درباره ما

ارائه دهنده انواع مقالات در زمینه مهندسی برق
جواد شاليكار
ارائه دهنده انواع مقالات در زمینه مهندسی برق
ایمیل : www.korosh_kabir9705@yahoo.com



  • نویسنده : جواد شاليكار
  • تاریخ : 3:45 PM - 6 Jun 2010
یک تقویت کننده دارلینگتون پهن باند جدید

چکیده:

توپولوژی یا شکل مداری یک تقویت کننده دارلینگتون پهن باند جدید در اینجا توصیف شده است. این پیکربندی برای کاربردهایی از قبیل حداکثر پهنای باند، بهره یا گین متوسط و تطبیق امپدانس مناسب است.یک نمونه ی آزمایشی از مدار با استفاده از تکنولوژی دوقطبی سیلیکن یکپارچه با ft=9 GHz  ساخته شده است.نتایج اندازه گیری شده نشان می دهد این مدار در قالبهای بسته بندی شده (package) دارای بهره ی جاسازی شده ی(insertion gain) 9.3db و پهنای باند 3.2GHz می باشد

1- مقدمه

تقویت کننده های پهن باند به طور گسترده ای در سیستم های الکترونیکی برای اهداف عمومی مورد استفاده قرار می گیرند از جمله: IF (intermediate frequency) یا فرکانس میانی، پالس و تقویت بافر نوسان ساز . درمیان توپولوژی های مختلف ، مدارهای دارلینگتون دارای بهترین عملکرد به عنوان یک طبقه پهن باند به وضوح در شکلهای 1-3 نشان داده شده است. در این مقاله توپولوژی یک تقویت کننده دارلینگتون پهن باند جدید منتج شده از دارلینگتون اصلی (basic) ارایه شده است. این مدار یک پهنای باند گین بالاتر از دارلینگتون اصلی را تحقق می بخشد و برای طبقات دارای ماکزیمم پهنای باند (تا حدود 50 درصد ft ) و گین متوسط (10db ) مناسب است.

2- دارلینگتون اصلی

به عنوان یک نقطه آغاز شماتیک AC مدار دارلینگتون دارای فیدبک منفی  که در شکل 1(a) نشان داده شده است را  در نظر بگیرید. مقاومتهای RE1,RE2 امپدانس ترمینال هر دو طبقه را افزایش می دهد.همچنین مقاومت RE1 برای بایاس Q1 نیز به کار می رود. ملاحظات بایاس ترانزیستور این موضوع را دیکته می کند که: RE1>>RE2

در فرکانسهای پایین Q1 به عنوان یک امیتر فالوور (امیتر پیرو) عمل می کندکه این باعث می شود ترانزیستور Q2 ضریب هدایت مدار (gm) را تعیین کند که با رابطه زیر داده می شود.

که در این رابطه re2 مقاومت اهمی امیتر Q2 است.

اگرچه بلافاصله مشخص نمی شود، مزیت یک طبقه دارلینگتون بر یک طبقه ساده دارای فیدبک منفی (Q2+RE2) در فرکانسهای بالا مشخص می شود.یک انتخاب مناسب برای مقاومت RE1 یک پهنای باند بهره جریان به دست می دهد که به 2fT می رسد که این مقدار دو برابر یک طبقه تنها است.این نتیجه ی تاثیر Q1 بر جریان خروجی است.در فرکانسهای نزدیک ft بهره ای که  دارلینگتون نشان می دهد مشابه پیاده کردن یک تک قطب به وسیله یک عنصر تنهاست،که موجب عملی شدن یک تقویت کننده ی یک طبقه ی  فیدبک دار دارای پهنای باند بسیار زیاد و پیک کنترل شده کوچک می شود.

یک موضوع مورد نیاز مهم برای تقویت کننده های فرکانس بالا امپدانس ترمینال تطبیق شده با امپدانس سیستم است که عموما 50 اهم می باشد.برای رسیدن به این هدف معمولا تقویت کننده ها با فیدبک مقاومتی موازی-موازی بسته می شوند.که در شکل 2(a) با یک دارلینگتونی که به عنوان عنصر اکتیو استفاده شده نشان داده شده است.یک مدل ساده سده از این مدار با فیدبک در شکل 2(b) نشان داده شده است.امپدانسهای ترمینال دارلینگتون یعنی Ri,Ro در مقایسه با امپدانس سیستم بزرگ هستند پس می توانیم از آنها چشم پوشی کنیم.برابر قرار دادن RF با GmR^2 امپدانس ترمینال زیر را به دست می دهد.

