Μελζτθ και ςχεδίαςθ ολοκλθρωμζνου ενιςχυτι τάξθσ Ε ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ. Καραταράκθσ Νικόλαοσ Α.Ε.Μ.: Ντζρτςασ Νικόλαοσ Α.Ε.Μ.

Transcript

1 Αριςτοτζλειο Πανεπιςτήμιο Θεςςαλονίκησ Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιςτών Τομζασ Ηλεκτρονικήσ και Υπολογιςτών Διπλωματική Εργαςία Μελζτθ και ςχεδίαςθ ολοκλθρωμζνου ενιςχυτι τάξθσ Ε ςε υψθλζσ ςυχνότθτεσ Καραταράκθσ Νικόλαοσ Α.Ε.Μ.: 5054 Ντζρτςασ Νικόλαοσ Α.Ε.Μ.: 5112 Επιβλέπων καθηγητής: Χατζόπουλος Α. Αλκιβιάδης

2 Ππόλογορ Ζ παξνύζα δηπισκαηηθή εξγαζία έρεη σο αληηθείκελν ηε κειέηε θαη ηε ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ. πγθεθξηκέλα, παξνπζηάδνληαη ζρέδηα εληζρπηώλ ηα νπνία κειεηήζεθαλ θαη πξνζνκνηώζεθαλ, κε ηε βνήζεηα ηνπ πξνγξάκκαηνο Cadence Virtuoso, ζηελ ηερλνινγία UMC018. Υξεζηκνπνηήζεθαλ δηάθνξεο πξνζεγγίζεηο θαη παξαιιαγέο ζηα αξρηθά ζρέδηα ώζηε λα εμαζθαιηζηεί ην βέιηηζην απνηέιεζκα ζε θάζε έλα από απηά. Παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο ηάζεο θαη ξεύκαηνο ζηα ελδηάκεζα θαη ηειηθά επίπεδα ηνπ ζρεδίνπ θαη ππνγξακκίδνληαη όιεο νη ζρεδηαζηηθέο δπζθνιίεο πνπ παξνπζηάζηεθαλ θαηά ηε κειέηε ηνπ εληζρπηή θαζώο θαη νη ηξόπνη πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα λα μεπεξαζηνύλ. Γίλεηαη πξνζπάζεηα λα ζπλνςηζηεί θαη λα ζπζηεκαηνπνηεζεί ε πνιύπινθε δηαδηθαζία ζρεδίαζεο ζε έλαλ αξηζκό βεκάησλ. Σέινο, παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά κεηξήζεηο θαη πξνζνκνηώζεηο ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ ηνπ εληζρπηή ηζρύνο. Δςσαπιζηίερ ην ζεκείν απηό ζα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ηνλ επηβιέπνληα ηεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο, θαζεγεηή θ. Υαηδόπνπιν Αιθηβηάδε, γηα ηελ θαζνδήγεζή ηνπ θαζ όιε ηε δηάξθεηα ηεο εθπόλεζήο ηεο. Δπίζεο, ζα ζέιακε λα επραξηζηήζνπκε ηνλ θ. Παπαζαλαζίνπ Κσλ/λν γηα ηηο πνιύηηκεο ζπκβνπιέο ηνπ θαηά ηε δηάξθεηα ηεο ζρεδίαζεο. Σέινο, επραξηζηνύκε ηνπο ππξνλάζην Αιέμε θαη Αμηώηε Θξάζν γηα ηελ ππνκνλή ηνπο θαη ηε βνήζεηά ηνπο θαηά ηε δηάξθεηα ηεο εθπόλεζεο ηεο παξνύζαο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Καπαηαπάκηρ Νικόλαορ Νηέπηζαρ Νικόλαορ Ηνύληνο

3 Πεπιεσόμενα Κεθάλαιο Διζαγυγή Transistor MOS Δηζαγσγή Θεσξία transistor MOS Βαζηθέο εμηζώζεηο DC... 8 Κεθάλαιο Αναζκόπηζη ηυν ηάξευν ηυν ενιζσςηών ιζσύορ Σάξη Α Σάξη Β Σάξη C Δηζαγσγή Δληζρπηήο ηάμεο C πεγήο-ξεύκαηνο Κνξεζκέλνο εληζρπηήο ηάμεο C Δληζρπηέο ηάμεο C κηθηήο θαηάζηαζεο Σάξη D Δηζαγσγή πκπιεξσκαηηθή ζπλδεζκνινγία δηαθνπηηθήο ηάζεο πλδεζκνινγία δηαθνπηηθήο ηάζεο κε κεηαζρεκαηηζηή πλδεζκνινγία δηαθνπηηθνύ ξεύκαηνο κε κεηαζρεκαηηζηή Σάξη E Δηζαγσγή Λεηηνπξγία θαη αλάιπζε Βέιηηζηε απόδνζε θαη ζρεδίαζε Πξαθηηθά ζέκαηα Σάξη F Δηζαγσγή Δληζρπηήο ηάμεο F

4 2.6.3 Δληζρπηήο ηάμεο F Δληζρπηήο ηάμεο F ύγκπιζη ηυν ηάξευν Κεθάλαιο ςμπληπυμαηικέρ έννοιερ Πηνία Bondwires Σερληθά ραξαθηεξηζηηθά Μνληέιν σεδίαζη δικηύος πποζαπμογήρ ζύνθεηηρ ανηίζηαζηρ Πόλυζη ηος FET Active inductors Απιό active inductor Βειηησκέλν active inductor πςεινύ Q Υαξαθηεξηζηηθέο ηνπ απινύ θαη βειηησκέλνπ active inductor Δπίδπαζη ηηρ ηεσνολογίαρ Transmission lines S-παπάμεηποι Κεθάλαιο σεδίαζη καηά Sokal Διζαγυγή ςνθήκερ ζσεδίαζηρ Παπάμεηποι ζσεδίαζηρ Ανάλςζη εξιζώζευν ζσεδίαζηρ Κςμαηομοπθή οδήγηζηρ Απόδοζη ενιζσςηή Ρύθμιζη ηηρ κςμαηομοπθήρ ηος ενιζσςηή ηάξηρ E

5 Κεθάλαιο σεδίαζη καηά Milosevic Διζαγυγή Δπιλογή ηυν ζηοισείυν σεδίαζη και ςλοποίηζη ζηο Cadence Virtuoso ζε ηεσνολογία UMC ρεδίαζε Πξνζνκνίσζε ζην Cadence Virtuoso ρεδίαζε κε ρξήζε ησλ πελίσλ ηεο UMC018 ζην RFC θαη ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην RFC ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην RFC θαη ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ Κεθάλαιο σεδίαζη καηά Wang Διζαγυγή Πεξηνξηζκνί ηεο ηάζεο δηάζπαζεο Πεξηνξηζκνί εμ αηηίαο ηεο πεπεξαζκέλεο επαγσγήο Δπίδξαζε ηεο παξαζηηηθήο ρσξεηηθόηεηαο πύιεο Δπίδξαζε ηεο παξαζηηηθήο ρσξεηηθόηεηαο εθξνήο Γηεξεύλεζε γηα ηε δηαρείξηζε ησλ κε-βέιηηζησλ θπκαηνκνξθώλ θαηά ηελ έλαξμε ιεηηνπξγίαο σεδίαζη και πποζομοίυζη ηηρ βαθμίδαρ εξόδος Πξσηόθνιιν ζρεδίαζεο ηνπ εληζρπηή θαη επαιήζεπζε Πξαθηηθή ζρεδίαζε ηεο βαζκίδαο εμόδνπ Βαθμίδα ζσεδίαζηρ ηος πποενιζσςηή και πποζομοιώζειρ Πποζομοιώζειρ ηος ηελικού κςκλώμαηορ ηος Wang σεδίαζη και ςλοποίηζη ζηο Cadence Virtuoso ζε ηεσνολογία UMC ρεδίαζε ρεδίαζε κε ρξήζε ησλ πελίσλ ηεο UMC018 ζην RFC, ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ θαη ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην RFC

6 6.5.4 ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ θαη ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο ρεδίαζε κε ρξήζε bondwire ζην RFC, ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ θαη ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο Κεθάλαιο Βήμαηα ζσεδίαζηρ ενιζσςηή ηάξηρ Δ Κεθάλαιο Πποζομοίυζη απόδοζηρ και ζςμπεπιθοπάρ ενιζσςηή ηάξηρ Δ Διζαγυγή Απόδοζη Ιζσύορ Γπαμμικόηηηα Δικόνα θοπύβος Δςζηάθεια Load Pull Ανάλςζη πεπιβάλλοςζαρ Δπίλογορ Βιβλιογπαθία Δςπεηήπιο όπυν Δςπεηήπιο εικόνυν

7 Κεφάλαιο 1 Κεθάλαιο 1 Διζαγυγή 1.1 Transistor MOS Διζαγυγή Σν ππξίηην σο εκηαγσγόο απνηειεί ην βαζηθό πιηθό γηα ηελ πινπνίεζε κίαο κεγάιεο θαηεγνξίαο νινθιεξσκέλσλ θπθισκάησλ. Μηα δνκή MOS (Metal-Oxide- Semiconductor) δεκηνπξγείηαη από ηελ ππέξζεζε πνιιαπιώλ ζηξώζεσλ αγώγηκσλ θαη κνλσηηθώλ πιηθώλ. Οη δνκέο απηέο δεκηνπξγνύληαη από κηα ζεηξά ρεκηθώλ δηεξγαζηώλ ζηηο νπνίεο πεξηιακβάλνληαη: Ζ νμείδσζε (oxidation) ηνπ ππξηηίνπ. Ζ δηάρπζε (diffusion) πξνζκείμεσλ κέζα ζην ππξίηην ώζηε λα επηηεπρζνύλ ζπγθεθξηκέλα ραξαθηεξηζηηθά ηεο αγσγηκόηεηαο. Ζ απόζεζε (deposition) θαη ε ράξαμε (etching) ηνπ αινπκηλίνπ πάλσ ζην ππξίηην ώζηε λα δεκηνπξγεζνύλ νη δηαζπλδέζεηο κε ηνλ ίδην ηξόπν πνπ θαηαζθεπάδεηαη έλα ηππσκέλν θύθισκα. Ζ δηαδηθαζία θαηαζθεπήο πξαγκαηνπνηείηαη πάλσ ζε έλα κνλνθξύζηαιιν ππξηηίνπ πνπ είλαη δηαζέζηκνο κε ηε κνξθή ιεπηώλ, θπθιηθώλ επίπεδσλ δηζθίσλ (wafers) δηακέηξνπ πεξίπνπ 15cm. Ζ ηερλνινγία CMOS δίλεη δύν ηύπνπο transistor (ζην θείκελν επίζεο νλνκάδνληαη θαη σο ζηοιτεία (devices)), ην transistor n-ηύπνπ (nmos) θαη ην transistor p-ηύπνπ (pmos). Σα transistor απηά θαηαζθεπάδνληαη πάλσ ζην ππξίηην ρξεζηκνπνηώληαο είηε έλα αξλεηηθά θνξηηζκέλν, ιόγσ λόζεπζεο, ππξίηην πνπ είλαη πινύζην ζε ειεθηξόληα (electrons), είηε έλα ζεηηθά λνζεπκέλν ππξίηην πνπ είλαη πινύζην ζε νπέο (holes). Σειηθά κεηά από κηα ζεηξά βεκάησλ θαηαζθεπήο, ζε κηα ηππηθή δνκή MOS πεξηιακβάλνληαη ηξεηο δηαθνξεηηθέο ζηξώζεηο νη νπνίεο είλαη: Ζ δηάρπζε (όπνπ ην ππξίηην έρεη λνζεπηεί). Σν πνιπππξίηην (polysilicon, πνιπθξπζηαιιηθό ππξίηην πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα δηαζύλδεζε). Σν αινπκίλην. Οη ζηξώζεηο απηέο ρσξίδνληαη κεηαμύ ηνπο από ζηξώζεηο κνλσηηθνύ πιηθνύ. Ζ δνκή ηνπ p-ηύπνπ transistor απνηειείηαη από έλα ηκήκα κε ππξίηην p-ηύπνπ (θαιείηαη σπόζηρωμα (substrate)) ην νπνίν δηαρσξίδεη δύν πεξηνρέο κε ππξίηην n-ηύπνπ. Ζ δνκή απηή θαηαζθεπάδεηαη ρξεζηκνπνηώληαο κηα ρεκηθή δηαδηθαζία ε νπνία αιιάδεη ζπγθεθξηκέλεο επηιεγκέλεο πεξηνρέο ηνπ ζεηηθά θνξηηζκέλνπ ππνζηξώκαηνο ζε αξλεηηθά θνξηηζκέλεο πεξηνρέο. Ζ επηθάλεηα κεηαμύ ησλ πεξηνρώλ n-ηύπνπ θαιύπηεηαη από δύν δηαδνρηθέο ζηξώζεηο νμεηδίνπ ηνπ ππξηηίνπ (παίδεη ην ξόιν ηνπ 6

8 Ειςαγωγι κνλσηή) θαη ελόο αγώγηκνπ ειεθηξνδίνπ (ζπλήζσο πνιπθξπζηαιιηθό ππξίηην) πνπ θαιείηαη πύλη (gate). ζνλ αθνξά ηε δνκή ηνπ transistor p-ηύπνπ, απηή απνηειείηαη από έλα ηκήκα κε ππξίηην n-ηύπνπ ην νπνίν μερσξίδεη δύν πεξηνρέο p-ηύπνπ. Παξόκνηα κε ην transistor n-ηύπνπ, ην transistor p-ηύπνπ έρεη έλα ειεθηξόδην πύιεο. Γηα ιόγνπο παξνπζίαζεο ζεσξείηαη όηη ην transistor έρεη δύν επηπιένλ ζπλδέζεηο πνπ νλνκάδνληαη πηγή (source) θαη σποδοτή (drain) νη νπνίεο δεκηνπξγνύληαη από ηηο δηαρπκέλεο πεξηνρέο n- ηύπνπ (p-ηύπνπ γηα ηελ πεξίπησζε ηνπ p-ζηνηρείνπ). Ζ πύιε είλαη κηα είζνδνο ειέγρνπ ιόγσ ηνπ όηη επεξεάδεη ηε ξνή ηνπ ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο κεηαμύ πεγήο θαη ππνδνρήο. Πξάγκαηη, ε πεγή θαη ε ππνδνρή κπνξεί λα ζεσξεζνύλ σο αθξνδέθηεο. Οη αθξνδέθηεο είλαη θπζηθά ηζνδύλακνη γηαηί ε νλνκαζία πνπ ηνπο αλαηέζεθε εμαξηάηαη από ηελ θαηεύζπλζε ηεο ξνήο ηνπ ξεύκαηνο θαη θαηά ζπλέπεηα κπνξεί λα ελαιιαρζεί Θευπία transistor MOS ην παξόλ θείκελν ζα εμεηαζηνύλ κε κεγαιύηεξε ιεπηνκέξεηα νη ραξαθηεξηζηηθέο ηνπ transistor MOS θαη ζα ηεζνύλ νη βαζηθέο αξρέο γηα ηελ εθηίκεζε ηεο απόδνζεο ησλ δηαθνπηώλ νη νπνίνη ζηελ πξαγκαηηθόηεηα δελ είλαη ηδαληθνί. Ζ ζσζηή ιεηηνπξγία ελόο transistor MOS απνηειεί ην πξώην ζρεδηαζηηθό ζηόρν πνπ πξέπεη λα επηηεπρζεί ώζηε λα εμαζθαιηζηεί όηη ιεηηνπξγνύλ ζσζηά νη ινγηθέο πύιεο. ηελ πξαγκαηηθόηεηα όια ηα θπθιώκαηα είλαη αλαινγηθά θαη ε ςεθηαθή αλαπαξάζηαζή ηνπο ηζρύεη ππό ηελ πξνϋπόζεζε όηη ηθαλνπνηνύληαη ζπγθεθξηκέλνη ζρεδηαζηηθνί ζηόρνη. Έλα transistor MOS νξίδεηαη σο ζηνηρείν θνξέσλ πιεηνλόηεηαο (majority-carrierdevice) ηνπ νπνίνπ ην ξεύκα ζην θαλάιη αγσγήο, κεηαμύ πεγήο θαη ππνδνρήο, δηακνξθώλεηαη από ηελ ηάζε πνπ εθαξκόδεηαη ζηελ πύιε. ε έλα transistor MOS n- ηύπνπ (δει. nmos) νη θνξείο πιεηνλόηεηαο είλαη ηα ειεθηξόληα. Δθαξκόδνληαο ζεηηθή ηάζε ζηελ πύιε ζε ζρέζε κε ην ππόζηξσκα απμάλεηαη ν αξηζκόο ησλ ειεθηξνλίσλ ζην θαλάιη (ε πεξηνρή αθξηβώο θάησ από ηελ πύιε) θαη ζπλεπώο απμάλεηαη ε αγσγηκόηεηα ηνπ θαλαιηνύ. Γηα ηάζεηο πύιεο κηθξόηεξεο από ηελ ηηκή θαησθιίνπ (threshold) ην θαλάιη βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε απνθνπήο (cut off), δει. έλα πνιύ κηθξό ξεύκα ξέεη από ηελ ππνδνρή πξνο ηελ πεγή. 'ζνλ αθνξά ην transistor MOS p-ηύπνπ (δει. pmos) παξνπζηάδεη ηα ίδηα ραξαθηεξηζηηθά κε ην transistor nmos κε κόλεο εμαηξέζεηο όηη νη θνξείο πιεηνλόηεηαο είλαη νπέο (holes) θαη νη ηάζεηο πνπ εθαξκόδνληαη ζηελ πύιε είλαη αξλεηηθέο ζε ζρέζε κε ην ππόζηξσκα. Ζ πξώηε ζεκαληηθή παξάκεηξνο πνπ ραξαθηεξίδεη ηε δηαθνπηηθή ζπκπεξηθνξά ελόο ζηνηρείνπ MOS είλαη ε ηάζε θαησθιίνπ πνπ ζπκβνιίδεηαη κε V t. Οξίδεηαη δε σο ε ηάζε ζηελ νπνία αξρίδεη λα άγεη ην ζηνηρείν MOS. Τπάξρνπλ δύν εηδώλ n-ζηνηρεία, από ηα νπνία ην κελ πξώην άγεη όηαλ ε ηάζε πύιεο είλαη ίζε κε ηελ ηάζε πεγήο ελώ ην δεύηεξν άγεη όηαλ ππάξρεη ζεηηθή δηαθνξά (αξλεηηθή γηα ηα p-ζηνηρεία) αλάκεζα ζηηο ηάζεηο πύιεο θαη πεγήο. Σα ζηνηρεία ηα νπνία θαλνληθά είλαη ζε απνθνπή (δει. δελ άγνπλ) όηαλ εθαξκόδεηαη κεδεληθή πόισζε (δει. ε ηάζε πύιεο ηζνύηαη κε ηελ 7

9 Κεφάλαιο 1 ηάζε πεγήο) ραξαθηεξίδνληαη σο ζηνηρεία πύθλσζεο (enhancement-mode devices). Αληηζέησο, ηα ζηνηρεία ηα νπνία άγνπλ γηα κεδεληθή πόισζε θαινύληαη ζηνηρεία αξαίσζεο (depletion-mode devices). Σα transistors n- θαη p-θαλαιηνύ είλαη ην έλα δπαδηθό ηνπ άιινπ, δει. είλαη αληίζεηεο νη πνιηθόηεηεο ησλ απαηηνύκελσλ ηάζεσλ γηα ηε ζσζηή ιεηηνπξγία. Οη ηάζεηο θαησθιίσλ γηα ηα transistor n- θαη p-θαλαιηνύ ζπκβνιίδνληαη κε V tn θαη V tp αληίζηνηρα. ηηο ηερλνινγίεο CMOS ηα transistors n- θαη p-θαλαιηνύ θαηαζθεπάδνληαη κέζα ζην ίδην νινθιεξσκέλν. Πξόζζεηα, ηα πεξηζζόηεξα νινθιεξσκέλα θπθιώκαηα CMOS ρξεζηκνπνηνύλ transistors πύθλσζεο Βαζικέρ εξιζώζειρ DC Σα transistors MOS έρνπλ ηξεηο πεξηνρέο ιεηηνπξγίαο: Πεξηνρή απνθνπήο ή πεξηνρή ππνθαησθιίνπ. Γξακκηθή ή κε-θνξεζκέλε πεξηνρή ή ηξηνδηθή πεξηνρή. Πεξηνρή θόξνπ. Οη ηδαληθέο εμηζώζεηο πξώηεο ηάμεο πνπ πεξηγξάθνπλ ηε ζπκπεξηθνξά ελόο ζηνηρείνπ MOS ζηηο ηξεηο πξναλαθεξζείζεο πεξηνρέο είλαη: Περιοτή αποκοπής: I ds = 0, V gs V t Γραμμική ή μη-κορεζμένη ή ηριοδική περιοτή: I ds = β V gs V t V ds V ds 2 2, 0 < V ds < V gs V t (Μνινλόηη ε πεξηνρή απηή ζπλήζσο θαιείηαη γξακκηθή πεξηνρή, ην ξεύκα I ds κεηαβάιιεηαη γξακκηθά κε ηηο V gs θαη V ds όηαλ ν ηεηξαγσληθόο όξνο V gs 2 είλαη πνιύ κηθξόο (δει. V ds V gs V t ).) 2 Περιοτή κόροσ: I ds = β V gs V t 2 2, 0 < V gs V t < V ds όπνπ Ι ds είλαη ην ξεύκα ππνδνρήο-πεγήο, V gs είλαη ε ηάζε πύιεο-πεγήο, V t είλαη ε ηάζε θαησθιίνπ ηνπ ζηνηρείνπ θαη β είλαη ν ζπληειεζηήο θέξδνπο (gain factor) ηνπ transistor. Ο ηειεπηαίνο παξάγνληαο εμαξηάηαη από ηηο παξακέηξνπο επεμεξγαζίαο θαζώο θαη από ηε γεσκεηξία ηνπ ζηνηρείνπ θαη δίλεηαη από ηε ζρέζε: 8

