy azonban a működési frkvncia növkszik, már monolit stbn is mghatározó lht a csatlakoztatási parazita induktivitások hatása, mint ahogy azt az. fjztbn hivatkozott cikkl [9] bmutattam. Ebből a szmpontból különösn kritikus a gatvonal, mivl a tranzisztorok gat-sourc kapacitása általában nagyobb, mint a drain-sourc kapacitás, ráadásul a mikrohullámon használt HEMTk és MESFET-k struktúrájából kövtkzőn a kskny gat lktródát, csak gy viszonylag kskny és hosszú, thát induktív hozzávztésn krsztül tudjuk lérni. A tokozott tranzisztorokkal flépíttt, kétfokozatú, hibrid intgrált rősítő trvzés során, a nagyobb parazita értékk miatt már Hz környékén szmb találtam magam az mlíttt problémával [S9]. A krsztági induktivitás hatásával részltsn foglakozó cikkünk, amly koncntrált lmű str lmélti számításokat tartalmaz, [9]-hz képst félévl később jlnt mg [S6]. 5.. fjzt: Tokozott tranzisztorokat tartalmazó kétfokozatú rősítő trvzés, építés: oktori tanulmányaim során részt vttm az Európai Unió oprnikus kutatási programjában. Ennk krtébn fladatunk gy szélssávú ( Hz-s) optikai vvő kifjlsztés volt. Az optikai vvőbn rősítőként szélssávú losztott rősítőt klltt alkalmaznunk. Fladatom nnk kifjlsztés volt. Mint mlítttm, Magyarországon a monolit intgrált tchnológia nm lérhtő, így hibrid intgrált tchnológiát klltt választanom. Egyszrűség és olcsósága miatt tokozott tranzisztorokat alkalmaztam lső rősítőnk mgvalósításához. Tokozott tranzisztorok stén a paraziták magasak, így körültkintőn kll azt kiválasztani. Ennk mgfllőn a HP ATF35376 típusú PHEMT-jét választottam ign kis zajtényzőj, nagy rősítés és kis értékű parazitái miatt [53]. ATE g.5 nh Rg.3 Ohm gd.36 pf d.33 nh RAIN gs.8 pf Rg Ohm ps 57 ms ds.6 pf Rds57 Ohm s5 ph SOURE 5.. ábra. Tranzisztor hlyttsítő kapcsolása A tranzisztor katalógusban adott kisjlű S paramétriből mghatározott hlyttsítő kapcsolását az 5.. ábra adja mg. A hlyttsítő kapcsolás ign sok parazitát tartalmaz. Az lső fjzt alapján kkor kétfél trvzési módszrt lht alkalmazni. Egyik a számítógéps 5 FEJEET 88

93 optimalizációval történő közvtln trvzés, a másik az általam mgadott trvzési módszr (.. alfjzt). Sajnos az rősítő trvzésénk idjén (995-97) még nm dolgoztam ki az mlíttt módszrt, így csak a számítógéps trvzésr volt lhtőségm. Hasonló módon trvztm a fjzt másik flébn bmutatott tokozatlan tranzisztorokat tartalmazó rősítőt is. Ahogy az. fjztbn mlítttm, az optimalizációs ljárás csak akkor lht hatékony, ha a paraziták hatásait figylmb vév, rális célfüggvényt írunk lő. Ennk mgfllőn a sávszélsség bcslésénél az ddigi rdményk alapján a kövtkzőkt kll figylmb vnni: A sávszélsségr a. fjzt alapján a koncntrált lmű rősítő sávszélsség ad flső korlátot. Az 5.. ábra tranzisztoránál a sávszélsségt, a. és 3. fjztk alapján, lsősorban a csatlakoztatási parazita induktivitások és a tranzisztorkapacitások fogják korlátozni. Ezn blül is a gat oldali lmk, a nagyobb lmértékk miatt. Konstans lzárások stén, a vonalak lőírt rflxióhoz tartozó működési sávszélsség kisbb a lvágási frkvnciánál (lásd.. alfjzt)... alfjztbn lírt módszrt a gatvonalon nm érdms használni, mivl az lőírt - d-s rflxiós korlát