تحت این شرایط تطبیق شده بهره ولتاژ فرکانس پایین  Av و بهره ی جایگذاری شده S21 هردو با معادله زیر داده می شوند.

3- دارلینگتون اصلاح شده

یک تلاش برای افزایش بیشتر پهنای باند گین طبقه دارلینگتون اصلی ما را به چند روش و امکان متفاوت سوق می دهد. کاسکد کردن (آبشاری کردن) طبقات یکسان دارلینگتون یک جایگزین ساده و اغلب کاربردی را فراهم می کند.اگرچه بهینه کردن یک طبقه تنها بیشتر مورد علاقه است چون ما را از مشکلات وابسته  به کاسکد کردن رها می کند.که این مشکلات عبارتند از: شیفت سطح dc (که نیازمند استفاده از خازن کوپلاژ است)، کاهش پهنای باند گین ، افزایش قیمت و مصرف انرژی بیشتر.

افزودن یک طبقه راه انداز (driver) به مسیر مستقیم اولین اصلاح انجام شده روی دارلینگتون اصلی بود.مدار حاصل که یک دارلینگتون سه طبقه است در شکل 3 نشان داده شده است. ترانزیستور Q1 امپدانس ورودی فرکانس بالای دارلینگتون اصلی را افزایش می دهد،و یک گین حلقه بسته جایگذاری شده را به دست می دهد که چند دسی بل در نزدیکی لبه باند افزایش یافته است .

یک توسعه وبهبود بیشتر در گین پهن باند می تواند با مشاهده این مورد بدست آید که عدد (1-) در معادله 3 از هدایت مستقیم حاصل از مقاومت فیدبک  Rf نتیجه می شود.برای یک مقدار نمونه GmR=10db  این موجب یک کاهش 3.3db در گین می شود. که در یک تقویت کننده با ماکزیمم  پهنای باند کاملا مهم است.این کاهش می تواند با افزودن یک بافر امیتر فالوور به مدار فیدبک حذف شود همانطور که در شکل 4 برای یک تقویت کننده چند طبقه نشان داده شده است.امیتر فالوور مقاومت فیدبک Rf را از Vout تغذیه می کند و مخصوصا اثر بارگذاری بر خروجی را رفع می کند(هم در ac هم در dc ).

مدل ac  مداری که هر دو روش بهبود را به کار برده است در شکل 4 نشان داده شده است.توجه کنید که افزودن هردو عنصر اکتیو به مدار یکپارچه فقط مقدار کمی مساحت قالب را افزایش می دهد. هنگامی که این مدار با دارلینگتون ساده مقایسه می شود مشخص می شود که اضافه کردن Q4 تاثیر ناچیزی روی مصرف انرژی دارد زیرا همان جریان بایاس قبلی از طریق RF جاری می شود. اثر بارگذاری dc نامطلوب بر روی گره خروجی حذف می شود چون این جریان اکنون به طور مستقیم از طریق منبع تغذیه عبور می کند. اگر در یک چنین طرحی امپدانس ورودی به طور مناسب تطبیق شده باشد مدار جدید یک گین جاسازی شده S21=-GmR را به دست می دهد.

متاسفانه مدار فیدبک جدید دیگر امکان تطبیق همزمان هر دو پورت ورودی و خروجی را نمی دهد. نتایج خلاصه شده در جدول 1 نشان می دهد که مقدار مورد نیاز برای S11=0 و S22=0 اکنون به مقدار ناچیزی متفاوت هستند.اگرچه با استفاده از Rf=GmR2 مانند قبل، مقادیر مناسب S11 و S22 هنوز به آسانی به دست می آیند.