10 Ειςαγωγι β = με t ox W L όπνπ μ είλαη ε ελεξγή θηλεηηθόηεηα ησλ θνξέσλ ζην θαλάιη, ε είλαη ε επηδεθηηθόηεηα ηνπ κνλσηή πύιεο, t ox είλαη ην πάρνο ηνπ κνλσηή πύιεο, W είλαη ην πιάηνο ηνπ θαλαιηνύ θαη L είλαη ην κήθνο ηνπ θαλαιηνύ. Ο ζπληειεζηήο θέξδνπο β εμαξηάηαη από ην ζπληειεζηή επεμεξγαζίαο ( ) θαη t ox από ην γεσκεηξηθό όξν W L. Ο ζπληειεζηήο επεμεξγαζίαο πεξηιακβάλεη όινπο ηνπο όξνπο επεμεξγαζίαο, όπσο ηελ ππθλόηεηα λόζεπζεο θαη ην πάρνο ηνπ νμεηδίνπ ηεο πύιεο. Ο ιόγνο W L εμαξηάηαη από ηηο δηαζηάζεηο ηνπ θπζηθνύ ζρεδίνπ ηνπ ζηνηρείνπ. Δλίνηε, ν εμαξηώκελνο από ηελ επεμεξγαζία ζπληειεζηήο γξάθεηαη κε ηε κνξθή μ C ox, όπνπ C ox = ε είλαη ε ρσξεηηθόηεηα ηνπ νμεηδίνπ ηεο πύιεο. t ox μ ε 9

11 Κεφάλαιο 2 Κεθάλαιο 2 Αναζκόπηζη ηυν ηάξευν ηυν ενιζσςηών ιζσύορ 2.1 Σάξη Α ηνπο εληζρπηέο ηάμεο Α ην ζεκείν εξεκίαο (I dc ) επηιέγεηαη έηζη, ώζηε ην transistor λα βξίζθεηαη ζηελ ελεξγό πεξηνρή θαηά ηε δηάξθεηα νιόθιεξνπ ηνπ θύθινπ RF, δηαηεξώληαο γσλία αγσγηκόηεηαο 360. ηελ εηθόλα 1 απεηθνλίδεηαη ην θνηλό θύθισκα εληζρπηώλ ηάμεσλ Α, Β, ΑΒ θαη C. Μηα απινπνηεκέλε αλάιπζε ηνπ εληζρπηή ηάμεο Α πεξηέρεη θάπνηεο βαζηθέο παξαδνρέο: Σν πελίν RF είλαη ηδαληθό θαη άξα επηηξέπεη κόλν έλα ζπλερέο ξεύκα εηζόδνπ (I dc ) πνπ ε ηηκή ηνπ θαζνξίδεηαη από ην θύθισκα πόισζεο ηνπ εληζρπηή. Ζ ρσξεηηθόηεηα C d απνθόπηεη ηε ζπλερή ζπληζηώζα ζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο. Ζ ελ ελεξγεία ζπζθεπή ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ κηα ηδαληθή πεγή ειεγρόκελε από ξεύκα. Ζ ζπκπεξηθνξά ηνπ transistor ζεσξείηαη απνιύησο γξακκηθή (π.ρ. κηα εκηηνλνεηδήο νδήγεζε θαζνξίδεη έλα εκηηνλνεηδέο ξεύκα ζπιιέθηε). Εικόνα 1 - Κοινό διάγραμμα ενιςχυτϊν τάξεων Α, Β, ΑΒ και C Εικόνα 2 - Διάγραμμα Ι/Ο ενιςχυτι τάξθσ Α 10

12 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Βάζεη απηώλ ησλ παξαδνρώλ ην ξεύκα ζπιιέθηε δίλεηαη από ηελ αθόινπζε ζρέζε: i θ = I dc I 0 sinθ, όπνπ θ = 2πft είλαη ε γσλία αγσγηκόηεηαο ηνπ transistor. πσο θαίλεηαη ην ξεύκα εμόδνπ είλαη εκηηνλνεηδέο: i 0 θ = I dc i θ = I 0 sinθ Ζ ηάζε ζπιιέθηε είλαη: u θ = V dc + V 0 sinθ = V dc + RI 0 sinθ ηε θαηάζηαζε ιεηηνπξγίαο δηαηεξνύληαη i θ 0 και u θ 0. Δπνκέλσο, εθόζνλ ηεξνύληαη νη ζπλζήθεο Ι 0 I dc θαη V 0 V dc ην transistor παξακέλεη ζηελ ελεξγό πεξηνρή. Με απηόλ ηνλ ηξόπν ε ηζρύο εμόδνπ δηακνξθώλεηαη σο εμήο: κε κέγηζηε ηζρύ εμόδνπ: P 0 = I R = V 2 0 2R P 0,max = V dc 2 2R Ζ κέγηζηε ηηκή ιακβάλεηαη γηα V 0 = V dc. Πξαθηηθά ζπζηήλεηαη ε επηινγή ελόο ξεύκαηνο εξεκίαο ίζν κε ην κέγηζην ξεύκα εμόδνπ. I dc = I 0,max = V dc R Δπνκέλσο, ε DC ηζρύο εηζόδνπ θαη ε απόδνζε ζπιιέθηε ηεο δηάηαμεο είλαη αληίζηνηρα: η = P 0 = 1 P dc 2 P dc = V dc I dc = V dc 2 R V 0 2 V dc 2 η max = 1 2 = 50% όπνπ η max ε ζεσξεηηθή απόδνζε ζπιιέθηε ελόο εληζρπηή ηάμεο Α. Ζ εηθόλα 3 παξνπζηάδεη ηε δηαθνξνπνίεζε ηεο απόδνζεο ζπιιέθηε, ηεο ηζρύνο εμόδνπ, ηεο DC ηζρύνο εηζόδνπ, ηεο ηζρύνο απσιεηώλ P dis = P dc P 0 θαη ηεο ηάζεο εμόδνπ. πσο θαίλεηαη ρσξίο ην ζήκα νδήγεζεο ζην θύθισκα, ε DC ηζρύο εηζόδνπ κεγηζηνπνηεί ηηο απώιεηεο ηνπ transistor. Απηό είλαη έλα κεηνλέθηεκα ηεο ηάμεο Α ζε ζύγθξηζε κε ηηο ηάμεηο Β ή C. Σα θπθιώκαηα ηάμεσλ Β ή C δελ εκθαλίδνπλ παξόκνηεο απώιεηεο ηζρύνο ειιείςεη ζήκαηνο νδήγεζεο. 11

13 Κεφάλαιο 2 Εικόνα 3 - Απεικόνιςθ ιςχφων και απωλειϊν ενιςχυτι τάξθσ Α Άιιν έλα βαζηθό κεηνλέθηεκα ηνπ εληζρπηή ηάμεσο Α είλαη ε ρακειή απόδνζε ζπιιέθηε πνπ ζηελ θαιύηεξε πεξίπησζε είλαη 50%, αλ θαη πξαθηηθά νη απνδόζεηο πνπ επηηπγράλνληαη είλαη 40-45% ιόγσ ησλ κε ηδεαηώλ ραξαθηεξηζηηθώλ ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιώκαηνο. Αλ V 0 V dc ε κέγηζηε ζηηγκηαία ηάζε ζπιιέθηε είλαη 2V dc θαη ην ζηηγκηαίν ξεύκα ζπιιέθηε 2Ι dc. Σειηθά, ε ηθαλόηεηα ηζρύνο εμόδνπ ηνπ εληζρπηή ηάμεο Α είλαη: C P = P 0,max (2V dc )(2I dc ) = 1 8 = 0, Σάξη Β Οη εληζρπηέο ηάμεο Β έρνπλ αξθεηά θνηλά ζηνηρεία κε ηνπο εληζρπηέο ηάμεο Α πνπ πξναλαθέξζεθαλ, θαζώο θαη κε ηνπο εληζρπηέο ηάμεσλ ΑΒ θαη C. Σα θνηλά απηά ζηνηρεία πνπ δηαθξίλνπλ ηηο ζπγθεθξηκέλεο ηάμεηο εληζρπηώλ είλαη ηα εμήο: Έρνπλ ηαπηόζεκν ζρεκαηηθό δηάγξακκα όπσο παξνπζηάζηεθε ζηελ εηθόλα 1. ια ηα θπθιώκαηα ησλ παξαπάλσ εληζρπηώλ νδεγνύληαη από εκηηνλνεηδείο θπκαηνκνξθέο. Ζ ελεξγή ζπζθεπή ζπκπεξηθέξεηαη, ηνπιάρηζηνλ ζην κεγαιύηεξν κέξνο ηνπ θύθινπ RF, σο ειεγρόκελε πεγή ξεύκαηνο. Σν ηκήκα απηό ηνπ RF θύθινπ, θαηά ην νπνίν ε δηάηαμε ζπκπεξηθέξεηαη σο πεγή ξεύκαηνο ραξαθηεξίδεηαη σο γσλία αγσγηκόηεηαο θαη ζπκβνιίδεηαη ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία σο 2θ c. Οη εληζρπηέο ηάμεο Β έρνπλ γσλία αγσγηκόηεηαο 2θ c = 180. ηελ εηθόλα 4 απεηθνλίδεηαη ε ηδαληθή θπκαηνκνξθή πνπ εμάγεηαη από έλα απιό θύθισκα εληζρπηή ηάμεο Β θαη ζηελ εηθόλα 5 έλα push-pull θύθισκα ζε ζπλδεζκνινγία θνηλνύ εθπνκπνύ. ηε ζπγθεθξηκέλε δηάηαμε ρξεζηκνπνηείηαη έλαο κεηαζρεκαηηζηήο T 1 ν νπνίνο ηξνθνδνηεί ηα δύν transistors (Q 1, Q 2 ) έηζη ώζηε λα νδεγνύληαη εθηόο θάζεο θαηά 180 θαη λα ηίζεληαη δηαδνρηθά ζηελ ελεξγό πεξηνρή. 12

14 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εικόνα 4 - Διάγραμμα Ι/Ο ενιςχυτι τάξθσ Β Εικόνα 5 - Push-Pull διάταξθ με ενιςχυτζσ τάξεων Α, Β, ΑΒ, C Ο κεηαζρεκαηηζηήο εμόδνπ T 2, κε ηε ζεηξά ηνπ, ζπλδπάδεη ηα ζήκαηα πνπ παίξλεη από ηα Q 1, Q 2 θαη κε ηε ρξήζε ελόο θίιηξνπ LC. Ζ πξνθεηκέλε δηάηαμε ρξεζηκνπνηείηαη θπξίσο ζε εληζρπηέο ηάμεο Β θαη ΑΒ ρσξίο βέβαηα λα απνθιείεηαη ε δπλαηόηεηα ρξήζεο ηεο ζε θπθιώκαηα πνπ εκπεξηέρνπλ εληζρπηέο ηάμεσλ Α θαη C. Αληηκεησπίδνληαο ηε ζπκπεξηθνξά ηεο δηάηαμεο σο ηδαληθή εμάγνπκε ηελ θπκαηνκνξθή πνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 6 γηα ηελ πξναλαθεξζείζα push-pull δηάηαμε. Εικόνα 6 - Διάγραμμα Ι/Ο ενιςχυτι τάξθσ Β (push-pull) Ο κεηαζρεκαηηζηήο T 2 έρεη m ζπείξεο ζην πξσηεύνλ ηύιηγκα θαη n ζπείξεο ζην δεπηεξεύνλ. ε θάζε κηζό θύθιν, νδεγείηαη ζην κηζό πξσηεύνλ ηνπ T 2 έλα ξεύκα I (κηζό εκίηνλν). Ζ δηαδηθαζία απηή έρεη σο απνηέιεζκα ην ξεύκα I πνπ εκθαλίδεηαη ζην δεπηεξεύνλ λα είλαη εκηηνλνεηδνύο κνξθήο κε εμίζσζε: 13

15 Κεφάλαιο 2 θαη ε αληίζηνηρε ηάζε i 0 (θ) = I 0 sinθ = m n Isinθ υ 0 (θ) = V 0 sinθ = m n IR Lsinθ Οη ηάζεηο ζηα δύν transistors δίλνληαη από ηνπο ηύπνπο: υ 1 θ = V dc + RIsinθ, υ 2 θ = V dc RIsinθ όπνπ R = ( m n )2 R L. Σειηθά ε ηζρύο εμόδνπ δίλεηαη από ηε ζρέζε: P 0 = V 0 2 2R L = V2 2R θαη απνθηά ηε κέγηζηε ηηκή ηεο γηα V = V dc : Γηα i dc θ = I sinθ ηζρύεη: P 0,max = V dc 2 2R I dc = 1 2π 2π i dc 0 θ dθ = 2 π Ι = 2 V π R Σειηθά γηα ηελ ηζρύ εηζόδνπ θαη ηελ απόδνζε ζπιιέθηε έρνπκε: P dc = V dc I dc = 2 V dc π R V η = P 0 = π V η P dc 4 V max = π dc % Ζ εηθόλα 7 δείρλεη ζε κνξθή δηαγξάκκαηνο όια ηα πξναλαθεξζέληα. Απεηθνλίδεηαη ε απόδνζε ζπιιέθηε η θαη νη ηζρείο P 0, P dc θαη P dis = P dc P 0 (P dis ηζρύο απσιεηώλ ζηα δύν transistors) ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ζπιιέθηε V dc. Υσξίο ζήκα νδήγεζεο, ηα δύν transistors βξίζθνληαη ζε απνθνπή θαη έηζη ζε απηή ηελ πεξίπησζε δελ έρνπκε απώιεηα ηζρύνο. Καζώο απμάλεηαη ην ζήκα νδήγεζεο εξρόκαζηε αληηκέησπνη κε αλάινγε αύμεζε ζηελ ηζρύ εμόδνπ θαη ζηελ απόδνζε. Γηα V = 2V dc π παίξλνπκε ηε κέγηζηε δπλαηή ηηκή γηα ηελ ηζρύ απσιεηώλ: P dis,max = 2 2 V dc π 2 R = 4 π 2 P 0,max P 0,max Εικόνα 7 - Απεικόνιςθ ιςχφων και απωλειϊν ςε Β τάξθσ push-pull διάταξθ 14

16 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Δλ ηέιεη όινη νη ππνινγηζκνί κπνξνύλ λα γίλνπλ βαζηδόκελνη ζηελ ηηκή ηεο πξνεγνύκελεο εμίζσζεο. ρεηηθά κε ηελ απόδνζε ην ζεσξεηηθό κέγηζην είλαη η = 78.5% θαη πξαθηηθά κε κία ηηκή αλάκεζα ζε 60%-70% είλαη αξθεηά αμηόινγε γηα εληζρπηέο ηάμεο Β. H κέγηζηε ηάζε ζπιιέθηε είλαη υ max = 2V dc θαη ην κέγηζην ξεύκα ζπιιέθηε είλαη i max = V dc R θαη ζπκπεξαζκαηηθά ε απόδνζε δίλεηαη από ηε ζρέζε: C p = P 0,max = 1 = (Ίδηα ζεσξεηηθή κέγηζηε απόδνζε κε ηνπο 2(2V dc )I 8 εληζρπηέο ηάμεο Α). 2.3 Σάξη C Διζαγυγή Οη εληζρπηέο ηάμεο C έρνπλ ην ζεκαληηθό πιενλέθηεκα ηεο πςειόηεξεο απόδνζεο ζπιιέθηε ζε ζρέζε κε ηηο ηάμεηο Α, Β, ΑΒ. Δκθαλίδνπλ, βέβαηα, ην ζεκαληηθό κεηνλέθηεκα ηνπ πςειόηεξνπ πεξηερνκέλνπ ηεο εμόδνπ ζε αξκνληθέο θαη επνκέλσο απαηηείηαη επηπιένλ θηιηξάξηζκα θαη ρακειόηεξν θέξδνο εηζόδνπ. Σν ξεύκα ζπιιέθηε είλαη κεδεληθό όηαλ ην transistor βξίζθεηαη ζηελ απνθνπή. Αλ ην transistor δελ θζάζεη ζηνλ θνξεζκό θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ RF θύθινπ ηόηε ν εληζρπηήο θαιείηαη εληζρπηήο ηάμεο C πεγήο-ξεύκαηνο. Αλ, αληίζεηα, ε ελεξγόο ζπζθεπή θζάλεη ζην θνξεζκό γηα θάπνην ηκήκα, ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε είλαη κεδέλ όηαλ ην transistor βξίζθεηαη ζηελ απνθνπή, έλα ηκήκα κηαο εκηηνλνεηδνύο θπκαηνκνξθήο όηαλ βξίζθεηαη ζηελ ελεξγό πεξηνρή θαη έλα άιιν ηκήκα κηαο εκηηνλνεηδνύο θπκαηνκνξθήο όηαλ ην transistor έρεη θνξεζηεί. ε απηή ηελ πεξίπησζε έρνπκε ηνπο θνξεζκέλνπο εληζρπηέο ηάμεο C. Σα κνληέια πεξηγξαθήο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ηύπνπ εληζρπηή πξνθύπηνπλ από ηνπο εληζρπηέο ηύπνπ C ιπρλίαο θελνύ. Ωζηόζν ππάξρνπλ ζεκαληηθέο δηαθνξέο αλάκεζα ζηνπο εληζρπηέο ιπρλίαο θελνύ θαη ζηνπο εληζρπηέο ζηεξεάο θαηάζηαζεο. Οη ηειεπηαίνη πνιύ πην πνιύπινθνη θαη επνκέλσο δύζθνινη ζην λα αλαιπζνύλ κε ζρεηηθή αθξίβεηα. Οη εληζρπηέο ζηεξεάο θαηάζηαζεο ιεηηνπξγνύλ ζηε κηθηή θαηάζηαζε ησλ δύν πξναλαθεξζέλησλ θαηεγνξηώλ θαη θαινύληαη εληζρπηέο ηάμεο C κηθηήο θαηάζηαζεο. 15

17 Κεφάλαιο Δνιζσςηήρ ηάξηρ C πηγήρ-πεύμαηορ ηνλ εληζρπηή ηάμεο C πεγήο-ξεύκαηνο ε ελεξγόο ζπζθεπή ιεηηνπξγεί ελαιιαζζόκελε αλάκεζα ζηελ ελεξγό πεξηνρή θαη ηελ πεξηνρή απνθνπήο θαη δελ κεηαπίπηεη ζηνλ θνξεζκό θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θύθινπ εξγαζίαο RF. ηελ ελεξγό πεξηνρή ην transistor ιεηηνπξγεί ζαλ πεγή ειεγρόκελε από ξεύκα. Εικόνα 8 - Ζξοδοσ ενιςχυτι τάξθσ C Αλ ζεσξήζνπκε όηη ε γσλία αγσγηκόηεηαο είλαη 2θ c, ην transistor παξνπζηάδεη έμνδν ηεο κνξθήο ηεο εηθόλαο 9 κε κέγηζην ξεύκα ζπιιέθηε I M. Εικόνα 9 - Ανάλυςθ εξόδου ενιςχυτι τάξθσ C Σν ξεύκα ζπιιέθηε είλαη κηα πεξηνδηθή θπκαηνκνξθή πνπ πεξηγξάθεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε: i θ = I M (cosθ cosθ c ) 1 cosθ c, θ c + 2kπ 0 θ c + 2kπ, k Ζ 0, αλλιώσ Αλαιύνληαο θαηά Fourier ην ξεύκα ζπιιέθηε ππνινγίδεηαη ε ζεκειηώδεο αξκνληθή όπσο επίζεο θαη ε πξώηε αξκνληθή ζπληζηώζα νη νπνίεο είλαη αληίζηνηρα: α 0 θ c = sinθ c θ c cosθ c π(1 cosθ c ) α 1 θ c = θ c sinθ c cosθ c π(1 cosθ c ) 16

18 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Τπνινγίδεηαη ην πιάηνο ηεο επίζεο εκηηνλνεηδνύο ηάζεο εμόδνπ V 0 = RI 0 κε I 0 ην πιάηνο ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε Ι 0 = Ι Μ α 1 (θ c ). Ζ ηάζε ζπιιέθηε είλαη: υ θ = V dc + V 0 cosθ = V dc + RΙ Μ α 1 (θ c )cosθ Ζ DC ηζρύο εηζόδνπ θαη ε απόδνζε ζπιιέθηε είλαη αληίζηνηρα: κε κέγηζηε απόδνζε: P dc = V dc I dc = V dc Ι Μ α 0 (θ c ) η = P 0 = V 0 θ c sinθ c cosθ c P dc V dc 2(sinθ c θ c cosθ c ) η max = θ c sinθ c cosθ c 2(sinθ c θ c cosθ c ) Ζ πξνηειεπηαία εμίζσζε δείρλεη όηη ε απόδνζε απμάλεη κε ηελ αύμεζε ηνπ πιάηνπο ηεο ηάζεο εμόδνπ. Αλ V 0 = V dc ε κέγηζηε ηάζε ζπιιέθηε είλαη v max = 2V dc θαη ην κέγηζην ξεύκα ζπιιέθηε απεηθνλίδεηαη ζηελ παξαθάησ εμίζσζε: i max = i M = V dc Rα 1 (θ c ) Ζ ηζρύο εμόδνπ θαη ε ηθαλόηεηα ηζρύνο εμόδνπ είλαη αληίζηνηρα: θαη P 0 = V 0 2 2R = V 2 DC 2R C P = P 0 = α 1(θ c ) υ max i max 4 θαη κεηαβάιινληαη ζπλαξηήζεη ηεο γσλίαο αγσγηκόηεηαο όπσο θαίλεηαη ζηηο εηθόλεο 10 θαη