stén a T impdanciában végződő vonal sávszélsség jlntősn csökknn. A szkciók közti induktivitás értékét abból a fltétlből kapjuk mg, hogy az rősítő 5 Ohm-ok között működik: [ ] T (5.) Ezk alapján a lvágási frkvncia a.8. képlttl számítható ki az 5. ábra gat parazita értékink bhlyttsítésévl: c π. 95Hz (5.) ( ).8 ( ) A működési frkvncia a bmnti illsztési lőírástól függ. Ha a bmnti illsztést dr választjuk akkor a.. táblázat alapján a működési frkvncia a lvágási frkvncia 85%-a, vagyis. Hz. Így thát az optimalizáció során célszrű Hz-s sávszélsségt és d-nél jobb bmnti rflxiót választanunk célfüggvénynk. Az rősítés mgbcsüléséhz a kövtkző ténykt kll figylmb vnni: Az rősítés mértékét lsősorban a tranzisztor transzkonduktanciája és a fokozatszám határozza mg. Az rősítést csökkntik a tranzisztor vsztségi, mint ahogy azt az lső fjztbn láttuk. Az 5.. ábra tranzisztorára a [] alapján kiszámolt értékkt különböző fokozatszámok stén az 5.. táblázat második sora mutatja. A táblázat lső sora mutatja a vsztségmnts stt. A ténylgs rősítés -.5 d-l magasabb lht a mgadott értéknél amiatt, hogy a drainvonalra alkalmazva a.. alfjzt módszrét, mlni tudjuk annak impdanciáját, ami az rősítés növkdését rdményzi. Fokozatszám (N) 3 5 Erősítés Idális [ d ] Vsztségs Táblázat A fokozatszámot a.6.. alfjzt alapján határozhatjuk mg. Adott működési sávszélsség (amit a lzárás milynség, valamint a rflxiós lőírás határoz mg), és adott q tényző (amit a kapacitások, lzárások és a parazita csatlakoztatási induktivitások határoznak mg) stén gy lőírt rősítés ltérés tartományhoz mgngdhtő fokozatszám tartomány a.7. gynltk sgítségévl határozható mg. A q értékét mgkapjuk, ha az 5. ábra parazitáinak értékét bhlyttsítjük a.97. gynltb (hhz azonban, hasonlóan a gatvonalhoz, ki kll számolnunk értékét, amihz az 5.. gynlthz hasonló számítás lvégzésévl jutunk:. nh). 5 FEJEET 89

94 q c c ( ) ( ) Ismrv q értékét, lvilg a.3. ábrához hasonló ábrát flrajzolva mghatározhatjuk a mgngdtt fokozatszám tartományt (5.. ábra). Az 5.. ábra szrint a vizsgált tranzisztortípus stén, ha a vsztségkt lhanyagoljuk,.85 rlatív frkvncia értékn ötfokozatú rősítőt célszrű mgvalósítani. Azonban az fjztbn lírtak szrint vsztségs stbn, illtv még inkább sourc földlési induktivitás miatt, jlntős rősítés csökknést tapasztalunk a lvágási frkvncia környékén. Így a fokozatszámot radikálisan csökkntni kll, hogy az gynlts rősítés kövtlményét tartani tudjuk. (5.3) Ν( rl, P,q.6) rl dp-3d dp-d dpd dp3d 5.. ábra fokozatszám mghatározása az 5. ábra tranzisztorára Az Aplac hálózat analizátor programmal végztt [6] vizsgálatok szrint a vsztségk, a blső sourc induktivitás, illtv gy külső.5 nh földlési induktivitás figylmb vétl stén, az gynlts rősítést léréséhz szükségs idális fokozatszám kttő és három között van. Ezt dmonstrálják az 5.3. ábrák, ahol a fntikbn kiszámított fokozatok közti induktivitás értékkkl, valamint a mgadott tranzisztormodlll flépíttt, 5 Ohm lzárások között működő kétfokozatú rősítő szimulációs rdményi láthatóak. A lírtak alapján kétfokozatú rősítőt optimalizáltam a kövtkző célfüggvénykkl: 8 d rősítés valamint d-nél kisbb rflxiók a MHz- Hz