4- پاسخ فرکانسی

یک راه حل خیلی دقیق برای فرم بسته پاسخ فرکانسی یک  مدار که در آن از مدل های واقعی استفاده شده است یک نتیجه بسیار پیچیده به دست می دهد.در نتیجه این راه حل دید کمی نسبت به رفتار مدار فراهم می کند. یک مدل فرکانس بالای بسیار ساده شده هنوز تصویر مناسبی از وابستگی پاسخ فرکانسی به توپولوژی و پارامترهای عناصر فراهم می کند. مانند مدلی که برای دارلینگتون تطبیق شده در شکل 5(a) نشان داده شده است.در این شکل rb مقاومت بیس ترانزیستور را مدل می کند و Ci ظرفیت معادل ورودی را مدل می کند که فرض می شود برابر با TtGm باشد. این مدل به خوبی پاسخ فرکانسی یک ترانزیستور تنهای دارای فیدبک منفی و یک دارلینگتون دارای فیدبک منفی که به جای RE1 آن یک دیود جایگزین شده است را نشان می دهد.برای یک توپولوژی خیلی پیچیده تر مانند دارلینگتون سه طبقه این مدل هنوز یک تقریب مرتبه اول دقیق و منطقی از عملکرد حوزه فرکانس مدار به دست می دهد.خازن های Cf و Cl به ترتیب ظرفیت کلی کلکتور- بیس و کلکتور- زمین را نشان می دهند.این خازن ها شامل ظرفیت خازنی پیوند ها، پارازیتهای طرح بندی و پارازیتهای بسته بندی می باشند.

فرکانس 3db این مدار می تواند با استفاده از تحلیل ثابت زمانی مقدار صفر تخمین زده شود. فرض کنید که مقاومت فیدبک طوری تنظیم شده باشد که تطبیق امپدانس با ترمینال ها را برآورده کند برای مثال Rf=Gm R^2 ، با محاسبه می توانیم بنویسیم:

پهنای باند B با معکوس کردن این جمع به دست می آید. با استفاده از جدول 1 اندازه گین حلقه بسته برابر G=(GmR-1) خواهد بود. پهنای باند گین حاصله برای این طبقه برابر است با :

معادله 4 و 5 به وضوح وابستگی مهم تعیین رفتار پاسخ فرکانسی مدار، با عناصر مختلف و پارامترهای مدار را نشان می دهد. به خصوص مقاومت بیس دوقطبی (rb) که اغلب مقداری در حدود R=50Ω را دارا می باشد، نقش مهمی را در مدار بازی می کند.همچنین مزیت  دارلینگتون در نصف کردن Tt که کار مهمی است نمایان است.

افزودن یک امیتر فالوور در مسیر فیدبک همانطور که درشکل 4 نشان داده شده است می تواند مانند شکل 5 مدل شود . برای این حالت مجموع ثابتهای زمانی مقدار صفر عبارت است از:

که Rf برابر GmR2 در نظر گرفته شده است و شرایط تطبیق شده نیز دوباره در نظر گرفته شده است.حال گین از رابطه ی G=GmR به دست می آید و می توانیم پهنای باند گین را از رابطه ی زیر به دست آوریم.

مقایسه معادلات 5 و 7 نشان می دهد که با یک امیتر فالوور در مسیر فیدبک دو منبع ومنشا در افزایش پهنای باند گین تاثیر می گذارند که عبارتند از: یک افزایش گین که در بخش 3 توصیف شد و یک کاهش پهنای باند نسبتا کمتر ناشی از Cf . این پیشرفت ها برای مقادیر کوچک GmR بیشتر قابل ذکر است (ماکزیمم پهنای باند و تقویت کننده ی بهره متوسط)

عملکرد فرکانس بالای مدار در آینده با افزودن دو خازن کوچک اوج دهنده (peaking) بین امیتر Q1 و Q2 و زمین بهبود یافت. این دو خازن برای افزودن صفر به پاسخ فرکانسی حلقه بسته به کار رفتند تا پهنای باند را به میزان 30 درصد افزایش دهند.

5- نتایج عملی

شماتیک یک تقویت کننده آزمایشی که بر اساس مطالب بیان شده در بالا ساخته شد در شکل 6 نشان داده شده است.مقاومت Rbb برای اهداف بایاس ترانزیستور به مدار اضافه شده است.این مدار با استفاده از یک پروسه پرحجم ساخت دوقطبی سیلیکن یکپارچه ساخته شده است که دارای پهنای امیتر 2um و پیک fT تقریبا 9GHZ می باشد. دو ترانزیستور متمایز به لحاظ شکل هندسی در این مدار به کار رفته اند. نویز وپهنای باند این موضوع را غالب می کنند که دو ترانزیستور باید دارای حداقل ممکن Rb باشند. برای کاهش اثر خازنی در گره خروجی ترانزیستور کوچک به لحاظ هندسی برای Q1,Q2,Q4 به کار رفته اند. این ترانزیستورها دارای دو بیس هستند که در ماکزیمم جریان کلکتور 3.5mA مقاومت 80 اهم بیس را نتیجه می دهند.یک ترانزیستور که اجازه عبور جریان بایاس بزرگتری را می دهد برای Q3 استفاده شد.چون این ترانزیستور به طور عمده میزان بهره را مشخص می کند. بنابراین Q3 دارای سه بیس دو کلکتور و دو امیتر می باشد.که یک مقاومت بیس 40 اهم را در جریان کلکتور7mA به دست می دهد. تلفات سکون اندازه گیری شده در ولتاژ 12V برابر 184mW بود.