19 Κεφάλαιο 2 Εικόνα 10 - Διάγραμμα μζγιςτθσ απόδοςθσ ςυλλζκτθ βάςει τθσ γωνίασ αγωγιμότθτασ Εικόνα 11 - Διάγραμμα ικανότθτασ ιςχφοσ εξόδου βάςει τθσ γωνίασ αγωγιμότθτασ Κοπεζμένορ ενιζσςηήρ ηάξηρ C Ζ ιεηηνπξγία ζηνλ θνξεζκό παξνπζηάδεη δύν ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα: Πξώηνλ, είλαη εθηθηή θάπνηα αύμεζε ζηελ ηζρύ εμόδνπ, ζηελ απόδνζε ηνπ ζπιιέθηε θαη ζηελ ηθαλόηεηα ηεο ηζρύνο εμόδνπ. Γεύηεξνλ, ην πιάηνο ηνπ ζήκαηνο εμόδνπ εμαξηάηαη θπξίσο από ηελ DC ηάζε ηξνθνδνζίαο θαη είλαη ζρεδόλ αλεμάξηεηε από ηελ νδήγεζε. Ζ θπκαηνκνξθή ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε απεηθνλίδεηαη ζηελ εηθόλα 12 θαη πεξηγξάθεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε αλάινγα κε ηελ πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ηνπ transistor: I cosθ cosθ c, με το transistor ςτην ενεργό περιοχή i θ = V dc V 0 cosθ, 2R ON με το transistor ςτο κόρο. 0, με το transistor ςτην αποκοπή. 18

20 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εικόνα 12 - Κυματομορφι ρεφματοσ ςυλλζκτθ Ζ γσλία αγσγηκόηεηαο είλαη 2θ c είηε ην transistor είλαη ελεξγό, είηε βξίζθεηαη ζηνλ θόξν θαηά ηε δηάξθεηα απηήο ηεο πεξηόδνπ. Καηά ηε γσλία 2θ s (γσλία θνξεζκνύ) ην transistor βξίζθεηαη ζηνλ θόξν. Σν πιάηνο ηεο ηάζεο εμόδνπ είλαη: Ζ ηζρύο εμόδνπ είλαη: Ζ DC ηζρύο εηζόδνπ είλαη : V 0 = V dc R ON I(cosθ s cosθ c ) cosθ s P 0 = V 0 2 2R P dc = V dc I dc = V dc Ι Μ α 0 (θ c, θ s ) ΔIa 0 (θ s ) όπνπ ε a 0 θαη α 0 ππνινγίδνληαη από ηελ αλάιπζε Fourier ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε, ελώ ην ΓI δίλεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε: ΔI = I M V dc V 0 R ON = I cosθ cosθ c V dc V 0 R ON Σέινο, ε απόδνζε ζπιιέθηε θαη ηθαλόηεηα ηζρύνο εμόδνπ είλαη αληίζηνηρα: η = P 0 P dc θαη C P = P 0 = υ max i max 2R(V dc + V 0 )I M V

21 Κεφάλαιο Δνιζσςηέρ ηάξηρ C μικηήρ καηάζηαζηρ Ζ ηάμε C πνπ πεξηγξάθεθε ζηηο πξνεγνύκελεο ελόηεηεο ζπρλά θαιείηαη θιαζηθή ή αιεζηλή ηάμε C θαη ζπλαληάηαη ζπλήζσο ζηνπο εληζρπηέο ιπρλίαο-θελνύ. Οη πξαθηηθνί εληζρπηέο ζηεξεάο θαηάζηαζεο ηάμεο C ιεηηνπξγνύλ δηαθνξεηηθά εκπίπηνληεο ζηελ ηάμε C κηθηήο θαηάζηαζεο. Ζ ιεηηνπξγία ελόο εληζρπηή ηάμεο C κηθηήο θαηάζηαζεο είλαη ηδηαίηεξα πνιύπινθε, ζεκαληηθά δηαθνξνπνηήζηκε από ηνλ έλα εληζρπηή ζηνλ άιιν θαη εμαηξεηηθά δύζθνιε ζηελ αθξηβή πεξηγξαθή ηεο κε καζεκαηηθνύο όξνπο. Έλα θύθισκα εληζρπηή ηάμεο C απεηθνλίδεηαη ζηελ εηθόλα 13, ελώ θάπνηεο ηππηθέο θπκαηνκνξθέο ηνπ ζηελ εηθόλα 14. Εικόνα 13 - Κφκλωμα ενιςχυτι τάξθσ C Εικόνα 14 - Συπικζσ κυματομορφζσ ενιςχυτι τάξθσ C 20

22 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ ηαλ ην transistor βξίζθεηαη ζηελ ελεξγό πεξηνρή ηνπ, ε ηάζε ζπιιέθηε θαζνξίδεηαη από ην ξεύκα i Cs πνπ ξέεη ζηε ρσξεηηθόηεηα C s. Σν i Cs είλαη ε δηαθνξά ηνπ DC ξεύκαηνο I dc ηνπ εκηηνλνεηδνύο ξεύκαηνο εμόδνπ i 0 θαη ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε i c πνπ θαζνξίδεηαη από ηελ ιεηηνπξγία ηνπ transistor ζαλ πεγή ειεγρόκελε από ξεύκα ζηελ ελεξγό πεξηνρή. ηαλ ην transistor βξίζθεηαη ζηνλ θόξν, ε ηάζε ζπιιέθηε είλαη ζηαζεξή (V CEsat ), i Cs 0 θαη ην ξεύκα ζπιιέθηε είλαη ε δηαθνξά ηνπ I dc θαη ηνπ i 0. Σέινο, κε ην transistor ζηελ απνθνπή, i C (θ) = 0 θαη ην i Cs (θ) = I dc - i 0 (θ) θνξηίδεη ηε ρσξεηηθόηεηα C s, δίλνληαο ηε ηάζε ζπιιέθηε. Απηή ε απινπνηεκέλε πνηνηηθή πεξηγξαθή ππνδειώλεη ηε πνιππινθόηεηα ηνπ καζεκαηηθνύ κνληέινπ ηνπ θπθιώκαηνο ζπιιέθηε θαη ηελ αδπλακία εύξεζεο κηαο αλαιπηηθήο ιύζεο. Ωζηόζν είλαη δπλαηή ε πξνζέγγηζε κέζσ αξηζκεηηθώλ κεζόδσλ ησλ ιύζεσλ ησλ δηαθνξηθώλ εμηζώζεσλ πνπ πεξηγξάθνπλ ην θύθισκα. Απηέο νη ιύζεηο παξέρνπλ ηηο θπκαηνκνξθέο ζηαζεξήο θαηάζηαζεο ησλ ξεπκάησλ θαη ησλ ηάζεσλ ηνπ θπθιώκαηνο. Ζ αλάιπζε Fourier παξέρεη, επηπιένλ, ηηκέο πνπ ζρεηίδνληαη κε ηελ απόδνζε ηνπ θπθιώκαηνο όπσο ηζρύο, απόδνζε θαη άιιεο. Βέβαηα, ηα απνηειέζκαηα πνπ πξνθύπηνπλ πνηθίινπλ εμαηξεηηθά από ηνλ έλα εληζρπηή ζηνλ άιιν, θαζώο εμαξηώληαη από ηελ ηνπνινγία ηνπ θπθιώκαηνο, ηηο ηηκέο ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θαη ηηο παξακέηξνπο ηνπ transistor. 2.4 Σάξη D Διζαγυγή Οη εληζρπηέο ηάμεο D εηζήρζεζαλ γηα πξώηε θνξά από ηνλ Baxandall ην 1959 θαη ηα παξζεληθά πεδία εθαξκνγήο ηνπο ήηαλ νη πνκπνί κεηάδνζεο AM ξαδηνθσληθώλ ζεκάησλ (Amplitude Modulation) θαη νη πνκπνί HF (High Frequency) ρακειήο ηζρύνο. Οη ηάμεο D εληζρπηέο ζρεδηάζηεθαλ ρξεζηκνπνηώληαο έλα δεύγνο ελεξγώλ εμαξηεκάησλ θαη έλα θύθισκα εμόδνπ ζπληνληζκέλν ζηελ εθάζηνηε επηζπκεηή ζπρλόηεηα. Οη ζπγθεθξηκέλνη εληζρπηέο εθκεηαιιεύνληαη ηελ ηδηόηεηα ησλ transistors λα ζπκπεξηθέξνληαη πνιύ ηθαλνπνηεηηθά σο δηπνιηθνί δηαθόπηεο θαη έηζη ν εληζρπηήο δύλαηαη λα παξέρεη σο έμνδν είηε κία νξζνγώληα θπκαηνκνξθή ηάζεο είηε κηα νξζνγώληα θπκαηνκνξθή ξεύκαηνο. πσο πξναλαθέξζεθε, ην ζπληνληζκέλν θύθισκα εμόδνπ ξπζκίδεηαη ζηε βαζηθή δηαθνπηηθή ζπρλόηεηα θαη απνκνλώλεη ηηο ππόινηπεο αξκνληθέο κε ηειηθή απόθξηζε κία εκηηνλνεηδή έμνδν. Σν θέξδνο ελόο εληζρπηή ηάμεο D κπνξεί λα πξνζεγγίζεη ην 100%. 21

23 Κεφάλαιο ςμπληπυμαηική ζςνδεζμολογία διακοπηικήρ ηάζηρ Σν πην απιό θύθισκα εληζρπηή ηάμεο D είλαη ην θύθισκα δηαθνπηηθήο ηάζεο ζπκπιεξσκαηηθήο ζπλδεζκνινγίαο, ην νπνίν θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 15α. Ο κεηαζρεκαηηζηήο εηζόδνπ νδεγεί ηα Q 1 θαη Q 2 κε ξεύκαηα πνπ έρνπλ κεηαμύ ηνπο δηαθνξά θάζεο 180 ν. πλεπώο, όηαλ ην Q 1 άγεη, ην Q 2 είλαη ζε απνθνπή θαη αληηζηξόθσο. Σν δεύγνο ησλ transistor είλαη επνκέλσο αληίζηνηρν ηνπ δηπνιηθνύ δηαθόπηε πνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ εηθόλα 15β. Ο ππθλσηήο C b είλαη αξθεηά κεγάινο ώζηε λα γεηώλεη όια ηα AC ζήκαηα θαη λα δηαηεξείηαη ε ηηκή +V CC ζην ζπιιέθηε ηνπ Q 1. ην ίδην θύθισκα κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ΡΝΡ transistor, FETs ή ιπρλίεο θελνύ κε εμίζνπ θαιά απνηειέζκαηα κε ηα ΝΡΝ transistor αλ γίλνπλ θαηάιιειεο αιιαγέο (όπσο γηα παξάδεηγκα αληηζηξνθή ηνπ δεπηεξεύνληνο ηπιίγκαηνο ζηνλ κεηαζρεκαηηζηή). Ο θύθινο εξγαζίαο ηνπ ζήκαηνο ζεσξείηαη ίζνο κε 50%. Ζ ηάζε υ c2 (θ), πνπ εθαξκόδεηαη ζην ζπληνληζκέλν θύθισκα, είλαη κηα ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή κε ηηκέο 0 θαη +V CC πνπ κπνξεί λα γξαθεί σο: υ c2 θ = V cc s(θ) όπνπ ην s(ζ) είλαη ε ζπλάξηεζε ηεο ηεηξαγσληθήο θπκαηνκνξθήο ηεο νπνίαο ην πιάηνο είλαη +1 όηαλ ην sin(ζ) είλαη ζεηηθό θαη 1 όηαλ είλαη αξλεηηθό. Αλ αλαιπζεί ην s(ζ) θαηά Fourier, ζα πξνθύςεη: νπόηε γηα ηελ υ c2 (θ) πξνθύπηεη: C s( ) sin( ) sin( 3 ) sin( 5 ) ( ) VCC sin( ) sin( 3 ) sin( 5 ) Απηή ε θπκαηνκνξθή αληηπξνζσπεύεη έλα ζύλνιν από ηάζεηο νη νπνίεο εθαξκόδνληαη ζην δηθηύσκα πνπ απνηειείηαη από ην θνξηίν R θαη ην θίιηξν ζεηξάο L o θαη C o. Σν ξεύκα εμόδνπ θαζνξίδεηαη από ηελ απόθξηζε ηνπ ζπζηήκαηνο ζηηο ζπρλόηεηεο πνπ απνηεινύλ ηελ δηαθνπηηθή θπκαηνκνξθή. Ο ππθλσηήο απαγνξεύεη ηελ εκθάληζε DC ζπληζηώζαο ζηελ έμνδν. Γηα ζπλήζεηο ηηκέο ηνπ ζπληειεζηή πνηόηεηαο Q, ε αληίζηαζε εηζόδνπ ηνπ θίιηξνπ γίλεηαη πάξα πνιύ κεγάιε γηα όιεο ηηο αξκνληθέο ηεο δηαθνπηηθήο ζπρλόηεηαο πνπ είλαη βέβαηα κηθξόηεξεο από ηελ ζεκειηώδε ζπρλόηεηα. Έηζη, ηα ξεύκαηα ησλ αξκνληθώλ ζηελ έμνδν κεηώλνληαη ζε αζήκαληα επίπεδα όζνλ αθνξά ζηελ ιεηηνπξγία ηνπ εληζρπηή. Ωζηόζν κπνξεί λα απαηηείηαη επηπιένλ θηιηξάξηζκα γηα λα ειαηησζνύλ νη αξκνληθέο ηνπ ξεύκαηνο ζην θνξηίν, ώζηε λα απνθεπρζνύλ απαξάδεθηα επίπεδα παξεκβνιήο ζε άιιεο εθπνκπέο. 22

24 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εικόνα 15 - Ενιςχυτισ τάξθσ D διακοπτικισ τάςθσ ςυμπλθρωματικισ ςυνδεςμολογία: α) κφκλωμα, β) ιςοδφναμο κφκλωμα, γ) κυματομορφζσ 23

25 Κεφάλαιο 2 Αλ ην θίιηξν L o -C o είλαη θαιά ζπληνληζκέλν, ηόηε έρεη κεδεληθή αληίδξαζε ζηελ ζεκειηώδε δηαθνπηηθή ζπρλόηεηα. πλεπώο ε ζεκειηώδεο ζπρλόηεηα ηεο ηεηξαγσληθήο κνξθήο εθαξκόδεηαη απεπζείαο ζην θνξηίν θαη αθνύ νη αξκνληθέο ηνπ ξεύκαηνο είλαη ακειεηέεο, ζα είλαη: VCC io( ) 2 sin R Απηό ην εκηηνλνεηδέο ξεύκα εμόδνπ δηαξξέεη όπνην από ηα Q 1 θαη Q 2 άγεη ηε ζπγθεθξηκέλε ρξνληθή ζηηγκή. Δπνκέλσο, ηα ξεύκαηα ηνπ ζπιιέθηε είλαη κηζά εκίηνλα κε πιάηνο 2V CC /πr, όπσο θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 15γ. Σν πιάηνο V om ηεο εκηηνλνεηδνύο ηάζεο εμόδνπ π ο (θ) είλαη 2V CC /π, όπσο πξνθύπηεη από ηηο πξναλαθεξζείζεο εμηζώζεηο, νπόηε ε ηζρύο εμόδνπ είλαη: P o V 2 V V R R R om CC CC Σν DC ξεύκα εηζόδνπ είλαη ε κέζε ηηκή ηνπ i 1 (θ) θαη ζπλεπώο: I dc Icm 2 2 V R CC ελώ ε ηζρύο εηζόδνπ είλαη: VCC Pi VCC Idc R Ζ θαλνληθνπνηεκέλε ηθαλόηεηα ηζρύνο εμόδνπ P max θαζνξίδεηαη από ηελ θαλνληθνπνίεζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ, από ην πιάηνο ηεο ηάζεο V CC θαη ην πιάηνο ηνπ ξεύκαηνο 2V CC /πr θαη έρεη ηηκή P max = 1/π Δθόζνλ ε βάζε ελόο transistor ζα είλαη ζπλήζσο αλάζηξνθα πνισκέλε όηαλ ε ηάζε ζην ζπιιέθηε είλαη V CC, ε ηάζε ΒV CBR κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηνλ θαζνξηζκό ησλ νξίσλ ηάζεο ηνπ εμαξηήκαηνο. Ωζηόζν, κηα πην πξνζεθηηθή ζρεδίαζε πνπ ζα ιάβεη ππόςε ηεο ηελ πηζαλόηεηα εκθάληζεο κεηαβαηηθώλ θαηλνκέλσλ, ζα ρξεζηκνπνηήζεη ηελ ηάζε ΒV CBΟ σο θαζνξηζηηθή νξηαθή ηάζε. Ζ ζύγθξηζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ (P 0 ) θαη ηεο ηζρύνο εηζόδνπ (P i ) δείρλεη όηη ε απόδνζε είλαη 100%. Απηό είλαη αλακελόκελν, δεδνκέλνπ όηη ηα transistor έρνπλ κεδεληθή ηάζε όηαλ άγνπλ ξεύκα θαη κεδεληθό ξεύκα όηαλ έρνπλ κε κεδεληθή ηάζε. Ζ ηζρύο εμόδνπ κηαο ίδηαο θπθισκαηηθήο δηάηαμεο ε νπνία ιεηηνπξγεί ζηελ ηάμε Β είλαη ην 78.5% ηεο ηζρύνο εμόδνπ ηεο ηάμεο D θαη κπνξεί λα ζεσξεζεί όηη ζηελ ηάμε D κεηαθέξεηαη ηειηθά ζην θνξηίν ε ηζρύο πνπ ζα είρε θαηαλαισζεί ζε έλαλ αληίζηνηρν εληζρπηή ηάμεο Β. Γύν ζεκεία ζα πξέπεη λα επηζεκαλζνύλ ζηε ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή ηάμεο D. Πξώηνλ, όηη έλαο ππθλσηήο δηέιεπζεο (ν C b ζηελ εηθόλα 15α) ζα πξέπεη λα ηνπνζεηείηαη πάληνηε. Γηα επηπιένλ θηιηξάξηζκα κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί έλα 24

26 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ απνπληθηηθό πελίν ζηε γξακκή ηεο ηξνθνδνζίαο, αιιά δελ πξέπεη λα ζπλδεζεί κε ην Q 1 ρσξίο ηελ ύπαξμε ππθλσηή δηέιεπζεο, δεδνκέλνπ όηη ην ξεύκα πνπ πεξλάεη από ην Q 1 είλαη έλα ηκήκα κόλν ηνπ εκηηνλνεηδνύο ξεύκαηνο εμόδνπ. Γεύηεξνλ, είλαη πξνηηκόηεξν λα ρξεζηκνπνηεζεί θίιηξν ζεηξάο (ή θάπνην ηζνδύλακό ηνπ, όπσο ην Σ- δηθηύσκα), αληί γηα παξάιιειν (ή θάπνην ηζνδύλακό ηνπ, όπσο ην π-δηθηύσκα). Ζ δηαθνπηηθή ιεηηνπξγία ησλ Q 1 θαη Q 2 επηβάιεη κηα ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή ηάζεο, ελώ έλα παξάιιειν θίιηξν ζα ιεηηνπξγνύζε θαιύηεξα ζε εκηηνλνεηδή ηάζε. Γηα έλα απιό θίιηξν ζεηξάο έλαο ζπληειεζηήο Q ίζνο κε 5 απνηειεί έλαλ ηθαλνπνηεηηθό ζπκβηβαζκό αλάκεζα ζην πνζνζηό απόζβεζεο ησλ αξκνληθώλ ηνπ ξεύκαηνο θαη ζηηο απώιεηεο ηνπ πελίνπ. Δπηπιένλ κείσζε ησλ αξκνληθώλ (εθηόο απηήο πνπ επηηπγράλεηαη κε ην θίιηξν ζεηξάο) κπνξεί λα επηηεπρζεί ρξεζηκνπνηώληαο ηππνπνηεκέλα θίιηξα (όπσο απηά πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηνπο εληζρπηέο ηζρύνο ηάμεο Β) αλάκεζα ζην θίιηξν ζεηξάο θαη ην θνξηίν ςνδεζμολογία διακοπηικήρ ηάζηρ με μεηαζσημαηιζηή Μεηαζρεκαηηζηέο επξείαο δώλεο θαη κεζαίαο ιήςεο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ζηνπο εληζρπηέο ηάμεο D. Μηα ηέηνηα ζπλδεζκνινγία θαιείηαη "ζπλδεζκνινγία δηαθνπηηθήο ηάζεο κε κεηαζρεκαηηζηή" θαη κηα κνξθή ηεο δίλεηαη ζηελ εηθόλα 16. πσο θαη ζηνλ ζπκπιεξσκαηηθό εληζρπηή, ην ζήκα εηζόδνπ δηεγείξεη ηα Q 1 θαη Q 2 ελαιιαθηηθά. Καηά ηε δηάξθεηα ηεο κηζήο πεξηόδνπ όηαλ ην Q 2 άγεη, ν ζπιιέθηεο ηνπ έρεη σ C2 (θ) = 0. Απηό ζέηεη έλα δπλακηθό V CC ζην κηζό ζπείξσκα ηνπ πξσηεύνληνο ηνπ κεηαζρεκαηηζηή, ην νπνίν κεηαθέξεηαη ζην δεπηεξεύνλ κε ιόγν (n/m). ηαλ ην Q 1 άγεη, ε ηάζε V CC κεηαθέξεηαη ζην άιιν κηζό ηνπ πξσηεύνληνο, ζηέιλνληαο ζην δεπηεξεύνλ ηάζε (n/m)v CC. Έηζη, ε ηάζε ηνπ δεπηεξεύνληνο είλαη κηα ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή: ( ) n ( ) m V s CC θαη ε ηάζε ζηνπο ζπιιέθηεο είλαη κηα ηεηξαγσληθή θπκαηνκνξθή κε ηηκέο 0 θαη 2V CC. Ζ ζεκειηώδεο ζπρλόηεηα ηεο σ(θ) δίλεη ηελ ηάζε εμόδνπ πνπ είλαη V om =(4/π)(n/m)V CC. Οπόηε ε ηζρύο εμόδνπ είλαη: VCC 8 VCC Po m n R R 2 o όπνπ R = (m 2 /n 2 )R o είλαη ε αληίζηαζε ζηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα όπσο θαίλεηαη ζην έλα πξσηεύνλ ηύιηγκα ηνπ κεηαζρεκαηηζηή Τ 1 (όηαλ ην άιιν πξσηεύνλ ηνπ κεηαζρεκαηηζηή είλαη αλνηθηό). 25