sávban. Sajnos a gyakorlatban az adott tranzisztor tokozásának külső mértk miatt, nm lht olyan rövidr választani a tápvonalakat, hogy azok a Hz-s tartományban koncntrált lmű hálózatként vislkdjnk, zért a trvzés során csak tápvonalakból összállított rősítő optimalizálható. Ráadásul a szükségs minimális mértkt nagysága miatt (pl. a tranzisztorok közti minimális távolságnak lgalább mm-nk klltt adódnia) mgfllő rdmény csak akkor volt lérhtő, ha a tápvonal szélsségk és hosszúságok szabadon változhattak az optimalizáció során (trmésztsn a mgvalósítási határokon blül), illtv ha a tranzisztorok drain csatlakoztatása további tápvonalakon krsztül történik. Mgpróbáltam háromfokozatú rősítőt is trvzni, d az mlíttt fltétlk mlltt és a tranzisztor parazitái miatt az áramkör olyan bonyolultnak adódott, hogy nm tudtam optimalizációval értéklhtő rdményt lérni. Ez tény is azt a mutatja, hogy viszonylag nagy parazita értékk stén (vagy ign magas frkvnciákon) tisztán optimalizációval nm lht hatékony trvzést végrhajtani 5 FEJEET 9

95 5. d istributd amplifir modl f/hz. d istributd amplifir modl (S(,)) f/hz (S(,)) a 5.3. ábra Szimmtrikus, koncntrált lmű rősítő a) rősítés b) rflxiói 5 Ohm-ok között A tápvonalak lktromos hosszainak csökkntés érdkébn, ign kis dilktromos állandóval (ε r.) rndlkző, tflon alapú hordozót választottam (uroid588). Az optimalizáció során kiadódó struktúrát az 5..a ábra mutatja. A szimulációs rdménykt pdig az 5..b ábra. Ennél a szimulációnál a nagyobb pontosság érdkébn a tranzisztormodll hlytt, már a gyári katalógus által adott, kisjlű S-paramétrkt használtam. IN 5 Ohm mm W.653 mm HEMT modl.6 mm W.63 mm 8. mm W.5 mm W. mm 9. mm HU mm H.58mm.5 mm W.83 mm HEMT modl 8. mm W.5 mm T35u W. mm.6 mm A uroid 588 εr. ON.E7 ROUH um TAN.9 5 Ohm W.9 mm.8 mm OUT 5. d FEJEET b istributd amplifir S(,) S(,) f/hz S(,) 5.. ábra Elosztott lmű rősítő a) járulékos lmk nélkül b) szimulációs rdményk átható, hogy 8 d körüli rősítést és - d-nél jobb illsztéskt tudtam lérni az - Hz sávban. A kisfrkvncián tapasztalható rősítéssés az Rds llnállás hatásának tulajdonítható [6]. A véglgs struktúrában a ki- és bmntkt szmpontból l klltt választani. A két tranzisztort gat lőfszítés is külön történik. Ez utóbbira azért volt szükség, hogy a két tranzisztor nm gynlő tulajdonságait stlgsn kompnzálni tudjuk. A lválasztásra használt Alpha gyártmányú pf értékű, félvztő kondnzátorok ign kis vsztségűk gészn Hz frkvnciáig [57]. Mg kll mlítni, hogy ilyn nagy értékű kondnzátorok monolit tchnológiával nm állíthatóak lő, így a hibrid rősítőknk általában az alsó határfrkvnciája alacsonyabban van, mint a monolit intgrált rősítőknk. Ez a tulajdonság lőnyős olyan modulációs, illtv kódolási típusok átvitlénél, ahol jlntős lht az alacsony frkvnciás össztvők aránya (pl. NR átvitl). Jln stbn az átvitli sáv alsó határa MHz-n volt, ahol még.9 d-s rősítést mértünk. A lőfszítésk llnállásokon krsztül történtk, mrt zk hatására a jósági tényzők lcsökknés miatt, az lőfszítő áramkörök széls sávban közl azonos impdanciát mutatnak. Az áramkörbn mlltt az ltérő impdanciájú vonalak közé folytonosan változó szélsségű (impdanciájú) illsztő vonalakat raktam, annak érdkébn, hogy a blső rflxiókat, amlyk az rősítés hullámzását növlik, csökkntsm. A fntikbn mlíttt plusz lmkkl optimalizált rősítő nyomtatott áramköri rajza az 5.5.a ábrával adott. Annak érdkébn, hogy a tranzisztorok sourc földlésénél fllépő b