طرح مدار در شکل 7 نشان داده شده است.اندازه های قالب تقریبا 690*590 um^2 می باشد.برای کاهش اتصال (coupling) میان لایه های مختلف ، یک لایه نوع P مخفی بین مسیرهای ورودی و خروجی و پیرامون هر ترانزیستور جاسازی شد. مسیرهای چندگانه برای منبع و زمین برای کاهش اثر اندوکتانس اتصال سیمی به کار رفته است. همچنین مسیر کوچکتر 110um^2 برای ورودی و خروجی به کار رفت تا ظرفیت خازنی گره ها را کاهش دهد. این مدار بر روی یک ظرف فلزی چهارلایه TO-46  (four-lead TO-46 metal can) ارزان نصب شده است. بسته بندی ای که اثر پارازیت خازنی کمتری نشان می دهد.

پارامتر S اندازه گیری شده برای یک تقویت کننده بسته بندی شده در شکل های 8 و 9 با پیش بینی های کامپیوتری مقایسه شده است. تقویت کننده در فرکانس های میانی بهره جاسازی شده 9.3db با پهنای باند سه دسی بل 3.2GHZ به دست می دهد.اختلاف بین S22 اندازه گیری شده و محاسبه شده در فرکانس پایین ناشی از اختلاف ناچیز بین Rout اندازه گیری شده و محاسبه شده است.که باعث ایجاد اختلاف نسبتا زیاد در S22 می شود وقتی که این مقدار نزدیک صفر است. اختلاف بین مقادیر اندازه گیری شده و محاسبه شده در فرکانس بالا به مشکلات مدلسازی بسته بندی (خصوصا اندوکتانس زمین) در فرکانسهای میکروویو نسبت داده می شود. در فرکانس 100MHZ توان خروجی 5.2dbm در نقطه تراکم بهره 1db (P-1db)  اندازه گیری شد وسطح برش IM3 تقریبا 12dbm بود.که به خروجی بازگشت داده شد. شبیه سازی با اسپایس نقش نویز را 8.5db پیش بینی می کند.

یک مقایسه بین پاسخ فرکانسی مدار جدید و مدار دارلینگتون شکل 2(a) به وضوح بهبود عملکرد را نشان می دهد. شکل 10 گین جاسازی شده مدار شبیه سازی شده را بر حسب فرکانس برای هر دو مدار با عناصر یکسان و بدون بسته بندی نشان می دهد. مدار جدید یک بهبود گین 3db را نشان می دهد به همراه افزایش اندک پهنای باند.

6- نتیجه گیری

توپولوژی یک تقویت کننده پهن باند جدید مناسب برای طبقات دارای حداکثر پهنای باند و گین متوسط توصیف شده است. یک مدار آزمایشی با این توپولوژی با استفاده از تکنولوژی دوقطبی سیلیکن یکپارچه ساخته شده است که دارای Ft=9GHZ است و بهره جاسازی شده 9.3db و پهنای باند 3.2GHZ را برای قطعات بسته بندی شده در ظرف فلزی چهارلایه TO-46 محقق می کند.

 


دسته بندی :



آخرین مطالب

» سنسور ( 24 Dec 2011 )
» biophysics ( 23 Dec 2011 )
» ميني پي ال سي ( 3 Dec 2011 )
» ( 3 Dec 2011 )
» مقاومت ( 3 Dec 2011 )
» رله ( 3 Dec 2011 )
» دیود ( 3 Dec 2011 )
» ترانزیستور[1] ( 3 Dec 2011 )
» میکروکنترلر AVR ( 1 Dec 2011 )
» دستورات برنامه نویسی BASCOM ( 1 Dec 2011 )
» پایه های میکرو ( 1 Dec 2011 )
» کار با محیط بسکام ( 1 Dec 2011 )