27 Κεφάλαιο 2 Εικόνα 16 - Ενιςχυτισ τάξθσ D διακοπτικισ τάςθσ με μεταςχθματιςτι: α) κφκλωμα, β) κυματομορφζσ Γεδνκέλνπ όηη ην κηζό ηνπ πξσηεύνληνο ηπιίγκαηνο είλαη πάληα αλνηθηό, ην κεηαζρεκαηηζκέλν ξεύκα εμόδνπ πξέπεη λα δηέιζεη από εθείλν ην ζπείξσκα πνπ είλαη γεησκέλν από ην transistor πνπ άγεη ηε ζπγθεθξηκέλε ρξνληθή ζηηγκή. Δπνκέλσο ηα ξεύκαηα ζηνπο ζπιιέθηεο είλαη κηζά εκίηνλα ησλ νπνίσλ ην πιάηνο είλαη 4V CC /πr. Σν ξεύκα πνπ δηέξρεηαη από ηε κεζαία ιήςε είλαη ην άζξνηζκα ησλ δύν ξεπκάησλ ησλ ζπιιεθηώλ, νπόηε ην DC ξεύκα εηζόδνπ είλαη: 26

28 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ I dc 8 2 V R CC ην νπνίν θαηαιήγεη λα δίλεη ηζρύ εηζόδνπ ίζε κε ηελ ηζρύ εμόδνπ θαη απόδνζε 100%. Ζ ηηκή ηεο θαλνληθνπνηεκέλεο ηθαλόηεηαο ηζρύνο εμόδνπ είλαη P max = 1/π όπσο θαη ζηνλ ζπκπιεξσκαηηθό εληζρπηή ςνδεζμολογία διακοπηικού πεύμαηορ με μεηαζσημαηιζηή Ο εληζρπηήο ηάμεο D δηαθνπηηθνύ ξεύκαηνο (εηθόλα 17) είλαη ν αληίζηνηρνο δηηηόο ηνπ εληζρπηή ηάμεο D δηαθνπηηθήο ηάζεο, αθνύ έρνπλ αληηκεηαηεζεί νη θπκαηνκνξθέο ηάζεο θαη ξεύκαηνο. πσο θαη ζηνλ πξνεγνύκελν εληζρπηή, ηα transistor άγνπλ κε δηαθνξά θάζεο 180 ν. Σν απνπληθηηθό πελίν RFC ζηελ DC γξακκή ηξνθνδνζίαο δεκηνπξγεί έλα ζηαζεξό ξεύκα Η dc ζηε κεζαία ιήςε ηνπ κεηαζρεκαηηζηή. πνην από ηα transistor Q 1 ή Q 2 άγεη ζε κηα ζπγθεθξηκέλε ρξνληθή ζηηγκή δηαξξέεηαη από όιν ην dc ξεύκα εηζόδνπ, κε απνηέιεζκα ηελ εκθάληζε ζηνπο ζπιιέθηεο ξεπκάησλ ηεηξαγσληθήο θπκαηνκνξθήο κε ηηκέο 0 θαη Η dc. Ο κεηαζρεκαηηζκόο από ην κηζό ηνπ πξσηεύνληνο ηπιίγκαηνο ζην δεπηεξεύνλ παξάγεη έλα ξεύκα ηεηξαγσληθήο κνξθήο i(θ): m i n I s 4 m ( ) n I dc ( ) dc(sin sin 3...) Σν παξάιιειν θίιηξν ζηελ έμνδν γεηώλεη όιεο ηηο αξκνληθέο ηνπ i(θ) θαη επηηξέπεη κόλν ζηελ ζεκειηώδε ζπρλόηεηα λα θηάζεη ζην θνξηίν. Ζ ζεκειηώδεο ζπρλόηεηα m παξάγεη ζηελ έμνδν κηα ηάζε κε πιάηνο V n I R om 4 dc o. Απηή ε ηάζε κεηαζρεκαηίδεηαη ζην πξσηεύνλ ηύιηγκα, όπνπ παξάγνληαη δύν ηάζεηο ζπιιέθηε κηζνύ εκίηνλνπ κε πιάηνο ηάζεο: n c om dc o m V 8 I R max 2 Δθόζνλ ε ηάζε σ CT (θ) ζηε κεζαία ιήςε είλαη ην εκηάζξνηζκα ησλ ηάζεσλ ζηνπο δύν ζπιιέθηεο, ζα έρεη κνξθή πιήξνπο αλόξζσζεο. Δπεηδή δελ ππάξρεη ζπλερήο ηάζε ζηα άθξα ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ, ε κέγηζηε ηηκή ηεο σ CT (θ) ζα είλαη πv CC /2, νπόηε ε κέγηζηε ηηκή ησλ ηάζεσλ ζηνπο ζπιιέθηεο ζα είλαη πv CC. Ζ ηηκή απηή θαζνξίδεη ηελ ηάζε εμόδνπ (δνζέλησλ ησλ m θαη n) θαζώο θαη ην DC ξεύκα εηζόδνπ: I dc 2 8 V R CC 27

29 Κεφάλαιο 2 Οη ηζρύο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ζα είλαη: P o VCC Pi R Εικόνα 17 - Ενιςχυτισ τάξθσ D διακοπτικοφ ρεφματοσ με μεταςχθματιςτι: α) κφκλωμα, β) κυματομορφζσ Αλ θαη ε ηζρύο εμόδνπ δελ είλαη ίδηα, όπσο ζηελ πεξίπησζε ηεο ζπλδεζκνινγίαο δηαθνπηηθήο ηάζεο κε κεηαζρεκαηηζηή, ε ηηκή P max = 1/π είλαη ε ίδηα. Έηζη, ε επηινγή ηεο ζπλδεζκνινγίαο εμαξηάηαη από ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο, ην θνξηίν θαη ηε ζπρλόηεηα ηεο ιεηηνπξγίαο (εθόζνλ ηα transistor πξέπεη λα άγνπλ ηαρύηεξα κε ξεύκα ζπιιέθηε ηεηξαγσληθήο κνξθήο). 28

30 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ 2.5 Σάξη E Διζαγυγή Ο εληζρπηήο ηζρύνο ηάμεο Δ πεξηιακβάλεη έλα κόλν transistor πνπ ιεηηνπξγεί ζαλ δηαθόπηεο θαη είλαη ζπλδεδεκέλν ζε παζεηηθό θνξηίν (εηθόλα 18). Σν ειάρηζην ζύζηεκα θνξηίνπ απνηειείηαη από έλα θίιηξν ζεηξάο (L o C o ) αλάκεζα ζην θνξηίν θαη ζην ζπιιέθηε θαη κηα ρσξεηηθόηεηα C πνπ ζπλδέεη ηνλ ζπιιέθηε ζηε γε. Ζ ρσξεηηθόηεηα C απνηειείηαη από ηελ εζσηεξηθή ηζνδύλακε ρσξεηηθόηεηα C 1 ηνπ transistor θαη ηελ ρσξεηηθόηεηα C 2 πνπ ζπλδέεηαη εμσηεξηθά θαη απνηειεί ζηνηρείν ηνπ εληζρπηή Λειηοςπγία και ανάλςζη Ζ ιεηηνπξγία ελόο εληζρπηή ηάμεο Δ κπνξεί λα αλαιπζεί θάλνληαο ηέζζεξηο ππνζέζεηο ζρεηηθά κε ην θύθισκα: Σν απνπληθηηθό πελίν RFC έρεη αξθεηά κεγάιε αληίδξαζε, έηζη ώζηε ην ξεύκα Ηdc πνπ ην δηαξξέεη λα είλαη ζηαζεξό. Σν Q ηνπ θίιηξνπ εμόδνπ (Lo Co) είλαη αξθεηά κεγάιν, ώζηε ην ξεύκα εμόδνπ (θαη ζπλεπώο θαη ε ηάζε εμόδνπ) λα είλαη εκηηνλνεηδέο. Σν transistor Q1 ιεηηνπξγεί σο δηαθόπηεο S πνπ είλαη γεληθά είηε θιεηζηόο (αγώγηκνο-ον) κε κεδεληθή ηάζε ζηα άθξα ηνπ, είηε αλνηρηόο (OFF) κε κεδεληθό ξεύκα, εθηόο από πνιύ κηθξά ρξνληθά δηαζηήκαηα πνπ δηαξθνύλ ηα κεηαβαηηθά θαηλόκελα αιιαγήο ησλ θαηαζηάζεσλ. Ζ ρσξεηηθόηεηα C είλαη αλεμάξηεηε ηεο ηάζεο, δειαδή δελ ππάξρνπλ θαηλόκελα ηύπνπ varactor. Απηέο νη ππνζέζεηο είλαη παξόκνηεο κε εθείλεο πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη γηα ηελ αλάιπζε άιισλ εληζρπηώλ ηζρύνο θαη νδεγνύλ ζην ηζνδύλακν θύθισκα ηεο εηθόλαο 18. ηαλ ν δηαθόπηεο S είλαη θιεηζηόο (ΟΝ), ε ηάζε ζπιιέθηε είλαη σ C (θ)=0, νπόηε ην ξεύκα i C (θ) ηνπ ππθλσηή C είλαη κεδέλ θαη ην ξεύκα ηνπ ζπιιέθηε i S (ζ) είλαη i S (θ)=i dc i o (θ). ηαλ ν δηαθόπηεο S είλαη αλνηρηόο (OFF), ην ξεύκα ηνπ ζπιιέθηε i S (ζ) είλαη κεδέλ θαη ην ξεύκα i C (ζ) ηνπ ππθλσηή C είλαη i C (θ)=i dc i o (θ). Ζ θπκαηνκνξθή ηεο ηάζεο ζπιιέθηε πξνθύπηεη από ηελ θόξηηζε ηνπ ππθλσηή δηέιεπζεο C. ηαλ ν δηαθόπηεο S αιιάδεη από αλνηθηόο (OFF) ζε θιεηζηόο (ΟΝ), ν ππθλσηήο C εμαλαγθάδεηαη ζε ζηηγκηαία εθθόξηηζε, αιιά νη θπκαηνκνξθέο εθθόξηηζεο δελ έρνπλ ηδηαίηεξε ζεκαζία, δεδνκέλνπ όηη ε ζπλνιηθή ελέξγεηα εμαξηάηαη κόλν από ηελ ρσξεηηθόηεηα θαη ηελ ηάζε ζηα άθξα ηεο πξηλ από ηελ εθθόξηηζε. Ο πξνζδηνξηζκόο ησλ θπκαηνκνξθώλ ηάζεο θαη ξεύκαηνο ελόο εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ είλαη δπζθνιόηεξνο από όηη ζε εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο D, αθνύ θακία θπκαηνκνξθή δελ πξνζδηνξίδεηαη επαθξηβώο θαηά ηελ δηάξθεηα κηαο πεξηόδνπ RF. Ζ ηηκή ηνπ ζπλερνύο ξεύκαηνο εηζόδνπ I dc θαζώο θαη ην πιάηνο I om =V om /R θαη ε θάζε θ 29

31 Κεφάλαιο 2 ηνπ ξεύκαηνο εμόδνπ RF θαζνξίδνπλ ηηο παξακέηξνπο ηεο θπκαηνκνξθήο ηάζεο ζπιιέθηε σ C (θ) όηαλ ν δηαθόπηεο είλαη αλνηθηόο (OFF). Εικόνα 18 - χθματικό και ιςοδφναμο κφκλωμα ενιςχυτι τάξθσ Ε Ζ ηάζε ζπιιέθηε δίλεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε: I dc Vom Vom C ( ) y sin( y) cos( ) B 2 BR BR όπνπ ην 2y είλαη ε δηάξθεηα πνπ ν S είλαη αλνηρηόο (OFF) εθθξαζκέλν ζε rad (εηθόλα 20) θαη ην Β=2πCf είλαη ε αγσγηκόηεηα ηνπ ππθλσηή δηέιεπζεο C ζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο f. Ο όξνο ηεο ηάζεο σ C (θ) ζηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα είλαη ν σ 1 (θ) θαη εθαξκόδεηαη ζην θνξηίν R+jX γηα λα θαζνξηζηνύλ ηόζν ε ηζρύο όζν θαη ξεύκα θαη ε ηάζε εμόδνπ. Δπίζεο, ν DC όξνο ηεο θπκαηνκνξθήο ηεο ηάζεο ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη V CC. Ζ ηαπηόρξνλε επίιπζε ησλ εμηζώζεσλ πνπ πξνθύπηνπλ από ηνπο πεξηνξηζκνύο απηνύο θαζνξίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ γηα δεδνκέλα θπθισκαηηθά ζηνηρεία Β, Χ, R, V CC θαη θύθιν εξγαζίαο y. Ζ ππνινγηζηηθή δηαδηθαζία 30

32 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ δίλεηαη ζηελ εηθόλα 19. Οη πνζόηεηεο q 0, q 1, r 0, r 1, s 0, s 1, α 0, θαη α 1 ρξεζηκνπνηνύληαη γηα δηεπθόιπλζε ζηνπο ηύπνπο Βέληιζηη απόδοζη και ζσεδίαζη ια ηα θπθισκαηηθά ζηνηρεία ηνπ ηζνδύλακνπ εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ είλαη ζηελ ηδαληθή πεξίπησζε, ρσξίο απώιεηεο. Ο κνλαδηθόο κεραληζκόο απσιεηώλ είλαη ε εθθόξηηζε ηνπ ππθλσηή δηέιεπζεο όηαλ ν δηαθόπηεο κεηαβαίλεη από αλνηθηόο (OFF) ζε θιεηζηόο (ΟΝ). Αλ ηα θπθισκαηηθά ζηνηρεία επηιεγνύλ έηζη ώζηε ε ηάζε ζπιιέθηε λα θηάλεη ζην κεδέλ όηαλ ν S γίλεηαη αγώγηκνο (ΟΝ), ηόηε δελ ζα ππάξρεη απώιεηα ελέξγεηαο ζηελ εθθόξηηζε θαη ε απόδνζε (γηα ηδαληθά ζηνηρεία) ζα είλαη 100%. πλήζσο ππάξρεη έλα ζύλνιν ηηκώλ ησλ Β θαη Χ πνπ δίλνπλ απηή ηε ζπκπεξηθνξά γηα δνζκέλν θύθιν εξγαζίαο y. X tan( ) R X R q 2 y sin y sin 2 y cos y cos 2 sin y cos q BR y sin sin sin y cos y 2 r0 y cos 2 sin y sin sin y cos r sin y cos 2 s0 BR y sin sin sin y cos y 2 cos sin y 2 s1 2 sin sin y a q s q s q r q r a1 q0s0 q 1 r 0 a0 arctan( ) a g 1 1 om dc 1 2 R dc {[ 2 y 2 yg sin( y )] 2g sin sin y } I dc V [ 2 y sin sin y 2 y cos cos y 2 cos sin y ] I R [ 2 sin( y )sin y sin sin 2 y cos( 2 ) 2 y cos ] 1 2 B VCC R dc Rg V I Rg V om dc CC Rdc 2 Vom Po 2R 2 Po g R Pi 2 R dc Εικόνα 19 - Τπολογιςμοί παραμζτρων λειτουργίασ ςε ενιςχυτι τάξθσ Ε 31

33 Κεφάλαιο 2 Ζ βέιηηζηε ιεηηνπξγία ζε ηάμε Δ επηβάιεη έλαλ επηπιένλ πεξηνξηζκό ζηελ επηινγή ησλ Β θαη Χ: Ζ θιίζε dσ C (θ)/dθ ηεο θπκαηνκνξθήο ηεο ηάζεο ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη κεδέλ ηε ζηηγκή πνπ ν S ελεξγνπνηείηαη (ΟΝ). Απηό ζεκαίλεη όηη ην ξεύκα ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη κεδέλ ακέζσο κεηά ηελ ελεξγνπνίεζε ηνπ δηαθόπηε, όπσο θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 20. Δπεηδή ηόζν ε ηάζε όζν θαη ην ξεύκα ζπιιέθηε είλαη κεδέλ θαηά ηελ κεηάβαζε ηνπ S από ηε ζέζε αλνηθηόο (OFF) ζηε ζέζε θιεηζηόο, ε θαηαλάισζε ηζρύνο θαηά ηελ κεηάβαζε απηή είλαη ακειεηέα. Δπηπιένλ, ζηε βέιηηζηε ιεηηνπξγία ηνπ εληζρπηή ε επαηζζεζία ζε κηθξέο κεηαβνιέο ησλ θπθισκαηηθώλ ζηνηρείσλ, ηεο ζπρλόηεηαο θαη ηνπ θύθινπ εξγαζίαο είλαη κεησκέλε. Γηα ηνλ θαζνξηζκό ησλ ηηκώλ ησλ Β θαη Χ ώζηε λα επηηεπρζεί βέιηηζηε ιεηηνπξγία ζα πξέπεη ε σ C (θ) θαη ε παξάγσγνο ηεο dσ C (θ)/dθ λα είλαη κεδέλ γηα θ=π/2+y. Από απηό πξνθύπηεη θ= ο, Β=0.1836/R θαη Χ=1.152R. Ζ ηάζε θαη ε ηζρύο εμόδνπ ηόηε ζα είλαη: 2 Vom VCC V 2 CC 1 / 4 P o VCC V / 4 R R ελώ ην ξεύκα εηζόδνπ είλαη Ι dc = V CC /1.734R. Ζ κέγηζηε ηάζε ζπιιέθηε ζα είλαη 3.56V CC, ελώ ην κέγηζην ξεύκα ζπιιέθηε είλαη 2.86Ι dc. Απηό δίλεη θαλνληθνπνηεκέλε ηθαλόηεηα ηζρύνο εμόδνπ P max =0.0981, πνπ αληηζηνηρεί ζην 78% θαη ζην 62% ηεο P max ησλ εληζρπηώλ ηζρύνο ηάμεο Β θαη D, αληίζηνηρα. CC 32

34 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εικόνα 20 - Κυματομορφζσ ςε ενιςχυτι τάξθσ Ε Ππακηικά θέμαηα ςνηελεζηήρ ποιόηηηαρ Q ηος κςκλώμαηορ εξόδος: Οη παξαπάλσ ηηκέο ησλ Β θαη Χ νδεγνύλ ζηελ βέιηηζηε ιεηηνπξγία ζε ηάμε Δ όηαλ ην Q ηνπ θπθιώκαηνο εμόδνπ είλαη πνιύ πςειό. Οη ζπλήζεηο πξαθηηθέο ηηκέο ηνπ Q ζηελ πεξηνρή 3 έσο 10 επηηξέπνπλ νξηζκέλα αξκνληθά ξεύκαηα λα πεξάζνπλ, νπόηε, αλ θαη νη αξρέο ιεηηνπξγίαο δελ αιιάδνπλ, απηά ηα αξκνληθά ξεύκαηα κπνξεί λα έρνπλ ζαλ απνηέιεζκα ε θπκαηνκνξθή ηάζεο ζπιιέθηε είηε λα κε κεδελίδεηαη ή λα έρεη κε κεδεληθή θιίζε ζην ζεκείν ηεο κεηάβαζεο, εκπνδίδνληαο έηζη ηε βέιηηζηε ιεηηνπξγία ηάμεο Δ. Αλ ην Q θαζνξίδεηαη από ηελ επαγσγή L o δειαδή Q= ωl o /R, ηόηε ε βέιηηζηε ιεηηνπξγία κε Q< κπνξεί λα επηηεπρζεί ρξεζηκνπνηώληαο ηνπο παξαθάησ εκπεηξηθνύο ηύπνπο: Q X R Q