96 parazita induktivitások hatását minimalizáljam, gyrészt vékony hordozót választottam (h.5 mm), másrészt a földt a doboz aljába mart és onnan kimlkdő fémszigtkkl közvtlnül flhoztam a hordozó flső, áramköri szintjéb. A lyukgalvános mgoldás itt nm mgfllő a viszonylag nagy induktivitás értékk, valamint a tflon alapú hordozón ign mgbízhatatlan ralizáció miatt. A véglgs rősítő szimulált és mért S paramétrit az 5.5.b ábra mutatja. átható hogy a mért rősítés 7 d körül ingadozik, szmbn a szimulált 8 d-l. A rflxiók mért értéki: az S a tljs sávban jobb, mint -8.5 d, az S paramétr 8 Hz-ig - d alatt van, d fltt csak -6 d. HEMT Ohm kohm 5 Ohm bypass capacitor mtal island for grounding 3 mm S (d) simulatd masurd f(hz) a 5.5. ábra Kétfokozatú losztott lmű rősítő a) véglgs layout b) szimulált és mért S [d] Az rősítő szimulált zajtényzőjét az 5.6.a ábra mutatja. A szimulációban a tranzisztornak a katalógusban adott zajparamétrit használtuk. A mért zajtényző az 5.6.b ábrával adott. b NF(d) f (Hz) a 5.5. ábra Kétfokozatú losztott lmű rősítő a) szimulált b) mért zajtényzőj átható, hogy a szimulált, illtv a mért zajtényző ltérés d-n blül van. Ennél még fontosabb, hogy a görbék jllg mggyzik az Aitchison által kiszámított lmélti görbék jllgévl. A zajtényző lgkisbb érték az átvitli sáv kétharmadánál.d körül van. Ez az érték 997-bn ign jó értéknk számított. Ennk oka az volt, hogy az általam mgvalósított rősítő ign kis zajú PHEMT-t használt aktív szközként. Az ismrtttt rősítő flhasználásával trvztünk gy Hz flső határfrkvnciájú optikai vvőt. Ebbn gy ign nagysbsségű PIN fotodiódát illsztttünk az 5 Ohm-os lzárások közé trvztt rősítő bmntéhz. Egy PIN dióda lggyszrűbb hlyttsítőkép általában gy áramgnrátorból és a vl párhuzamosan kapcsolt parazita kapacitásból áll. Ezn impdancia illsztését 5 Ohm-os bmnő impdanciájú rősítőhöz sokan vizsgálták. aj és átvitl szmpontjából gyik ign szélskörű vizsgálatot a [] doktori disszrtáció szrzőj végzt. Az általa vizsgált illsztő hálózatokat az 5.6. ábra mutatja. Az lmértékk b 5 FEJEET 9

97 kiszámításánál fltétlzt, hogy a dióda kapacitás.5 pf és az rősítő bmnő impdanciája konstans 5 Ohm. A VOut.65nH A VOut IIn j.5pf 5Ω IIn j.5pf 5Ω a.) b.) s.65nh s.65nh A VOut s.87nh s.3nh A VOut 5Ω IIn j.5pf 5Ω IIn p.35pf 5Ω c.) d.) 5.6. ábra.5 pf kapacitású dióda illsztés 5 Ohm bmnő impdanciájú rősítőhöz A számított transzimpdancia és kvivalns bmnti zajáram görbék az 5.7. ábrákkal adottak. átható, hogy a lgnagyobb sávszélsségt és a lgkisbb zajt az -T szkciós mgoldás adja (5.6.d ábra). Ugyanakkor mgvalósítása nhézks. Az gy darab soros induktivitással mgvalósított illsztés (5.6.b ábra) csak minimálisan rosszabb tulajdonságokkal rndlkzik, viszont ralizációja magas frkvnciákon lénygsn gyszrűbb, mivl dióda és az rősítő közé csak az amúgy is szükségs mgfllő hosszúságú bondoló huzalt igényli. Ralizációja olyan stbn is gyszrű, ha a pin diódát gyb intgrálják az rősítővl. A flhasznált PIN dióda a svájci Opto Spd cég P9P-SAR3 típusú, 5 Hz flső határfrkvnciájú tokozatlan diódája volt. A magas határfrkvncia lérés érdkébn dióda ign kis aktív flülttl rndlkzik (x µm). Az antirflxiós bvonattal llátott csíp flülnézti kép az 5.8.a ábrán látható. A kiszélsdő koplanár vonal végér 5 um-s mérőprob-al rálépv, közvtlnül mérhtők voltak a dióda tulajdonságai. A dióda érzéknységénk frkvnciafüggését különböző munkapontokban, az 5 MHz- Hz sávban a [58] illtv [] doktori disszrtációkban lht mgtalálni. A mérésk alapján a []-bn a szrző kisjlű hlyttsítő képt adott a diódára. Ez nagy záróirányú lőfszítésr (-6V-nál ngatívabb) az 5.8.b ábrán látható. A dióda kapacitása ign érzékny az lőfszítésr a -.5V- V tartományban. Elvilg thát -.5V-nál ngatívabb munkapont stén már érvénys a mgadott hlyttsítő kapcsolás, azonban mgvilágítás hatására a kltkző áram gynáramú komponns, az általában ign nagy lőfszítő llnálláson (több KOhm) nyitóirányú fszültségt hoz létr, amly miatt szükségs az nnél is nagyobb ngatív lőfszítő fszültség. transfr impdanc [dω] irct Rsistiv Inductiv -T frquncy [Hz] [pa/ Hz] Equivalnt input nois currnt dnsity -T Rsistiv irct Inductiv frquncy [Hz] a) b) 5.7. ábra a) transzimpdancia b) kvivalns bmnti zajáram görbék 5 FEJEET 93

98 Ezt dmonstrálja az 5.9.a ábra, ahol a bbondolt dióda bmnti rflxiójának frkvnciafüggését látjuk, különböző munkapontokban. s 77pH Rs.3Ω ff 35fF j7ff Rj8M R77Ω R.533kΩ pin diod coplanar output lin of th chip a) b) 5.8. ábra a) Opto Spd cég P9P-SAR3 típusú PIN diódája b) nnk modllj nagy záróirányú lőfszítésnél contour lvls Γl [d] Vxt [V] frq. [Hz] a) b) 5.9. ábra a) A bbondolt PIN dióda rflxiója b) mgvalósított fotóvvő fénykép A kapacitás változását az állandó induktivitású bondoló huzallal fllépő rzonancia frkvnciájának változása mutatja. A mgvilágítási tljsítmény 3 µw volt, a modulációs mélység 5%, az lőfszítő llnállás kohm. átható az ábrából, hogy a külső lőfszítő tápfszültségnk lgalább -6V-nak kll lnni ahhoz, hogy a mgvilágítás hatására n változzék a dióda kapacitás. A dióda modllj, mint ahogy az 5.8.b ábrán látható jóval bonyolultabb gy gyszrű kapacitásnál. Mgvizsgálva a transzimpdancia mntét gy a j-vl párhuzamosan kapcsolt áramgnrátor és a koplanár vonal végér bondolt 5 Ohm-os lzárás között, azt tapasztaltam, hogy kb..7 nh bondoló induktivitás értéknél kapunk gynlts átvitlt. Ekkor Hz-n a transzimpdancia sés csak.5 d. Sajnos azonban a mgvalósított rősítő bmnti impdanciája nm pontosan 5 Ohm, valamint a PIN dióda lőfszítés hlyigény miatt plusz tápvonal szakaszok iktatódnak b az rősítő és a dióda közé. Ezk gyütt hullámzást visznk b az átvitlb, amlyknk a csökkntés csak úgy volt lhtségs, ha a mgadott dióda modll és bondoló induktivitás érték mlltt optimalizáltam az rősítő vonalainak gomtriai mértit. Az így kiadódó hálózat alapján mgvalósított fotóvvő fénykép az 5.9.b ábrán látható. A mgvalósítás során nagy nhézségt jlnt a bondoló induktivitás értékénk pontos bállítása. Ennk mgkönnyítés érdkébn a diódát közvtlnül az rősítő bmntéhz, több bondoló huzallal kötjük, hogy az rdő induktivitás érték kisbb lgyn a mgkívánt értéknél. 5 FEJEET 9