35 Κεφάλαιο 2 Q B ( 1 2 ) R Q 4 Παξακέλεη βέβαηα ζπρλά ε απαίηεζε γηα ρξήζε επηπιένλ θίιηξνπ κεηαμύ ηνπ C o θαη ηνπ θνξηίνπ R γηα ηνλ πεξαηηέξσ πεξηνξηζκό ησλ αξκνληθώλ ζην θνξηίν. Μεηαβολή ζςσνόηηηαρ. Σα απνηειέζκαηα ηεο κεηαβνιήο ηεο ζπρλόηεηαο κπνξνύλ λα πξνζδηνξηζηνύλ κε εθαξκνγή ησλ εμηζώζεσλ ηεο εηθόλαο 19 θαη είλαη γεληθά παξόκνηα κε απηά πνπ πξνθύπηνπλ θαη γηα άιινπο εληζρπηέο ηζρύνο. Γηα κεζαίεο θαη πςειέο ηηκέο ηνπ ζπληειεζηή Q ηνπ θπθιώκαηνο εμόδνπ, ην εύξνο δώλεο κεηαβάιιεηαη πεξίπνπ αληηζηξόθσο κε ην Q. Δίλαη όκσο δπλαηόλ λα επηηεπρζεί ιεηηνπξγία ζε εύξνο δώλεο κεγαιύηεξν ηεο κηαο νθηάβαο κε απόδνζε 95% ειαηηώλνληαο ην Q ηνπ θπθιώκαηνο L o C o ζην ειάρηζην θαη απνθόπηνληαο θαιύηεξα ηα ξεύκαηα ησλ αξκνληθώλ κε ηελ παξεκβνιή ελόο θίιηξνπ αλάκεζα ζηνλ C o θαη ην θνξηίν R. Σάζη και ανηίζηαζη κόπος. Οη επηδξάζεηο ηεο ηάζεο θνξεζκνύ ησλ δηπνιηθώλ transistors θαζνξίδνληαη ρξεζηκνπνηώληαο ηελ V eff = V CC V sat αληί ηεο V CC ζε όινπο ηνπο ππνινγηζκνύο εθηόο ηεο ηζρύνο εηζόδνπ. Οη απώιεηεο ιόγσ ηεο αληίζηαζεο R on ελόο transistor FET κπνξνύλ λα εθηηκεζνύλ ππνζέηνληαο όηη ηα απνηειέζκαηά ηεο επί ηεο ζπλνιηθήο θπθισκαηηθήο ιεηηνπξγίαο είλαη κηθξά θαη νινθιεξώλνληαο ην i 2 S (θ) R ζηε ρξνληθή πεξίνδν πνπ ην FET άγεη. Ζ πξνζέγγηζε απηή νδεγεί ζηελ παξαθάησ ηηκή V eff : R V R R V eff DD γηα θύθιν ιεηηνπξγίαο 50%. Υπόνορ μεηάβαζηρ. Ζ βέιηηζηε ιεηηνπξγία ζηελ ηάμε Δ ειαηηώλεη ηελ απώιεηα ηζρύνο ζηηο κεηαβάζεηο ON-OFF ηνπ transistor ζε ακειεηέα επίπεδα. Ζ απώιεηα απηή ηζρύνο κπνξεί λα εθηηκεζεί ππνζέηνληαο γξακκηθή κείσζε ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε ζηε δηάξθεηα ηεο κεηάβαζεο. Ζ νινθιήξσζε ηνπ γηλνκέλνπ ηάζεο-ξεύκαηνο δίλεη 2 απώιεηα ηζρύνο P dt = (1/12)θ S P o, όπνπ θ S είλαη ν ρξόλνο κεηάβαζεο εθθξαζκέλνο ζε rad. πλεπώο ε απόδνζε ζα είλαη: S 12 Ζ κείσζε απηή ηεο απόδνζεο ζα πξέπεη λα ζπλδπαζηεί θαη κε ηνπο άιινπο παξάγνληεο πνπ πξνθαινύλ αληίζηνηρεο κεηώζεηο, ώζηε λα βξεζεί ε ηειηθή πξαθηηθή απόδνζε ηνπ εληζρπηή. on 34

36 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ 2.6 Σάξη F Διζαγυγή ηε ζύγρξνλε βηβιηνγξαθία ζπλεζίδεηαη λα αληηκεησπίδνπκε ηνπο εληζρπηέο ηάμεο F σο κηα θαηεγνξία εληζρπηώλ πνπ απνηειείηαη από 3 ππνθαηεγνξίεο. Έηζη έρνπκε ηνπο εληζρπηέο ηάμεο F 1, F 2 θαη F Δνιζσςηήρ ηάξηρ F 1 Σν εμσηεξηθό θίιηξν ελόο εληζρπηή ηάμεο F 1 ζπληνλίδεηαη ζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο θαη ηαπηόρξνλα ζε κία από ηηο αξκνληθέο, ζπλήζσο κε ηε δεύηεξε ή ηελ ηξίηε. Ζ βαζηθόηεξε βέβαηα δηάηαμε πνπ απαληάηαη θαη ζην κεγαιύηεξν κέξνο ηεο βηβιηνγξαθίαο είλαη ε δηάηαμε ζηελ νπνία ην θίιηξν ηεο εληζρπηηθήο δηάηαμεο βξίζθεηαη ζπληνληζκέλν ζηελ ηξίηε αξκνληθή ζπρλόηεηα (εηθόλα 21). ηελ εληζρπηηθή δηάηαμε ηάμεο F 1 έρνπκε γσλία αγσγηκόηεηαο 2θ c =180. Εικόνα 21 Φίλτρο ςυντονιςμζνο ςτθν 3 θ αρμονικι Εικόνα 22 Κυματομορφζσ τθσ διάταξθσ Ζ απόδνζε πνπ δύλαηαη λα πεηύρεη ν πξναλαθεξζείο εληζρπηήο είλαη κεγαιύηεξε από ηνπο εληζρπηέο ηάμεσλ B θαη C θαη απηό δηόηη ε παξνπζία ηεο ηξίηεο αξκνληθήο κπνξεί λα κεηώζεη ην πιάηνο ηεο θπκαηνκνξθήο ηεο ηάζεο ηνπ ζπιιέθηε. Ζ θύξηα θπκαηνκνξθή κεηώλεηαη αηζζεηά αλ ε ηξίηε αξκνληθή έρεη 180 δηαθνξά θάζεο από ηε ζεκειηώδε ζπληζηώζα. πκπεξαζκαηηθά ηζρύεη: 35

37 Κεφάλαιο 2 θαη υ 0 θ = V 0 cos θ και υ 3 θ = V 3 cos 3θ υ θ = V dc + V 0 cos θ V 3 cos 3θ = V dc + V 0 cos θ x cos 3θ, όπου x = V 3 V 0 > 0 Ζ βέιηηζηε ηηκή γηα ην x δίλεηαη γηα sin θ = 0 ή γηα sin θ = ± 9x 1 12x. Αλαιύνληαο ηα απνηειέζκαηα παξαηεξνύκε όηη ε ηάζε ζην ζπιιέθηε γίλεηαη ειάρηζηε γηα x = 1 9. Δπεηδή ε ηάζε ζπιιέθηε κπνξεί λα πάξεη ηηκέο εύξνπο 2V dc, ην κέγηζην πιάηνο ηεο ηάζεο ηνπ ζπιιέθηε ζα είλαη V 0 = 9 8 V dc θαη ζπκπεξαζκαηηθά γηα ηελ ηζρύ ζηελ έμνδν ζα ηζρύεη: P 0 = V 0 2 2R = V 2 dc R V 2 dc R (27% μεγαλύτερο από το P 0,B τάξησ ) Αληίζηνηρα κε ηηο εμηζώζεηο ηάζεσλ θαη ηζρύσλ έρνπκε θαη ηηο ζρέζεηο πνπ καο δίλνπλ ηηκέο γηα ην πιάηνο ηνπ ξεύκαηνο ζπιιέθηε Ι Μ θαη ην DC ξεύκα εηζόδνπ Ι dc : I M = V 0 R = 9 V dc 8 R και I dc = 2 π I M = 9 V dc 4π R Σειηθά ε απόδνζε ζην ζπιιέθηε θαη ε γεληθή απόδνζε δίλνληαη από ηηο αθόινπζεο ζρέζεηο: η = P 0 = P 0 = 9π P dc V dc I dc % θαη C p = P 0 2V dc I M = % μεγαλύτερο από το C p,β τάξησ Γηα ην αληίζηνηρν θύθισκα ην νπνίν έρεη θίιηξν ζπληνληζκέλν ζηε δεύηεξε αξκνληθή ηζρύνπλ νη παξαθάησ ζρέζεηο κεηά από πξάμεηο παξόκνηεο κε ηηο παξαπάλσ. P 0 = 8 9 V dc 2 R, η = 8 3π 84.88% και C p = 1 2π Δνιζσςηήρ ηάξηρ F 2 Αλ ήηαλ δπλαηόλ λα ζπλδέζνπκε ζηελ έμνδν, ζε ζεηξά, θπθιώκαηα ηα νπνία ζα είλαη ζπληνληζκέλα ζε θάζε αξκνληθή, ηόηε ππνζεηηθά ε απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο ζα πξνζέγγηδε ην άπεηξν (η ). Απηό ην ζεσξεηηθό ζύζηεκα θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 23. Ζ πξαθηηθά εθαξκόζηκε δηάηαμε παξνπζηάδεηαη ζηελ εηθόλα 24, ζηελ νπνία 36

38 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ θαίλεηαη έλα ππνθύθισκα απνηεινύκελν από ηέζζεξα θίιηξα ζπληνληζκέλα ζε αληίζηνηρν αξηζκό αξκνληθώλ. Εικόνα 23 Διάταξθ ενιςχυτι τάξθσ F 2 Εικόνα 24 υμπτυγμζνθ διάταξθ ενιςχυτι τάξθσ F 2 Γηα ηε ζπγθεθξηκέλε δηάηαμε, θαζώο θαη γηα ηηο ππόινηπεο έρνπλ γίλεη θάπνηεο αξρηθέο παξαδνρέο θαζόζνλ ηα πξαγκαηηθά θπθιώκαηα εκθαλίδνπλ απνθιίζεηο ζε πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο. Οη ζπγθεθξηκέλεο ππνζέζεηο κπνξνύλ λα ζπλνςηζηνύλ ζηηο παξαθάησ: Σα παζεηηθά ζηνηρεία ζεσξνύληαη ηδαληθά. Ζ ζύλζεηε αληίζηαζε ζηε γξακκή εμόδνπ είλαη ε Z 0. Σν ελεξγό ζηνηρείν (transistor) αληηκεησπίδεηαη σο ηδαληθόο δηαθόπηεο. Σν θίιηξν LC ζεσξείηαη ηδαληθό (παξνπζηάδεη άπεηξε ζύλζεηε αληίζηαζε ζηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα θαη κεδεληθή ζύλζεηε αληίζηαζε ζε νηαδήπνηε άιιε πεξίπησζε). Θεσξνύκε όηη ζηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα ε ζύλζεηε αληίζηαζε θνξηίνπ είλαη ε R. Ζ ζύλζεηε αληίζηαζε γξακκήο (ε R in πνπ βιέπεη ην transistor) ζα δίλεηαη από ηε ζρέζε: R in = Z 0 2 R. Γηα ηηο αξκνληθέο ζπληζηώζεο ε ζύλζεηε αληίζηαζε θνξηίνπ ηεο γξακκήο είλαη κεδεληθή. Γηα νπνηαδήπνηε πεξηηηή αξκνληθή, ην ειεθηξηθό κήθνο ηεο γξακκήο κεηαθνξάο είλαη πεξηηηόο αθέξαηνο αξηζκόο, πνιιαπιάζηνο ηνπ ι/4 θαη ε ζύλζεηε αληίζηαζε εηζόδνπ ηεο γξακκήο ηείλεη ζην άπεηξν (R in ). Γηα νηαδήπνηε άξηηα αξκνληθή ην ειεθηξηθό κήθνο ηεο γξακκήο κεηαθνξάο είλαη αθέξαηνο αξηζκόο, πνιιαπιάζηνο ηνπ ι/2 θαη ε ζύλζεηε αληίζηαζε εηζόδνπ ηεο γξακκήο ηείλεη ζην 37

39 Κεφάλαιο 2 κεδέλ (R in 0). πσο θαίλεηαη θαη ζηελ εηθόλα 25, απηέο νη ππνζέζεηο νδεγνύλ ζε δύν ζεκαληηθέο παξαηεξήζεηο: Ζ ηάζε ζπιιέθηε π απνηειείηαη από ηε DC ζπληζηώζα, ηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα θαη από πεξηηηέο αξκνληθέο. πκπεξαζκαηηθά, αθνύ ε DC ζπληζηώζα ηεο π είλαη ε V dc θαη ηζρύεη υ = 0 ζηελ ελεξγό πεξηνρή (π < θ < 2π), ε ηάζε ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη υ = 2V dc ζηελ απνθνπή (0 < θ < π). Σν ξεύκα ζπιιέθηε i απνηειείηαη από DC ζπληζηώζα, ηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα θαη από άξηηεο αξκνληθέο. Αθνύ ην i είλαη κεδέλ (i = 0) θαηά ηελ απνθνπή (0 < θ < π), ην ξεύκα ζπιιέθηε πξέπεη λα είλαη κηζό εκίηνλν όηαλ ην transistor βξίζθεηαη ζηελ ελεξγό πεξηνρή (π < θ < 2π). Εικόνα 25 Κυματομορφζσ τάςθσ - ρευμάτων Δλδεηθηηθά, γηα ηελ άλσζελ πεξηγξαθείζα δηάηαμε ηζρύνπλ νη αθόινπζνη ηύπνη: υ θ = 2V dc, 0 < θ < π 0, π < θ < 2π θαη ε αλάιπζή ηεο ζε ζεηξά Fourier δίλεη ηελ παξαθάησ παξάζηαζε: υ θ = V dc π n=0 sin (2n + 1)θ 2n + 1 Αληίζηνηρα, ην ξεύκα i 0 (θ) θαη ε ηζρύο εμόδνπ P 0 δίλνληαη από ηηο αθόινπζεο ζρέζεηο: i 0 θ = Ι 0 sin(θ π 2 ) = 4 V dc sin(θ π π Z 0 2 ) P 0 = I2 2 R = 8 π 2 V 2 dc = 8 R in π 2 2 V dc 2 Z 0 R V dc 2 Z 0 R Σειηθά γηα ηηο DC ζπληζηώζεο I dc θαη P dc θαζώο θαη γηα ηελ απόδνζε ζπιιέθηε η θαη ηελ απόδνζε C p, παξαηίζεληαη νη παξαθάησ ηζρύνπζεο παξαζηάζεηο: 38

40 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ I dc = i(θ) = 2 π I = 8 π 2 V dc Z 0 2 R P dc = V dc I dc = 8 π 2 2 V dc 2 Z 0 R = P 0 η = P 0 P dc = 100% και C p = P 0 2V dc 2I = 1 2π Δνιζσςηήρ ηάξηρ F 3 Ζ πεξηγξαθή γηα ηνπο εληζρπηέο ηάμεο F 3 δε ζα είλαη εθηελήο. Ζ βαζηθή δηάηαμε ηεο ζπγθεθξηκέλεο ππνθαηεγνξίαο εληζρπηώλ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 26. Σν ζπγθεθξηκέλν θύθισκα είλαη νπζηαζηηθά έλαο εληζρπηήο ηάμεο E πςειόηεξεο ηάμεο κε θάπνηα ηδηαίηεξα ραξαθηεξηζηηθά ηα νπνία αλαθέξνληαη ζηε ζπλέρεηα: Σν ελεξγό ζηνηρείν ζπκπεξηθέξεηαη σο δηαθόπηεο κε duty ratio 50%. Ζ ζπρλόηεηα ζπληνληζκνύ ηνπ θίιηξνπ L 0, C 0 είλαη παξεκθεξήο κε ηε δηαθνπηηθή ζπρλόηεηα. Σν θίιηξν L 3, C 3 είλαη ζπληνληζκέλν ζηελ 3ε αξκνληθή ζπληζηώζα. Ζ ρσξεηηθόηεηα C απνξξνθά ηελ εμσηεξηθή ρσξεηηθόηεηα ηνπ transistor. Σν ζπγθεθξηκέλν θύθισκα είλαη ζρεδηαζκέλν λα ηθαλνπνηεί ηηο δηαθνπηηθέο ζπλζήθεο ελόο εληζρπηή ηάμεο Δ πνπ δίλνληαη από ηνπο ηύπνπο: υ θ = 0 και dυ (θ) dθ ζ=ζ2 = 0 πκπεξαζκαηηθά, όια ηα πιενλεθηήκαηα πνπ αλαδύνληαη από ηνπο εληζρπηέο ηάμεο Δ, εκθαλίδνληαη θαη ζηνπο εληζρπηέο ηάμεο F 3. Με ην εμσηεξηθό θίιηξν πνπ ρξεζηκνπνηείηαη επηηπγράλεηαη κείσζε ηεο ζηάζκεο ηεο ηάζεο ηνπ ζπιιέθηε θαη ηαπηόρξνλε αύμεζε ηεο ιακβαλόκελεο εμσηεξηθήο ηζρύνο. Παξάιιεια βέβαηα, ε πνιππινθόηεηα ηνπ θπθιώκαηνο θέξλεη ην κειεηεηή Μεραληθό αληηκέησπν κε δηάθνξα πξνβιήκαηα ηα νπνία αθνξνύλ θπξίσο ζηνλ έιεγρν ησλ απσιεηώλ ηνπ θπθιώκαηνο. Εικόνα 26 - Διάταξθ ενιςχυτι τάξθσ F 3 39

41 Κεφάλαιο ύγκπιζη ηυν ηάξευν Σα ζρέδηα ησλ εληζρπηώλ θαηεγνξηνπνηνύληαη από ηελ πςειήο γξακκηθόηεηαο ηάμε Α έσο θαη ηηο πςειήο απόδνζεο ηάμεηο Δ θαη F. Τπάξρεη έλαο πξνθαλήο ζπκβηβαζκόο ζηα δηάθνξα ζηνηρεία θαζώο πεξλνύκε από ηε κία ηάμε ζηελ επόκελε. Παξαθάησ παξνπζηάδεηαη έλαο πίλαθαο πνπ ζπλνςίδεη όζα πξναλαθέξζεθαλ γηα ηηο δηάθνξεο ηάμεηο ησλ εληζρπηώλ ηζρύσλ: ύλνςε ησλ ηάμεσλ Σάμε Α Ζ πεξηζζόηεξν γξακκηθή, κέγηζηε απόδνζε 50%. Σάμε Β Πεξηζζόηεξν κε-γξακκηθή, κέγηζηε απόδνζε 75%. Σάμε C ε κεγάιν βαζκό κε-γξακκηθή, κέγηζηε απόδνζε 85%. Σάμεηο D/E/F Γηαθνπηηθνί, κέγηζηε απόδνζε 85% - 95%. Σέινο, ζηελ εηθόλα 27 παξνπζηάδεηαη ε ζύγθξηζε ησλ θπκαηνκνξθώλ πνπ ραξαθηεξίδνπλ ηελ θάζε ηάμε εληζρπηή. 40

42 Αναςκόπθςθ των τάξεων των ενιςχυτϊν ιςχφοσ Εικόνα 27 φγκριςθ των κυματομορφϊν των τάξεων 41

43 Κεφάλαιο 3 Κεθάλαιο 3 ςμπληπυμαηικέρ έννοιερ 3.1 Πηνία Σα πελία απνηεινύλ βαζηθό ζηνηρείν ζηε κνλνιηζηθή RF ζρεδίαζε. Ζ ρξήζε πνηνηηθώλ πελίσλ βνεζά ζεκαληηθά ζηνλ αθξηβέζηεξν έιεγρν ησλ ππνινίπσλ παξακέηξσλ ηεο ζρεδίαζεο. Ωζηόζν, πελία πςειήο πνηόηεηαο είλαη δύζθνιν λα πινπνηεζνύλ ζηε CMOS ηερλνινγία ιόγσ ησλ παξαζηηηθώλ απσιεηώλ. Γηα απηό ην ιόγν ζηελ RF ζρεδίαζε κηθηνύ ζήκαηνο, ππάξρεη δηαζέζηκε ε επηινγή ελόο παρύηεξνπ επηθαλεηαθνύ ζηξώκαηνο κεηάιινπ πξνθεηκέλνπ λα πινπνηνύληαη ελζσκαησκέλα πελία κε ζεκαληηθά πςειόηεξνπο ζπληειεζηέο πνηόηεηαο από όηη ζηηο ζπλήζεηο ινγηθέο ζρεδηάζεηο. Εικόνα 28 Συπικό ςπειροειδζσ πθνίο Παξάκεηξνη πνπ αθνξνύλ ηε ηερλνινγία θαη ηε ζρεδίαζε ρξεηάδνληαη πξνθεηκέλνπ λα κνληεινπνηεζνύλ ελζσκαησκέλα πελία. Οη παξάκεηξνη πνπ αθνξνύλ ηε ηερλνινγία πεξηιακβάλνπλ ην πάρνο νμεηδίνπ, ην πάρνο ησλ κεηάιισλ, ηε δηαπεξαηόηεηα, ην βάζνο θαη ηελ αληίζηαζε ππνζηξώκαηνο. Οη παξάκεηξνη πνπ αθνξνύλ ηε ζρεδίαζε πεξηιακβάλνπλ ην πάρνο ηνπ κεηάιινπ, ηνλ αξηζκό ησλ πεξηειίμεσλ, ηελ απόζηαζε από ην θέληξν θαη ηελ απόζηαζε κεηαμύ ησλ γξακκώλ κεηάιινπ. Οη ηύπνη επίπεδσλ πελίσλ πνπ ζπλαληώληαη πεξηζζόηεξν είλαη ν ηεηξαγσληθόο, ν εμαγσληθόο, ν νθηαγσληθόο, θαη ν θπθιηθόο ζπεηξνεηδήο. Λόγσ ηνπ κηθξόηεξνπ ζπλερνύο ξεύκαηνο θαη ησλ ξεπκάησλ Φνπθώ, ηα θπθιηθά ζπεηξνεηδή πελία έρνπλ ηνπο θαιύηεξνπο ζπληειεζηέο πνηόηεηαο, ελώ ηα ηεηξαγσληθά είλαη ηα απινύζηεξα ζηε θαηαζθεπή. 42