99 A hangolás során a bondoló huzalokat gynként ltépv, lvilg a mgközlíthtjük a mgfllő értékt. Az optikai vvő mért érzéknységét az 5..a ábra mutatja. R[d(A/W)] frq. [Hz] FREQUEN (H) a) b) 5.. ábra a) a mért érzéknység d[a/w]-ban b) mért kvivalns bmnti zajáram sűrűség [pa/ Hz ] Mgmértük a vvő bmnti kvivalns zajáram sűrűségt is, amit az 5..b ábra mutat. A görb alakja visszaadta a Járó [] által az induktív illsztésr kiszámított lmélti görbét (5.7.b ábra). Az alkalmazott ign kiszajú tranzisztoroknak köszönhtőn a minimális kvivalns bmnti zajáram sűrűség pa/ Hz körül volt, amly ilyn szélssávú optikai vvőnél ign jó értéknk mondható. 5. fjzt: V-bondolt rősítő építés tokozatlan chip tranzisztorok alkalmazásával Annak érdkébn, hogy a V-bondolás lőnyit a gyakorlatban igazoljam, olyan rősítőt is építttm, amly tokozatlan tranzisztorokat tartalmaz és zk gat, illtv a drain kontaktusa V-bondolással csatlakozik a ki-, illtv bmnti vonalakhoz. A flhasznált tranzisztorok a HP ATF-3 típusú MESFET tranzisztorai voltak [53]. Ez a típus az rősítő építés idjén (996) a HP lgkisbb zajú, és lgmagasabb határfrkvnciájú tokozatlan tranzisztora volt. Sajnos mindzk llnér zajparamétrkbn lmarad az lőző alfjztbn használt ATF típusú PHEMT-től, amly azonban nm volt kapható chip formátumban. A tranzisztor hlyttsítő kapcsolása bondolások nélkül az 5.. ábrával adott. A tranzisztor struktúrájából adódóan a gat gy viszonylag hosszú, vékony vztőn krsztül köthtő csak b, amlynk az induktivitása közl. nh. A gatvonalon thát a V-bondolás llnér lsz gy. nh nagyságú chip-n lévő krsztági induktivitás, amly a nagy értékű gat-sourc kapacitással gyütt korlátozni fogja a sávszélsségt. Hasonlóképpn a drain kontaktus chipn lévő induktivitása közl.5 nh. g. nh Rg3 Ohm gd.5 pf d.5 nh ATE RAIN gs. pf Rg Ohm ps 5 ms ds.3 pf Rds5 Ohm SOURE 5.. ábra. ATF-3 típusú MESFET kvivalns hálózata 5 FEJEET 95

100 pf Aranyozott borda Transistor mbddd in th ridg Alumina substrat at lőfszítő llnállás 5 Ohm rain lőfszítő llnállás onding wirs old coatd brass ridg mm a) b) 5.. ábra a) optimalizálással kapott V-bondolt rősítő nyomtatási rajza b) konstrukciója A q értékénk kiszámítása ugyanúgy történik, mint az lőző alfjztbn. Az 5.. ábra kapacitásaival az 5 Ohm-os művonal impdanciákhoz szükségs gat és drain hosszági induktivitás értékk:.75 nh,.35 nh. Ezk és a többi tranzisztor parazita bhlyttsítésévl a.97. gynltb, mgkapjuk q értékét..5 q 3.5 (5.) 8.5 Err a q értékr flrajzolva.3. ábrának mgfllő görbékt, azt kapjuk, hogy gynlts átvitlt 3-as fokozatszámnál kapunk. A vsztségk és a sourc bondolási induktivitás miatt (amink a lgkisbb lérhtő érték. nh körül van), az alkalmazható lgnagyobb fokozatszám -r csökkn a szimulációs rdményk szrint. A hlyzt azonban gyökrsn mgváltozik akkor, mikor ralizálható induktivitás értékkbn kll gondolkodnunk. Ekkor ugyanis, mivl a bondolási induktivitás mgvalósítható lgkisbb érték.3 nh körül van, az lőbb alkalmazott hosszági induktivitás értékk mgvalósíthatatlanul kicsik. Emlltt a tranzisztorok között lgalább 3 µm hlytt