44 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Έλα ηππηθό π-κνληέιν θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 29. Σν ελ ιόγσ κνληέιν ρξεζηκνπνηείηαη επξύηαηα πξνθεηκέλνπ λα πξνζνκνηώζεη ηελ απόδνζε ησλ ελζσκαησκέλσλ πελίσλ. Απνηειεί επίζεο θαη ην κνληέιν πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζην Cadence Virtuoso. ε απηό ην κνληέιν L s είλαη ε επαγσγή ηνπ ζηνηρείνπ, R s, C p, θαη C ox είλαη ηα παξαζηηηθά κεγέζε ηεο ηερλνινγίαο θαη R Sub θαη C Sub νη απώιεηεο ππνζηξώκαηνο. Εικόνα 29 Συπικό π-μοντζλο Οη παξάκεηξνη ησλ κνληέισλ γηα έλα ηεηξαγσληθό επίπεδν (δηζδηάζηαην) πελίν n- πεξηειίμεσλ κπνξνύλ λα εθηηκεζνύλ αθνινπζώληαο ηηο παξαθάησ εμηζώζεηο. όπνπ κ 0 : ε δηαπεξαηόηεηα ηνπ θελνύ 4π 10 7 H/m. ζ: ε αγσγηκόηεηα ηνπ κεηάιινπ. δ: ην επηδεξκηθό θαηλόκελν πνπ πξνθύπηεη από ηνλ ηύπν δ = 2 ωμ 0 ς. G sub0, C sub0 : παξάκεηξνη πνπ εμαξηώληαη από ηελ ηερλνινγία. 43

45 Κεφάλαιο 3 Γύν βαζηθνί δείθηεο είλαη ν ζπληειεζηήο πνηόηεηαο θαη ε ζπρλόηεηα ζπληνληζκνύ ηνπ πελίνπ. Ο νξηζκόο ηνπ ζπληειεζηή πνηόηεηαο Q είλαη ην κέηξν ηεο ηθαλόηεηαο απνζήθεπζεο ελέξγεηαο πνπ έρεη ην πελίν. Q = 2π Αποθηκευμένη ενέργεια ςε ένα κύκλο ac Διαχεόμενη ενέργεια ςε ένα κύκλο ac = Im Z Re Z Im Z L = ω ηελ εηθόλα 30 θαίλνληαη ηα πελία ηεο UMC018 ζην Cadence Virtuoso θαη ε κνληεινπνίεζε ηνπο. Εικόνα 30 Πθνία τθσ UMC018 και θ αντίςτοιχθ μοντελοποίθςθ τουσ Δπίζεο ζηνλ αθόινπζν πίλαθα θαίλεηαη ν ππνινγηζκόο ησλ παξακέηξσλ ηνπ παξαπάλσ κνληέινπ. 44

46 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ 3.2 Bondwires Σεσνικά σαπακηηπιζηικά Παξά ηελ εκθάληζε λέσλ ηερλνινγηώλ δηαζύλδεζεο, ην bond wire παξακέλεη κία θπξίαξρε ηερλνινγία ζύλδεζεο κε ζρεηηθά ρακειό θόζηνο θαη πςειή αμηνπηζηία. Σν bond wire είλαη ε δηαζύλδεζε από ηα θπθιώκαηα ζην ππξίηην πξνο ηνλ εμσηεξηθό θόζκν θαη ε κνξθή ηνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 31. Σν bond wire ζπλδέεη ην bond pad κε ηελ αθίδα ηεο ζπζθεπαζίαο πνπ, ζηε ζπλέρεηα, ζπλδέεηαη κε ην PCB. Γηα ηηο εθαξκνγέο RF, ην bond wire δελ κπνξεί λα αληηκεησπηζηεί σο απιό θαιώδην, αιιά πξέπεη λα ζεσξεζεί σο πελίν γηα ην νπνίν πξέπεη λα ππνινγίζνπκε ηελ ηηκή ηεο απηεπαγσγήο. Απηή ε ηηκή θαζνξίδεηαη από ηε ρξεζηκνπνηνύκελε ζπζθεπαζία, ην κέγεζνο ηνπ die θαη άιιεο παξακέηξνπο. ηαλ ρξεζηκνπνηνύληαη σο ζύλδεζε ζηα νινθιεξσκέλα θπθιώκαηα ζε κηα παθεηαξηζκέλε κνλάδα, ηα bond wires παξνπζηάδνπλ παξαζηηηθέο ηδηόηεηεο πνπ επεξεάδνπλ ηελ απόδνζε ηεο κνλάδαο. Δπνκέλσο, είλαη επηηαθηηθή ε αλάγθε γηα ηνλ αθξηβή ραξαθηεξηζκό ηνπο ζηηο πςειέο ζπρλόηεηεο. Τπάξρνπλ 5 παξάκεηξνη θαη 2 πεξηνξηζκνί πνπ πξέπεη λα ιεθζνύλ ππ όςηλ γηα λα ζρεδηαζηεί πιήξσο έλα bond wire. Οη παξάκεηξνη θαη νη πεξηνξηζκνί θαίλνληαη ζηελ εηθόλα 32. Εικόνα 31 Φωτογραφία ενόσ bondwire Εικόνα 32 Παράμετροι και περιοριςμοί 45

47 Κεφάλαιο 3 Οη παξάκεηξνη είλαη νη εμήο: α: Ζ γσλία αλάκεζα ζην νξηδόληην επίπεδν θαη ζην ζύξκα ζην bond pad. β: Ζ γσλία αλάκεζα ζην νξηδόληην επίπεδν θαη ζην ζύξκα ζην lead. d: Ζ ζπλνιηθή απόζηαζε πνπ θαιύπηεη ην ζύξκα ζην νξηδόληην επίπεδν. h1: Σν ύςνο αλάκεζα ζην bond pad θαη ζηελ θνξπθή ηνπ βξόρνπ. h2: Σν ύςνο αλάκεζα ζην bond pad θαη ζην lead. Οη πεξηνξηζκνί είλαη νη εμήο: Σν Υ 3 ηίζεηαη ζηελ ηηκή: Υ 2 + d θαη απνηειεί ηελ πξνζέγγηζε γηα ηε ζέζε ηνπ 8 ηέινπο ηνπ βξόρνπ. Σν Υ 4 ηίζεηαη ζηελ ηηκή d 2 θαη απνηειεί ηελ πξνζέγγηζε ηνπ πιάηνπο ηνπ βξόρνπ. Οη ζπληεηαγκέλεο (Υ 3, Τ 3 ) θαη (Υ 4, Τ 4 ) δειώλνπλ, κε πξνζέγγηζε, ζέζεηο βαζηζκέλεο ζε παξαηεξήζεηο πξαγκαηηθώλ ζρεδίσλ bond wire (Βιέπε εηθόλα 33 γηα ηηο ζπληεηαγκέλεο). Εικόνα 33 υντεταγμζνεσ ςχεδίαςθσ Σν κνληέιν ηνπ bond wire κπνξεί λα ζρεδηαζηεί πιήξσο δεδνκέλνπ όηη ππάξρνπλ πέληε ζεκεία ζε έλα Υ - Τ πιέγκα πνπ κπνξνύλ λα θαζνξηζηνύλ από ηηο παξακέηξνπο. Απηά ηα πέληε ζεκεία εκθαλίδνληαη ζηελ εηθόλα 33. Ο ππνινγηζκόο απηώλ ησλ ζεκείσλ εκθαλίδεηαη ζηνλ πίλαθα 1. ηελ εηθόλα 34 παξαηεξνύκε ηηο παξακέηξνπο, ηνπο πεξηνξηζκνύο θαη ηηο ζπληεηαγκέλεο πνπ ζπλδπάδνληαη. Μπνξεί λα παξαηεξεζεί όηη ε θνξπθή ηνπ βξόρνπ είλαη ζην 1/8 ηεο απόζηαζεο ηνπ θαισδίνπ θαηά κήθνο ηνπ νξηδόληηνπ επηπέδνπ, θαη ην ηέηαξην ζεκείν είλαη ζην 1/2 ηεο απόζηαζεο ηνπ θαισδίνπ θαηά κήθνο ηνπ νξηδόληηνπ επηπέδνπ. 46

48 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Εικόνα 34 Πζντε ςθμαντικά ςθμεία για τθ ςχεδίαςθ Υ = Σιμή Τ = Σιμή Υ 1 = 0 Y 1 = h 2 Υ 2 = h 1 * cot(α) Y 2 = h 1 + h 2 *Υ 3 = Υ 2 + d/8 Y 3 = h 1 + h 2 *X 4 = d/2 Y 4 = (d/2) * tan(β) X 5 = d Y 5 = 0 * Οη ηηκέο ησλ Υ 3 θαη X 4 κπνξεί λα είλαη θάπνην δηαθνξεηηθό ππνπνιιαπιάζην ηνπ d/8 θαη ηνπ d/2 αληίζηνηρα, αιιά απηέο νη ηηκέο είλαη αληηπξνζσπεπηηθέο γηα πνιιά ζρέδηα bond wire. Πίνακασ 1 Σν αθξηβέο πξνθίι ηνπ bond wire κπνξεί λα είλαη άγλσζην. Αλ είλαη απαξαίηεην ην πξνεγνύκελν κνληέιν κπνξεί λα απινπνηεζεί θαζνξίδνληαο ηε γσλία α ζηηο 90, αθαηξώληαο ηηο ζπληεηαγκέλεο (Υ 4, Τ 4 ), ηνλ πεξηνξηζκό d/2 θαη ηελ παξάκεηξν β. Ζ δεκηνπξγία ελόο ηέηνηνπ ζρεδίνπ αληηπξνζσπεύεη ηελ απινπνηεκέλε έθδνζε ελόο bond wire θαη θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 35. Οη αληίζηνηρεο εμηζώζεηο ππνινγηζκνύ ησλ παξακέηξσλ ηνπ ζρεδίνπ δίλνληαη ζηνλ πίλαθα 2. 47

49 Κεφάλαιο 3 Εικόνα 35 Απλοποιθμζνθ ςχεδίαςθ bondwire Υ = Σιμή Τ = Σιμή Υ 1 = 0 Y 1 = h 2 Υ 2 = 0 Y 2 = h 1 + h 2 Υ 3 = d/8 Y 3 = h 1 + h 2 X 4 = NA Y 4 = NA X 5 = d Y 5 = 0 Πίνακαρ 2 Μία ελαιιαθηηθή αλάιπζε είλαη απηή πνπ αθνξά ζηα κήθε ησλ δηάθνξσλ κεξώλ ελόο bond wire. Σν πιήξεο ζρέδην ηνπ bond wire δηαηξείηαη ζε 4 κέξε: L 1, L 2, L 3 θαη L 4 ηα νπνία θαίλνληαη ζηελ εηθόλα 36. Μπνξεί λα ππνινγηζηεί ην κήθνο θάζε κέξνπο θαη αθνύ πξνζηεζνύλ όια καδί λα ππνινγηζηεί ην ζπλνιηθό κήθνο ηνπ bond wire. Οη αληίζηνηρεο εμηζώζεηο ππνινγηζκνύ ησλ παξακέηξσλ ηνπ ζρεδίνπ δίλνληαη ζηνλ πίλαθα 3. Εικόνα 36 Σα τζςςερα μικθ του ςχεδίου ενόσ bondwire 48

50 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Μέπορ = Σιμή L 1 = (X 2 ) L 2 = Υ 3 Υ 2 L 3 = (X 3 X 4 ) 2 + (Y 3 Y 4 ) 2 L 4 = (d/2) * sec(β) Μήθνο = L 1 + L 2 + L 3 + L 4 Πίνακαρ 3 Σν αληίζηνηρν απινπνηεκέλν ζρέδην παξνπζηάδεηαη ζηελ εηθόλα 37 θαη νη εμηζώζεηο πνπ ην πεξηγξάθνπλ δίλνληαη ζηνλ πίλαθα 4. Εικόνα 37 - Σα τρία μικθ του ςχεδίου ενόσ απλοποιθμζνου bondwire Μέπορ = Σιμή L 1 = h 1 L 2 = Υ 3 Υ 2 L 3 = (X 3 X 5 ) 2 + (Y 3 Y 5 ) 2 Μήθνο = L 1 + L 2 + L 3 Πίνακαρ 4 Μία πξαγκαηηθή ζρεδίαζε πεξηιακβάλεη έλαλ αξηζκό από bond wire ηα νπνία ζα ζπλδένπλ ην εζσηεξηθό θύθισκα κε ηνλ εμσηεξηθό θόζκν. Σα bond wire βξίζθνληαη αξθεηά θνληά κεηαμύ ηνπο θαη από ηε ζηηγκή πνπ ζπκπεξηθέξνληαη σο επαγσγέο ζα πξέπεη λα ιεθζεί ππ όςηλ θαη ε κεηαμύ ηνπο ακνηβαία επαγσγή (εηθόλα 38). Γηα δύν γεηηνληθά bond wire ηζρύεη ν παξαθάησ ηύπνο: 49

51 Κεφάλαιο M 12 = M 21 = l 5 ln l d l d 1 + d l + d l Εικόνα 38 Αμοιβαία επαγωγι 2 γειτονικϊν bondwire Μονηέλο Σν κνληέιν bond wire πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζηε ζπγθεθξηκέλε ζρεδίαζε θαζώο θαη ην ηζνδύλακν θύθισκά ηνπ παξνπζηάδνληαη ζηελ εηθόλα 39. Εικόνα 39 Μοντζλο bondwire Ζ απηεπαγσγή L ελόο θαισδίνπ δηακέηξνπ d θαη ηνπ κήθνπο l γηα ην ζπγθεθξηκέλν κνληέιν δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: L = μ 0 2l l ln 2π d l d 2 + d 2l 1 + d 2l 2 + C 50

52 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ όπνπ ν, εμαξηώκελνο από ηε ζπρλόηεηα, παξάγνληαο δηόξζσζεο είλαη κηα ζπλάξηεζε ηεο δηακέηξνπ ηνπ bond wire θαη ηνπ επηδεξκηθνύ βάζνπο ηνπ πιηθνύ από ην νπνίν θαηαζθεπάδεηαη θαη εθθξάδεηαη από ηελ εμίζσζε: όπνπ C = μ r 4 tanh 4δ d δ = 1 π ς f μ 0 μ r όπνπ ζ είλαη ε αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ ηνπ θαισδίνπ. ηαλ ην δ d είλαη κηθξό ηόηε C = δ. Ζ αληίζηαζε ηνπ θαισδίνπ δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: d κε ρ = 1 ς θαη r = d 2. R = ρ l π r 2 Σέινο, ν ζπληειεζηήο πνηόηεηαο ηνπ bond wire κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηνλ αθόινπζν ηύπν: Q Bondwire = ω L R 3.3 σεδίαζη δικηύος πποζαπμογήρ ζύνθεηηρ ανηίζηαζηρ Σν δίθηπν πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο είλαη έλα νπζηαζηηθό ζηνηρείν ηεο ζρεδίαζεο θπθισκάησλ RF. Ο ζθνπόο ηνπ δηθηύνπ πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο είλαη λα κεησζεί ε απώιεηα ηζρύνο αλάθιαζεο θαη λα πξνζδίδεηαη όζν ην δπλαηόλ πεξηζζόηεξε ηζρύο από ηελ πεγή ζην θνξηίν. Σππηθά, νη ζύλζεηεο αληηζηάζεηο εηζόδνπ θαη εμόδνπ κηαο ελόηεηαο πξέπεη λα κεηαζρεκαηηζηνύλ ζε κηα θνηλή αληίζηαζε, π.ρ. 50 Ω. Γεδνκέλνπ όηη νη ζύλζεηεο αληηζηάζεηο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ζπζρεηίδνληαη, είλαη δύζθνιν λα θαζνξηζηνύλ ηα δίθηπα πξνζαξκνγήο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ηνπ θπθιώκαηνο ηαπηόρξνλα. Δπηπρώο, ε ζύλζεηε αληίζηαζε εμόδνπ είλαη γλσζηή ζε απηήλ ηελ πεξίπησζε. Καηά ζπλέπεηα, ζηελ πξάμε, κπνξνύκε λα ζρεδηάζνπκε ην δίθηπν πξνζαξκνγήο εμόδνπ πξώηα θαη λα ιύζνπκε έπεηηα ην δίθηπν πξνζαξκνγήο εηζόδνπ κε ηε βνήζεηα ηνπ ππνινγηζηή. ηε ζπλέρεηα αθνινπζεί έλα θαηαηνπηζηηθό παξάδεηγκα ζρεδίαζεο δηθηύνπ πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο. Θεσξνύκε όηη ηα δεδνκέλα πνπ έρνπκε πξηλ ηε ζρεδίαζε είλαη ηα εμήο: 51

53 Κεφάλαιο 3 ύλζεηε αληίζηαζε εμόδνπ: Z L = 200 j50 Ω ύλζεηε αληίζηαζε εηζόδνπ: Z S = 50 + j25 Ω Μηθξόηεξε ζπρλόηεηα: f min = 900 MHz Μεγαιύηεξε ζπρλόηεηα: f max = 900 MHz Σν L δίθηπν πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο ζρεδηάδεηαη γηα λα παξέρεη ηε κέγηζηε κεηαθνξά ηζρύνο κόλν ζε κηα ζπρλόηεηα. Με άιια ιόγηα, είλαη έλα ζηελήο δώλεο δίθηπν πξνζαξκνγήο. Λακβάλνληαο ππόςε κηα δώλε ζπρλνηήησλ εηζόδνπ, ζρεδηάδνπκε ην δίθηπν πξνζαξκνγήο γηα ην θέληξν ηεο δώλεο. f c = f min + f max 2 = 900 MHz f = f c, ω c = 2 π f c, ω = 2 π f Σν πξώην βήκα ζηε ζύλζεζε ελόο δηθηύνπ πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο είλαη ην λα αθαηξέζνπκε ηηο κε-σκηθέο αληηζηάζεηο ηεο πεγήο θαη ηνπ θνξηίνπ. Δπεηδή ην δίθηπν πξνζαξκνγήο απνηειείηαη από έλα πελίν ζηε ζεηξά κε ηελ πεγή, ε ζύλζεηε αληίζηαζε πεγήο κεηαηξέπεηαη ζε κηα ηζνδύλακε αληίζηαζε θαη κηα απηεπαγσγή ζε ζεηξά. Ζ απηεπαγσγή θαη ε αληίζηαζε ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο πεγήο είλαη: R S = Re Z S = 50 Ω L S = Im(Z S) ω = nh Ο ππνινγηζκόο ηεο άεξγεο αληίζηαζεο θνξηίνπ είλαη ιίγν δπζθνιόηεξνο, επεηδή ε ζύλζεηε αληίζηαζε είλαη ζε παξάιιειε ζύλδεζε. Ζ ηζνδύλακε παξάιιειε ρσξεηηθόηεηα θαη ε αληίζηαζε ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο θνξηίνπ είλαη: Q L = Im(Z L) Re Z L = 0.25 R L = Re Z L 1 + Q L 2 = Ω C L = Q L ω R L = pf Τπνινγίδνληαο ηηο αληηδξάζεηο ηεο πεγήο θαη ηνπ θνξηίνπ, κπνξνύκε λα ζπλζέζνπκε ην δίθηπν πξνζαξκνγήο ρξεζηκνπνηώληαο ην πξαγκαηηθό κέξνο ηεο πεγήο θαη ηνπ θνξηίνπ. Ο ζηόρνο καο, εδώ, είλαη λα νξηνζεηήζνπκε ην L θαη ην C έηζη ώζηε ε πεγή θαη ην θνξηίν λα βιέπνπλε ηε ζπδπγή ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο εμεηάδνληαο ην δίθηπν. Έλα πξνζαξκνζκέλν δίθηπν ζα βιέπεη ζπδπγή ζύλζεηε αληίζηαζε θαη από ηηο δύν θαηεπζύλζεηο. 52

54 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Z left = Z rig t Ζ ζσζηή πιεπξά ηνπ δηθηύνπ πξνζαξκνγήο απνηειείηαη από κηα αληίζηαζε θαη κηα άεξγε αληίζηαζε ζπλδεδεκέλεο παξάιιεια. Απηό κπνξεί λα εθθξαζηεί ζε απινπζηεπκέλε κνξθή κε ηελ παξάιιειε αληίζηαζε θαη ην Q ηεο πεγήο. Z rig t = 1 R rig t + 1 = 1 j L rig t 1 G p + j B rig t = R p 1 + j Q rig t Ζ αξηζηεξή πιεπξά ηνπ δηθηύνπ πξνζαξκνγήο απνηειείηαη από κηα αληίζηαζε θαη κηα άεξγε αληίζηαζε ζε ζεηξά. Απηό κπνξεί λα εθθξαζηεί ζε απινπζηεπκέλε κνξθή κε ηελ αληίζηαζε ζεηξάο θαη ην Q ηνπ θνξηίνπ. Z left = R left + 1 j C left = R s + j X left = R s 1 j Q left Δπεηδή νη αξηζηεξέο θαη δεμηέο αληηζηάζεηο πξέπεη λα είλαη ίζεο, θαη νη αληηδξάζεηο ζπδπγείο ε κηα κε ηελ άιιε, ηα Q ηεο αξηζηεξήο θαη δεμηάο πιεπξάο πξέπεη λα είλαη ίζα. Ο θαζνξηζκόο ηεο αξηζηεξήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο θαη ηεο δεμηάο ζπδπγήο ηεο ώζηε λα είλαη ίζεο ε κηα κε ηελ άιιε θαζώο θαη ν θαζνξηζκόο ησλ Q ώζηε λα είλαη ίζα δίλνπλ ηελ αθόινπζε ηζόηεηα: R p 1 + j Q = R s 1 j Q Ζ επίιπζε απηήο ηεο έθθξαζεο δίλεη κηα γεληθή έθθξαζε γηα ην Q ηνπ δηθηύνπ πξνζαξκνγήο. εκεηώζηε όηη ε ηηκή ηνπ Q θαζνξίδεηαη από ηε ζύλζεηε αληίζηαζε πεγήο θαη θνξηίνπ γηα ην δίθηπν πξνζαξκνγήο. Γηα ηα πςειόηεξεο ηάμεο δίθηπα, θαη γηα ίζε αληίζηαζε πεγήο θαη θνξηίνπ, ην Q ηνπ δηθηύνπ κπνξεί λα επηιεγεί σο εμήο: Q = R L R s 1 = Απηό ην Q ζα ρξεζηκεύζεη σο θάησ όξην γηα ηα δίθηπα Π θαη Τ θαη σο άλσ όξην γηα ηα ζε ζεηξά δίθηπα L. εκεηώζηε ηε δηαθνξά κεηαμύ ηνπ δηθηύνπ Q θαη ηνπ ζπληειεζηή Q. Σν δίθηπν Q είλαη ζπλήζσο κεδεληθήο έσο ηξίηεο ηάμεο, γηα λα κεηώζεη ηελ επαηζζεζία ηνπ δηθηύνπ. Ο ζπληειεζηήο Q είλαη πνιύ πςειόηεξνο, ραξαθηεξηζηηθά από 10 έσο 100. Λακβάλνληαο ππόςε ην Q ησλ πιεπξώλ ηνπ αξηζηεξνύ θαη ηνπ δεμηνύ κηζνύ ηνπ δηθηύνπ, θαη ηηο πξαγκαηηθέο ζύλζεηεο αληηζηάζεηο πεγήο θαη θνξηίνπ, κπνξνύκε λα βξνύκε ηελ απηεπαγσγή θαη ηε ρσξεηηθόηεηα ηνπ δηθηύνπ ρσξίο ηνλ ππνινγηζκό ηεο απηεπαγσγήο ηεο πεγήο. L T = Q R s ω = nh 53

55 Κεφάλαιο 3 C T = Q ω R L = 1.5 pf Σν ηειηθό δίθηπν ζύλζεηεο αληίζηαζεο βξίζθεηαη αθαηξώληαο ηελ απηεπαγσγή ηεο πεγήο από απηήλ ηνπ δηθηύνπ θαη ηε ρσξεηηθόηεηα ηνπ θνξηίνπ από απηή ηνπ δηθηύνπ. L = L T L S = nh C = C T C L = pf Γηα λα γίλεη έιεγρνο ηνπ δηθηύνπ πξνζαξκνγήο, ππνινγίδνπκε ηε ζύλζεηε αληίζηαζε εηζόδνπ θαη εμόδνπ γηα λα δνύκε εάλ είλαη ζπδπγείο ηεο πεγήο θαη ηνπ θνξηίνπ. Z i = j ω L + Z L 1 j ω C = 50 j 25 Ω Z S = 50 + j 25 Ω Z o = Z S + j ω L 1 j ω C = j 50 Ω Z L = 200 j 50 Ω 54

56 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ 3.4 Πόλυζη ηος FET Σα θπθιώκαηα πόισζεο ζε RF εληζρπηέο ηζρύνο είλαη ηδηαίηεξα ρξήζηκα ζηηο ηάμεηο Α θαη ΑΒ όηαλ απηέο πξννξίδνληαη γηα γξακκηθή ιεηηνπξγία. Οη απαηηήζεηο πνπ νθείινπλ λα εθπιεξώλνπλ ηα θπθιώκαηα πόισζεο πεξηιακβάλνπλ ηελ ηθαλόηεηα αλαπαξαγσγήο θαη ηε πηζαλόηεηα γηα αλεμάξηεηε ξύζκηζε θαη ζεξκνθξαζηαθή ζηαζεξόηεηα. Έλα θνηλό ραξαθηεξηζηηθό ησλ θπθισκάησλ πόισζεο ζε BJTs θαη FETs είλαη ε απνπζία αληηζηάζεσλ εθπνκπνύ. ρεδόλ πάληα ρξεζηκνπνηνύληαη ζε εληζρπηέο κηθξνύ ζήκαηνο θαη εγγπώληαη έλα ζηαζεξό ζεκείν εξεκίαο. Ωζηόζν, ε ρξήζε ηνπο ζπλήζσο απνθεύγεηαη ζε εληζρπηέο ηζρύνο RF, δηόηη είλαη εμαηξεηηθά δύζθνιε ε απόδεπμε ηνπ εθπνκπνύ (ή ηεο πεγήο) κε ηε γείσζε. Ζ ζύλζεηε αληίζηαζε ηνπ θνηλνύ εθπνκπνύ (ή πεγήο) πξέπεη λα δηαηεξείηαη όζν ην δπλαηόλ πην ρακειή ώζηε λα κεγηζηνπνηείηαη ην θέξδνο ηζρύνο. Έλα απιό θύθισκα πόισζεο θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 43. Ζ ηάζε πόισζεο πύιεο παξέρεηαη από κηα δίνδν Zener. Ζ R G ρξεζηκνπνηείηαη γηα πξνζαξκνγή ζύλζεηεο αληίζηαζεο θαη βειηίσζε ηεο ζηαζεξόηεηαο ηνπ εληζρπηή. Εικόνα 40 - Απλό κφκλωμα πόλωςθσ Ζ ζεξκνθξαζηαθή αληηζηάζκηζε ηνπ ξεύκαηνο εξεκίαο εθξνήο (I DQ ) κπνξεί λα επηηεπρζεί κε έλα δίθηπν αληηζηάζεσλ θαη thermistors. Ζ ηάζε θαησθιίνπ ησλ MOSFETs κεηώλεηαη πεξίπνπ 1mV/ o C κε ηελ αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο, επεξεάδνληαο ην I DQ. Από ηελ άιιε κεξηά ε δηαγσγηκόηεηα ησλ MOSFETs κεηώλεηαη κε ηελ αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο επίζεο επεξεάδνληαο ην I DQ. πλνιηθά, γηα ρακειόηεξεο ηηκέο ηεο ζεξκνθξαζίαο, ν ζεξκνθξαζηαθόο ζπληειεζηήο ηεο ηάζεο πόισζεο πεγήο πξέπεη λα είλαη αξλεηηθόο. Μηα ιύζε απνηειεί ε ρξήζε ελόο thermistor αξλεηηθνύ ζεξκνθξαζηαθνύ ζπληειεζηή (NTC-Negative Temperature Coefficient) ηνπνζεηεκέλνπ ζε ζηελή ζεξκνθξαζηαθή επαθή κε ην RF MOSFET ηζρύνο. Σν θύθισκα πόισζεο παξνπζηάδεηαη ζηελ εηθόλα

57 Κεφάλαιο 3 Εικόνα 41 - Κφκλωμα πόλωςθσ με κερμοκραςιακι αντιςτάκμιςθ Ο ζεξκνθξαζηαθόο ζπληειεζηήο ηεο ηάζεο πόισζεο πεγήο κπνξεί λα ξπζκηζηεί από ην ιόγν ησλ R 1 θαη R 3 (NTC thermistor). πζηήλεηαη ν μερσξηζηόο, γηα θάζε εληζρπηή, έιεγρνο ηεο ζεξκνθξαζηαθήο ζπκπεξηθνξάο. Έλαο νινθιεξσκέλνο ξπζκηζηήο ηάζεο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ πόισζε ησλ MOSFETs. Έλα ηέηνην θύθισκα παξνπζηάδεη δύν βαζηθά πιενλεθηήκαηα: ρακειή ζύλζεηε αληίζηαζε θαη θαιή ξύζκηζε ηεο ηάζεο πόισζεο ζε πεξηπηώζεηο αιιαγήο ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο. Έλα ηέηνην πξαθηηθό θύθισκα απεηθνλίδεηαη ζηελ εηθόλα 45. Ο ιόγνο ησλ αληηζηάζεσλ R 5 θαη R 6 (NTC thermistor) ξπζκίδεη ην ζεξκνθξαζηαθό ζπληειεζηή, ελώ ε R 4 ηελ ηάζε πόισζεο. Εικόνα 42 - Κφκλωμα πόλωςθσ με ολοκλθρωμζνο ρυκμιςτι τάςθσ Εικόνα 43 - Κφκλωμα υψθλϊν επιδόςεων πόλωςθσ MOSFET 56

58 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ ηελ εηθόλα 46 παξνπζηάδεηαη έλα θύθισκα θιεηζηνύ βξόρνπ γηα ηελ πόισζε ηνπ MOSFET. Σν βαζηθό πιενλέθηεκα είλαη ε απηνκαηνπνίεζε θαη ε αθξίβεηα ηεο ζεξκνθξαζηαθήο αληηζηάζκηζεο ζε νπνηνδήπνηε MOSFET αλεμάξηεηα από ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ. Δπηπιένλ ην θύθισκα απηό δε ρξεηάδεηαη thermistors (ε άιια αηζζεηήξηα ζεξκνθξαζίαο) θαη κηα ζρεηηθή δηαζπνξά γύξσ από ηελ ηππηθή ηηκή ηεο ηάζεο θαησθιίνπ είλαη επηηξεπηή. Σν ξεύκα εξεκίαο εθξνήο I DQ θαζνξίδεηαη από ηελ R 8. Θεσξώληαο ηελ V dc σο ζηαζεξή πεγή ηάζεο, κηα ζηαζεξή ηάζε αλαθνξάο εθαξκόδεηαη ζηελ αξλεηηθή είζνδν ηνπ ηειεζηηθνύ εληζρπηή IC 1. Ζ ηάζε ζηα άθξα ηεο R 1 ηξνθνδνηεί ηελ ζεηηθή είζνδν ηνπ IC 1, εμαζθαιίδνληαο ηελ αλάδξαζε πνπ απαηηείηαη γηα ηε ζηαζεξόηεηα ηνπ I DQ. Οη ηηκέο ησλ R 5, R 6 θαη D 1 επηιέγνληαη έηζη ώζηε λα δηαζθαιίζνπλ ηελ εληόο ινγηθώλ νξίσλ κεηαβνιή ηεο ηάζεο πόισζεο ηεο πύιεο (ζπλήζσο ±0.5 volts) θάλνληαο δπλαηή κηα πιήξε ηαιάλησζε ηεο ηάζεο ζηελ έμνδν ηνπ IC 1. Απηή ε κεγάιε ηαιάλησζε ηάζεο απαηηείηαη γηα ηελ παξνρή κηαο αξλεηηθήο πόισζεο ζηε πύιε ηνπ T 1, ην νπνίν ιεηηνπξγεί ζαλ κηα αληίζηαζε ειεγρόκελε από ηάζε. Ζ αληίζηαζε κεηώλεηαη όηαλ ην ξεύκα πνπ δηαξξέεη ηελ R 1 απμάλεη. 3.5 Active inductors Σα ηειεπηαία ρξόληα ηα πεξηζζόηεξα ηκήκαηα κηαο RF ζρεδίαζεο έρνπλ ελζσκαησζεί πιήξσο ζηελ CMOS ζρεδίαζε. Ηδηαίηεξα ζηελ RFIC ζρεδίαζε ην ζηνηρείν ηνπ πελίνπ θπξηαξρεί ζηελ απόδνζε ηνπ RF θπθιώκαηνο. Σα πεξηζζόηεξα ζπεηξνεηδή πελία είλαη παζεηηθά κε ηδηαηηέξσο κεγάιεο δηαζηάζεηο ζε ζρέζε κε ην ππόινηπν θύθισκα. Ο ζπληειεζηήο πνηόηεηαο (Q) ησλ ζπεηξνεηδώλ πελίσλ είλαη πνιύ κηθξόο γεληθά γηα λα αληαπνθξηζεί επαξθώο ζηε ζρεδίαζε θπθιώκαηνο πςειώλ ζπρλνηήησλ. Πξνθεηκέλνπ λα μεπεξαζηνύλ απηέο νη αδπλακίεο, ν ελεξγόο επαγσγέαο (active inductor) ρξεζηκνπνηείηαη εθηελώο ζηελ RF ζρεδίαζε. Δθ θύζεσο, ν ελεξγόο επαγσγέαο έρεη πςειόηεξν ζπληειεζηή πνηόηεηαο, κηθξόηεξν κέγεζνο θαη θαιύηεξα ζπληνληδόκελε επαγσγή από ηα αληίζηνηρα ζπεηξνεηδή πελία. Ωο System-on-Chip (SoC) εθαξκνγή ελδείθλπληαη γηα ηελ θαηαζθεπή θίιηξσλ όπσο γηα παξάδεηγκα SAW θίιηξα Απλό active inductor Ζ εηθόλα 47 (αξηζηεξά) απεηθνλίδεη έλα active inductor βαζηζκέλν ζην γεληθό CMOS κεηαηξνπέα ζύλζεηεο αληίζηαζεο (GIC), όπνπ νη απώιεηεο ειαρηζηνπνηνύληαη κε ηε ρξήζε θαζθσδηθήο ζρεδίαζεο γηα ελίζρπζε ηνπ DC θέξδνπο. Ζ εηθόλα 47 (δεμηά) απεηθνλίδεη ην ηζνδύλακν θύθισκα κηθξνύ ζήκαηνο ηνπ θπθιώκαηνο ηεο εηθόλαο 47 (αξηζηεξά). 57

59 Κεφάλαιο 3 Εικόνα 44 Απλό active inductor (αριςτερά) και το αντίςτοιχο ιςοδφναμό του (δεξιά) Ζ έθθξαζε ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο εηζόδνπ ηεο ηζνδύλακεο πεγήο ξεύκαηνο ηνπ GIC θπθιώκαηνο είλαη: Z in = g dsp + g ds1 + S(C gs2 + C gd1 + C gd2 ) SC gd2 + g dsp + g ds1 + g m1 (S(C gs2 + C gd1 ) + g m2 ) ηελ παξαπάλσ εμίζσζε νη απώιεηεο g dsp θαη g ds1 ειαηηώλνπλ ηελ απόδνζε ηνπ active inductor. Δπηπιένλ ν ζπληειεζηήο πνηόηεηαο, ε επαγσγή θαη ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ ππνβαζκίδνληαη ζεκαληηθά κε ηελ αληηθαηάζηαζε ησλ ηδαληθώλ πεγώλ ξεύκαηνο κε CMOS πεγέο ξεύκαηνο. Σν θύθισκα είλαη ηζνδύλακν κε ην ζπληνληζηή πςειώλ ζπρλνηήησλ ηεο εηθόλαο 47 (δεμηά). Με ηελ παξαδνρή όηη C gsi >> C gdi ε ηζνδύλακε αγσγηκόηεηα εηζόδνπ είλαη: Y in G p + sc p + 1 sl + R s g dsm2 + g mm 1 + sc gsm 1 + g mm 1g mm 2 sc gsm 2 + g dsm1 G p g dsm2 + g mm 1 L C gsm 2 g mm 1 g mm 2 R s g dsm 1 g mm 1 g mm 2 C p C gsm 1 g mmi, g dsmi, θαη C gsmi είλαη ε δηαγσγηκόηεηα, ε αγσγηκόηεηα εμόδνπ θαη ε ρσξεηηθόηεηα πύιεο-πεγήο αληίζηνηρα, ησλ MOSFETs. Ζ απμαλόκελε παξάιιειε απώιεηα αγσγηκόηεηαο G p κεηώλεη ην ζπληειεζηή πνηόηεηαο ηνπ active inductor. 58

60 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Βεληιυμένο active inductor ςτηλού Q Ζ εηθόλα 48 (αξηζηεξά θαη δεμηά) απεηθνλίδεη ην active inductor θαη ην ηζνδύλακν θύθισκα κηθξνύ ζήκαηνο, αιιά κε ηηο ηδαληθέο πεγέο ξεύκαηνο αληηθαηεζηεκέλεο από MOSFETs. Ζ απόδνζε θαηέξξεπζε όηαλ νη ηδαληθέο πεγέο ξεύκαηνο αληηθαηαζηάζεθαλ από ηα πξαθηηθά Μ3 θαη Μ4 MOSFETs ζηε θαηαζθεπή ηνπ IC. Πξνθεηκέλνπ λα απμεζεί ε απόδνζε πξνηείλεηαη ην δηάγξακκα ηνπ θπθιώκαηνο active inductor ηεο εηθόλαο 48 (αξηζηεξά). Εικόνα 45 - Βελτιωμζνο active inductor (αριςτερά) και το αντίςτοιχο ιςοδφναμό του (δεξιά) Δθηόο από ηελ πξνζηηζέκελε ρσξεηηθόηεηα C n, ην θύθισκα είλαη παξαπιήζην κε ην πξνεγνύκελν. Σα κε ηδαληθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ transistors Μ3 θαη Μ4, όπσο ε αγσγηκόηεηα πεγήο-εθξνήο g ds θαη ε ρσξεηηθόηεηα πύιεο-πεγήο C gs, απμάλνπλ ηηο παξάιιειεο απώιεηεο G p. Γηα κηθξά ζήκαηα ε πεπεξαζκέλε αγσγηκόηεηα g ds θαη ε ρσξεηηθόηεηα C gs ησλ M3 θαη Μ4 ζρεκαηίδνπλ δξόκνπο απσιεηώλ από ηελ εθξνή ησλ ΜP θαη Μ2 πξνο ηε γε, νδεγώληαο ζε απώιεηεο ην ζήκα πνπ ζρεκαηίδεη ηελ επαγσγηθή ραξαθηεξηζηηθή ηεο ελεξγνύ επαγσγήο. ηελ εηθόλα 48 (αξηζηεξά) ρξεζηκνπνηείηαη ν ππθλσηήο αλαηξνθνδόηεζεο C n πξνθεηκέλνπ λα αλαπιεξώζεη ηηο απώιεηεο ιόγσ ηεο ρξήζεο ησλ Μ3 θαη Μ4 σο πεγέο ξεύκαηνο. Σα Μ1 θαη Μ2, ην C n, ην MP θαη ε αληίζηαζε R G ζρεκαηίδνπλ έλα θύθισκα ελεξγνύ επαγσγέα. Ζ ιεηηνπξγία ηνπ θπθιώκαηνο πεξηιακβάλεη αξλεηηθή αλαηξνθνδόηεζε, ζεηηθή αλαηξνθνδόηεζε θαη άληιεζε ξεύκαηνο πξνθεηκέλνπ λα δεκηνπξγεζεί επαγσγηθή ζύλζεηε αληίζηαζε, λα κεησζνύλ νη απώιεηεο ηνπ ελεξγνύ επαγσγέα θαη λα απμεζεί ν ζπληειεζηήο πνηόηεηάο ηνπ. Ζ αύμεζε απηή επηηπγράλεηαη κε ηε πξνζζήθε κηαο ηζνδύλακεο αξλεηηθήο αγσγηκόηεηαο ζην ζεκείν εηζόδνπ. Απηή δεκηνπξγείηαη από ην ζπλδπαζκό ηεο C n θαη ηνπ θπθιώκαηνο άληιεζεο ξεύκαηνο πνπ απνηειείηαη από ην MP θαη ηελ R G. Δπνκέλσο, νη απώιεηεο κεηώλνληαη ζεκαληηθά, αιιά θαη ν ζπληειεζηήο πνηόηεηαο απμάλεηαη εμαηξεηηθά. Με ηε παξαδνρή όηη ρξεζηκνπνηνύληαη 59

61 Κεφάλαιο 3 transistor ίδησλ δηαζηάζεσλ θαη C gsμ1 =C gsμ2 = C gsμ3 = C gsμ4 = C gsμp = C gs θαηαιήγνπκε ζηηο εμηζώζεηο: G p (g dsm1 + g dsm 2 + g dsm4 + g mm 4 ) ω2 C gs C n g mmp (g dsm1 + g dsm 2 + g dsm4 + g mm 4 g mm 4 ) g mm 4 ω2 C gs C n g mmp R s (g dsm2 + g dsm3 + g mm 3 ) ω2 C gs C n g mmp g mm 1 g mm 2 + g dsm2 g mmp C p C gs 3 C gs +C n L g mm 1 g mm 3 g mm 4 g mmp θαη 1 Y in G p + sc p + sl + R s Οη παξάιιειεο (G p ) θαη ζεηξηαθέο (R s ) απώιεηεο, ιόγσ ηνπ αξλεηηθνύ όξνπ ζηηο εμηζώζεηο πνπ ηηο πεξηγξάθνπλ, νδεγνύληαη ζε κείσζε. Ζ ρσξεηηθόηεηα C p κεηώλεηαη ζε C gs /3, αιιά ε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο απμάλεηαη. Ζ ηζνδύλακε επαγσγή L επίζεο απμάλεηαη. Καηά ζπλέπεηα, ε απόδνζε ηνπ active inductor βειηηώλεηαη κε ηε πξνζζήθε ηεο ρσξεηηθόηεηαο C n. Με ηελ θαηάιιειε εθινγή ησλ ζηνηρείσλ ηνπ θπθιώκαηνο επηηπγράλεηαη πςειόηεξνο ζπληειεζηήο πνηόηεηαο θαη πςειόηεξε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο Υαπακηηπιζηικέρ ηος απλού και βεληιυμένος active inductor ια ηα transitors έρνπλ ηηο ίδηεο δηαζηάζεηο: κήθνο=0.18κm θαη πιάηνο 1.5κm. Δπίζεο, R G =3.6Ω θαη C n =0.24pF. ηηο εηθόλεο 49 θαη 50 θαίλνληαη αληίζηνηρα νη θακπύιεο ηνπ ζπληειεζηή πνηόηεηαο θαη ηεο επαγσγήο ηνπ ελεξγνύ επαγσγέα. Ζ επαγσγή ζηε πεξηνρή από 1GHz έσο 5GHz κεηαβάιιεηαη από 4.4nH έσο 11.56nH κε ηελ κέγηζηε ηηκή ηνπ ζπληειεζηή πνηόηεηαο πεξίπνπ x 10 6 ζηα 2.4GHz. 60