kll hagyni, hogy a tranzisztor sourc-ok mgfllőn kibondolhatóak lgynk, így a tranzisztorok bondoló kontaktusai között kiadodó mintgy 6 µm távolság áthidalására tápvonal szakaszok biktatása vált szükségssé. Mivl a bondoláshoz kmény áramköri hordozó szükséglttik, zért alumina alkalmazása mlltt döntöttm, annak llnér, hogy a dilktromos állandója viszonylag nagy (ε r 9.8) és miatt még rövid tápvonal szakaszok is nagy lktromos hosszal rndlkznk. Ilyn körülményk között az rősítő vonalak tulajdonságait lsősorban a bondoló induktivitások, illtv a tápvonalak fogják mghatározni, mint ahogy azt a.3. alfjztbn láttuk. Ez a mgállapítás különösn igaz a drainvonalra az ign kis értékű tranzisztorkapacitás miatt. Így a q érték a számított értéknél kisbb lsz és a tápvonal hosszak változtatásával állítható is. Ennk mgfllőn kétfokozatú rősítőt trvztm, úgy hogy az összs tápvonal gomtriai mértit a mgvalósíthatósági korlátokon blül szabadon hagytam változni, valamint a drain illtv a gat kontaktusokat V-alakban, két bondoló huzallal kötöttm b. A szimuláció során.3 nh bondoló huzal parazita induktivitás értékkt fltétlztm. Az optimalizált rősítő nyomtatott áramköri rajza az 5..a ábrával adott. A konstrukciót jól szmléltti az 5..b ábra. A tranzisztorok az áramkört átlósan krsztző bordába mart mélydéskb vannak bsüllysztv. Ilyn módon a borda a földt flhozza a tranzisztor flső síkjába és így a sourc-ok rövidbb bondoló huzallal csatlakoztathatóak. Sajnos tchnológiai okok miatt, a huzalok hossza nm lhttt 3 um-nél rövidbb, valamint csak négy bondoló huzallal tudtam a sourc-ot csatlakoztatni. Így a kiadódó sourc induktivitás. nh körüli értékt vtt 5 FEJEET 96

101 fl. Az optimalizáció után a szimulált S átvitl érték 6±.5 d gészn a Hz-s határfrkvnciáig. A szimulált rflxiók jobbak, mint - d. A mért S-paramétrkt az 5..a ábra és az 5..b ábra mutatja. Az rősítés mért érték közl mggyzik a szimulált értékkl (5.5 d±), azonban a lvágási frkvncia kisbb, csak Hz körüli. Az ltérésk oka az lht, hogy a bondoló huzalok induktivitásai kicsit szórnak a fltétlztt értékhz képst, mivl gyrészt a tranzisztorok és a csatlakozó tápvonalak távolságai is szórnak az alumina lmzk magyarországon lérhtő pontatlan kézi csiszolású tchnológiája, illtv pozicionálási nhézségi miatt, másrészt még adott távolságok stén is a huzalok hosszát csak tizd millimétrs szórással lhtn bállítani. Ebből a szmpontból lgkritikusabb a sourc földlési induktivitás, amink ign kis változása is nagy bfolyással van az rősítő flső határfrkvnciájára. Az 5.3.b ábrából látható, hogy a rflxiók 9 Hz-ig -9 d alatt vannak, azonban az S zn frkvncia fltt lromlik és -5 d körüli értékt vsz fl. Az mgépíttt rősítő fénykép az 5..a ábrán látható. A tranzisztorok V-csatlakoztatásainak kinagyított kép az 5..b ábrán látható. S [d] S [d] S S S frquncy [Hz] frquncy [Hz] a) b) 5.3. ábra V-bondolt rősítő mért S-paramétri a) S [d] b) S és a rflxiók [d] a) b) 5.. ábra V-bondolt rősítő a) fénykép b) V-csatlakoztatások kinagyítva Erdményk összfoglalása: Az 5. fjzt gyakorlatilag a 3.. altézis részlts ismrttés. 3.. Az altézis részlts lírása a 5. fjztbn található. 5 FEJEET 97