62 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Εικόνα 46 - Καμπφλθ ςυντελεςτι ποιότθτασ Εικόνα 47 - Καμπφλθ επαγωγισ Σέινο, ζην παξαθάησ πίλαθα θαίλεηαη ε ζύγθξηζε κεηαμύ ηνπ απινύ θαη ηνπ βειηησκέλνπ active inductor. Απόδνζε Απινύ Βειηησκέλνπ πρλόηεηα 2.4GHz πληειεζηήο Πνηόηεηαο x 10 6 Δπαγσγή 3.108nH 6.064nH 61

63 Κεφάλαιο Δπίδπαζη ηηρ ηεσνολογίαρ Ζ ηερλνινγία ζρεδίαζεο πνπ ζα επηιεγεί επηδξά ζην επηζπκεηό θύθισκα σο πξνο ηηο επηδόζεηο ηνπ. Σα πεξηζζόηεξα εκηαγσγά ζηνηρεία κπνξνύλ λα ζεσξεζνύλ σο θαλάιηα πνπ κεηαθέξνπλ θνξηίν θαηά κήθνο ηνπο. Απηή ε θίλεζε δελ γίλεηαη αθαξηαία, αιιά πεξηνξίδεηαη από ηε κέγηζηε ηαρύηεηα κεηαθνξάο θνξηίνπ πνπ ζηελ πεξίπησζε ησλ ζπλεζηζκέλσλ εκηαγσγώλ πιηθώλ είλαη πεξίπνπ cm/sec. Απηό ζεκαίλεη όηη γηα λα κεηαθεξζεί θνξηίν απαηηείηαη πεπεξαζκέλνο ρξόλνο t αλάινγα κε ηελ απόζηαζε. Γηα λα κεησζεί ν ρξόλνο t κπνξεί λα κεηαβιεζεί ( λα κεησζεί ) ην κήθνο θαλαιηνύ. Ωζηόζν θάηη ηέηνην επηθέξεη κείσζε ηεο ηάζεο δηάζπαζεο δηειεθηξηθνύ (breakdown voltage). ε θάζε εκηαγσγό ην γηλόκελν V breakdown FT είλαη ζηαζεξό θαη κεηξάηαη ζε GHzV. ε ηερλνινγίεο CMOS είλαη ζπλήζσο πεξίπνπ 200 GHzV. ε αθξηβόηεξεο όπσο GaAs ή InP θηάλεη κέρξη θαη 500 GHzV. Γεληθά ε κέγηζηε ζπρλόηεηα απνθνπήο ζηα MOS δίλεηαη από ηνλ ηύπν F T = μ 2π V GS V T 2 L eff Ζ παξαπάλσ ζρέζε εηζάγεη ηελ παξάκεηξν ηνπ ελεξγνύ κήθνπο L eff. O Brews παξνπζίαζε έλαλ εκπεηξηθό ηύπν πνπ δίλεη ην ειάρηζην ελεξγό κήθνο πνπ εμαζθαιίδεη νκαιή ιεηηνπξγία ηνπ MOS. όπνπ L eff = Α(X J t ox (W S + W D ) 2 ) 1/3 X J : Σν βάζνο ηεο επαθήο. t ox :Σν πάρνο ηνπ νμεηδίνπ. W S θαη W D : Σν πιάηνο αξαίσζεο ηεο πεγήο θαη ηεο εθξνήο. Άξα γηα λα πεηύρνπκε κηθξόηεξν ελεξγό κήθνο ρξεηαδόκαζηε: Λεπηόηεξν νμείδην tox. Πην ξερέο επαθέο XJ. Τςειόηεξε λόζεπζε γηα κείσζε ηνπ πιάηνπο αξαίσζεο. 62

64 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ 3.7 Transmission lines Ζ ζπκπεξηθνξά ελόο αγσγνύ ζηηο πςειέο ζπρλόηεηεο απέρεη πνιύ από ην θαζηεξσκέλν κνληέιν κεδεληθήο αληίζηαζεο πνπ ζπλήζσο ζεσξνύκε. Μηα transmission line (γξακκή κεηάδνζεο) εκθαλίδεη ζηνηρεία όπσο: θαηαλεκεκέλε αληίζηαζε R, θαηαλεκεκέλε επαγσγή L, ρσξεηηθόηεηα C κεηαμύ ησλ δύν αγσγώλ θαη αγσγηκόηεηα G ιόγσ ηνπ δηειεθηξηθνύ κεηαμύ ησλ αγσγώλ. Σν ηκήκα πνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 51 νπζηαζηηθά είλαη έλα απεηξνειάρηζην ηκήκα κηαο transmission line όπσο θαίλεηαη παξαθάησ. Εικόνα 48 - Σμιμα transmission line Εικόνα 49 - Transmission line Έλα ζήκα πνπ δηαδίδεηαη θαηά κήθνο κηαο transmission line έρεη θπκαηηθή ηάζε θαη ξεύκα πνπ ζρεηίδνληαη κε ηε ζύλζεηε αληίζηαζή ηεο. ε ζεκεία αιιαγήο ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο έρνπκε θαηλόκελα αλάθιαζεο ηνπ ζήκαηνο. Δπίζεο, θαηά ηε δηάδνζε ηνπ ζήκαηνο, ιόγσ ησλ παξαπάλσ ζηνηρείσλ, εκθαλίδεηαη θαζπζηέξεζε. Ζ ζύλζεηε αληίζηαζε κηαο transmission line ρσξίο απώιεηεο κεηξεκέλε ζε απόζηαζε l από ην θνξηίν είλαη: Z in l = Z 0 Z L + j Z 0 tan βl Z 0 + j Z L tan βl όπνπ β=2π/ι ν θπκαηηθόο αξηζκόο θαη Ε 0 ε ραξαθηεξηζηηθή ζύλζεηε αληίζηαζε πνπ πξνθύπηεη σο ν ιόγνο ηνπ πιάηνπο ηεο ελόο κόλν θύκαηνο ηάζεο πξνο απηό ηνπ ηξέρνληνο θύκαηνο. Ο ππνινγηζκόο ηνπ θπκαηηθνύ αξηζκνύ πξέπεη λα ιακβάλεη ππόςε ηε ζηαζεξά ηαρύηεηαο ηνπ πιηθνύ ηεο transmission line. ηελ ζρεδίαζε θπθισκάησλ πςειώλ ζπρλνηήησλ εθκεηαιιεπόκαζηε ηηο παξαθάησ ηδηαηηεξόηεηεο ησλ transmission lines πνπ πξνθύπηνπλ από ηα παξαπάλσ θαηλόκελα. 63

65 Κεφάλαιο 3 Γξακκέο κηζνύ κήθνπο θύκαηνο: Γηα βl=nπ, Zin=Z L θαη ε γξακκή κπνξεί λα ζεσξεζεί ηέιεηνο αγσγόο. Απηή πεξηιακβάλεη θαη ηε πεξίπησζε όπνπ n=0, δειαδή ην κήθνο ηεο γξακκήο είλαη ακειεηέν σο πξνο ην κήθνο θύκαηνο. Γξακκέο ηεηάξηνπ κήθνπο θύκαηνο: Γηα l=nι/4, Zin=Z 02 / Z L. Πξνζαξκνζκέλν θνξηίν: όπνπ Zin=Z L =Z L. Βξαρπθύθισκα: Γηα Z L =0, Z in l = jz 0 tan βl. Αλνηρηό θύθισκα: Γηα Z L =, Z in l = jz 0 cot(βl). ην ζρεδηαζκό θπθισκάησλ RF ρξεζηκνπνηνύκε ηηο microstrip transmission lines, δειαδή κηα γξακκή ραιθνύ πάλσ ζε έλα επίπεδν γείσζεο. Μπνξνύκε λα δεκηνπξγήζνπκε: Υσξεηηθόηεηα: αθήλνληαο έλα κηθξό θελό ζηε microstrip transmission line. Μεηαζρεκαηηζηή: ηνπνζεηώληαο δύν microstrip transmission lines ζε θνληηλή απόζηαζε. Εσλνπεξαηό θίιηξν: όπνπ ε θεληξηθή microstrip transmission line έρεη κήθνο ίζν κε ην έλα ηέηαξην ηνπ κήθνπο θύκαηνο ζηε ζπρλόηεηα δηέιεπζεο. Ζ είζνδνο θαη ε έμνδνο είλαη επαγσγηθά θαη ρσξεηηθά ζπδεπγκέλεο ζην θεληξηθό ηκήκα. Βέβαηα, όπσο θαη νη πεξηζζόηεξνη θαηαλεκεκέλνη ζπληνληζηέο. ην θεληξηθό ηκήκα επηηξέπεη ηε δηέιεπζε θάζε αξκνληθήο ηεο ζεκειηώδνπο ζπρλόηεηαο. Παξάιιειε ρσξεηηθόηεηα: κε κηα αλνηθηνθπθισκέλε microstrip transmission line κήθνπο 1/8 ηνπ κήθνπο θύκαηνο (ι/8), όπνπ C = 1/(2πf Z 0 ). Δπαγσγή: κε κηα βξαρπθπθισκέλε microstrip transmission line κήθνπο 1/8 ηνπ κήθνπο θύκαηνο (ι/8), όπνπ L = Z 0 2πf. Εικόνα 50 - Σεχνικζσ ςχεδίαςθσ με microstrip transmission lines (1) 64

66 υμπλθρωματικζσ ζννοιεσ Εικόνα 51 - Tεχνικζσ ςχεδίαςθσ με microstrip transmission lines (2) Γεληθά ε ζύλζεηε αληίζηαζε ελόο ηκήκαηνο κηαο microstrip transmission line πνπ ζπλδέεηαη κόλν κε ηε κία άθξε ζηε θύξηα microstrip transmission line (stub), όπσο απηά πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηηο δύν ηειεπηαίεο ηερληθέο, δελ είλαη ίδηα κε απηή ηεο θύξηαο microstrip transmission line. Αληίζεηα, ε ζύλζεηε αληίζηαζε ηνπ ηκήκαηνο (stub) νξίδεηαη έηζη ώζηε λα παξαρζεί ε δεηνύκελε ρσξεηηθόηεηα ή επαγσγή. αλ θαηαλεκεκέλε ηερληθή ζρεδίαζεο νη ι/8 transmission lines είλαη ηερληθή δηέιεπζεο δώλεο θαη κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζε ζπρλόηεηεο θνληά ζηε ζπρλόηεηα f 0 =c/ι. 3.8 S-παπάμεηποι Γηα ηελ αλάιπζε ειεθηξνκαγλεηηθώλ ζπζθεπώλ ζρεδόλ ζε νπνηαδήπνηε ζπρλόηεηα επηλνήζεθε ε ηερληθή ησλ παξακέηξσλ ζθέδαζεο (scattering parameters S-parameters). Ζ ηερληθή ησλ S-παξακέηξσλ ρξεζηκνπνηεί ηε δηάδνζε ηνπ θύκαηνο γηα ηελ πεξηγξαθή ησλ ζπζθεπώλ. Οη S-παξάκεηξνη έρνπλ ζρέζε κε ηηο ζπληζηώζεο αλάθιαζεο θαη δηάδνζεο κηαο ζπζθεπήο πνπ αλαθέξνληαη ζε ζπγθεθξηκέλε ραξαθηεξηζηηθή ζύλζεηε αληίζηαζε. Αθνύ νη ειεθηξνληθέο ζπζθεπέο είλαη γεληθά εμαξηεκέλεο από ηε ζπρλόηεηα, νη S-παξάκεηξνη ζα είλαη γεληθά κηα ζπλάξηεζε ηεο ζπρλόηεηαο. Οη S-παξάκεηξνη είλαη επίζεο βαζηζκέλνη ζηελ ηδέα ησλ ports. Κάζε ζπζθεπή ραξαθηεξίδεηαη από ηνλ αξηζκό ησλ ports ηεο. Αληηζηάζεηο, ππθλσηέο, θεξαίεο θαη πεγέο ηάζεο είλαη παξαδείγκαηα one-ports. Transmission lines, θπκαηνδεγνί, εληζρπηέο θαη θίιηξα είλαη παξαδείγκαηα two-ports. ηα θπθιώκαηα θάζε port 65

67 Κεφάλαιο 3 αληηζηνηρεί ζε έλα δεύγνο θαισδίσλ πνπ θεύγνπλ από ηε ζπζθεπή. Γηα ζπζθεπέο γεληθόηεξα, θάζε port αληηζηνηρεί ζε κηα δηεπαθή εηζόδνπ/εμόδνπ (I/O interface) ηεο ζπζθεπήο. Οη ζπζθεπέο one-port κπνξνύλ λα ρσξηζηνύλ ζε δύν θαηεγνξίεο: θνξηία θαη πεγέο. Έλα θνξηίν one-port έρεη κία παξάκεηξν S 1 πνπ είλαη ίζε κε ηε ζπληζηώζα αλάθιαζεο ηεο ηάζεο: S 1 = Z Z 0 Z + Z 0 όπνπ Z είλαη ε ζύλζεηε αληίζηαζε ηεο ζπζθεπήο. Μηα πεγή one-port θαζνξίδεηαη από δύν παξακέηξνπο: ηελ ζπληζηώζα αλάθιαζεο S 1 θαη ην πιάηνο ηνπ θύκαηνο ηεο πεγήο ηάζεο V s. Γηα κηα AC πεγή ηξνθνδνζίαο V supply, ην θύκα πεγήο ηάζεο (source voltage wave) είλαη ε ηηκή ηεο ηάζεο εμόδνπ όηαλ ε ζύλζεηε αληίζηαζε θνξηίνπ είλαη ίζε κε ηελ ζύλζεηε αληίζηαζε ηεο πεγήο. Ζ ζρέζε πνπ πξνθύπηεη είλαη απιά: V s = V supply 2 Οη S-παξάκεηξνη γηα κηα two-port ζπζθεπή ζρεκαηίδνπλ έλα 2x2 πίλαθα: S = S 11 S 12 S 21 S 22 Οη ζπληζηώζεο S 11 θαη S 22 είλαη νη ζπληζηώζεο αλάθιαζεο ησλ port 1 θαη port 2 αληίζηνηρα. Ζ ζπληζηώζα S 12 είλαη ε ζπληζηώζα δηάδνζεο από ην port 2 ζην port 1 (backward gain). Ζ ζπληζηώζα S 21 είλαη ε ζπληζηώζα δηάδνζεο από ην port 1 ζην port 2 (forward gain). Γηα έλαλ εληζρπηή νη S 11 θαη S 22 έρνπλ ζρέζε κε ηελ ζύλζεηε αληίζηαζε εηζόδνπ θαη εμόδνπ αληίζηνηρα. Ζ S 21 θαζνξίδεη ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή, ελώ ε S 12 είλαη κεδεληθή. Υξεηάδεηαη πξνζνρή θαηά ηε ρξήζε ησλ S-παξακέηξσλ ελόο two-port. Γηα παξάδεηγκα ε S 11 εθθξάδεη ηε ζπληζηώζα αλάθιαζεο κόλν όηαλ ηα δύν ports έρνπλ ηελ ίδηα ζύλζεηε αληίζηαζε. Αλ θαη γηα έλαλ εληζρπηή ε ζύλζεηε αληίζηαζε ζην port 2 κπνξεί λα κελ έρεη ηδηαίηεξν αληίθηππν ζηελ αλάθιαζε ζην port 1, γηα ζπζθεπέο όπσο transmission lines, ε αλάθιαζε ζην port 1 εμαξηάηαη άκεζα από ηελ ζύλζεηε αληίζηαζε ζην port 2. 66

68 χεδίαςθ κατά Sokal Κεθάλαιο 4 σεδίαζη καηά Sokal 4.1 Διζαγυγή Ζ θηινζνθία πίζσ από ηε ζρεδίαζε ηνπ εληζρπηή ηάμεο E, όπσο απηόο πξνηάζεθε από ηνπο Ν. θαη Α. Sokal ην 1975, είλαη όηη ε απόδνζε ηνπ εληζρπηή κεγηζηνπνηείηαη κε ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηεο θαηαλαιηζθόκελεο ηζρύνο. ηνπο πεξηζζόηεξνπο RF εληζρπηέο ηζρύνο ην πην ελεξγνβόξν ηκήκα είλαη ην transistor ηζρύνο: σο ηζρύ νξίδνπκε ην κέζν νινθιήξσκα ηνπ γηλνκέλνπ ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεύκαηνο πνπ ην δηαξξέεη ζε θάζε ρξνληθή ζηηγκή θαηά ηε δηάξθεηα ελόο RF θύθινπ. Παξόιν πνπ ην transistor πξέπεη λα δηαηεξήζεη ζηαζεξά πςειή ηάζε γηα κέξνο ηνπ RF θύθινπ θαη λα νδεγήζεη πςειό ξεύκα γηα κέξνο ηνπ RF θύθινπ, ην θύθισκα κπνξεί λα ζρεδηαζηεί έηζη ώζηε ε πςειή ηάζε θαη ην πςειό ξεύκα λα κε ζπκπίπηνπλ ρξνληθά.. Ζ βαζηθή αξρή είλαη ε ηάζε θαη ην ξεύκα ηνπ ελεξγνύ ζηνηρείνπ λα είλαη θαζηθώο κεηαηνπηζκέλα κεηαμύ ηνπο ώζηε ην γηλόκελν ηάζεο-ξεύκαηνο λα είλαη ρακειό θαζ όιε ηε δηάξθεηα ηνπ RF θύθινπ. ηελ εηθόλα 55 θαίλεηαη ν ζηόρνο ησλ ηδεαηώλ θπκαηνκνξθώλ ηάζεο-ξεύκαηνο ηνπ δηαθόπηε, επηηεύμηκνο θάησ από ηδαληθέο, κόλνλ, ζπλζήθεο, ελώ ζηελ εηθόλα 56 απεηθνλίδεηαη ε πινπνίεζε ηνπ εληζρπηή θαηά Sokal. Εικόνα 52 - Ιδεατζσ κυματομορφζσ τάςθσ-ρεφματοσ του διακόπτθ 67

69 Κεφάλαιο 4 Εικόνα 53 - Τλοποίθςθ κατά Sokal 4.2 ςνθήκερ ζσεδίαζηρ Σνπιάρηζηνλ ζεσξεηηθά ν ηάμεο E εληζρπηήο κπνξεί λα πεηύρεη απόδνζε 100%. ηελ πξαγκαηηθόηεηα ππάξρνπλ απώιεηεο πνπ πεξηνξίδνπλ ηελ απόδνζε όπσο : Απώιεηεο ζηα πελία (απνπληθηηθό-ηξνθνδνζίαο θαη θίιηξνπ). ηελ πξαγκαηηθόηεηα ν ζπληειεζηήο πνηόηεηαο ζηελ πεξηνρή ησλ 2.4GHz γηα πελία ζε ηερλνινγία CMOS είλαη κηθξόηεξνο ηνπ 20, ελώ ζηελ ηδαληθή αλάιπζε ζεσξείηαη άπεηξνο. Αληίζηαζε R ON ηνπ transistor. Φαηλόκελν κλήκεο. Αλ θαη ζηνπο κε γξακκηθνύο εληζρπηέο είλαη πνιύ ιηγόηεξν ζεκαληηθό σο πξνο ηελ απόδνζε ηνπ εληζρπηή από όηη ζηνπο γξακκηθνύο παξακέλεη έλαο παξάγνληαο πνπ κεηώλεη ηελ απόδνζε. Υξόλνο θαζόδνπ ηνπ ξεύκαηνο. Κξίζηκα ζεκεία πνπ ιακβάλνληαη ππόςε ζηε ζρεδίαζε ηνπ εληζρπηή. Μεδεληζκόο ηνπ ξεύκαηνο πξηλ ηελ θόξηηζε ηνπ ππθλσηή C shunt. Μεδεληθή θιίζε ηεο θακπύιεο ξεύκαηνο πξηλ ηελ θόξηηζε ηνπ ππθλσηή C shunt. Μεδεληζκόο ηεο ηάζεο πξηλ ην ελεξγό ζηνηρείν (δηαθόπηεο) αξρίζεη λα άγεη (Εero Voltage Switching-ZVS) Μεδεληθή θιίζε ηεο θακπύιεο ηάζεο πξηλ ην ελεξγό ζηνηρείν (δηαθόπηεο) αξρίζεη λα άγεη. (Zero Voltage Slope Switching-ZVSS) 68

70 χεδίαςθ κατά Sokal 4.3 Παπάμεηποι ζσεδίαζηρ Σα βαζηθά βήκαηα γηα ηελ πινπνίεζε ηεο ζρεδίαζεο είλαη ηα εμήο: Πξνδηαγξαθέο θαη απαηηήζεηο: ζπρλόηεηα, ηζρύο εμόδνπ, γξακκηθόηεηα, απόδνζε. Βαζηθνί ζπιινγηζκνί: Δάλ γηα ιόγνπο γξακκηθόηεηαο-απόδνζεο θαηαιήμεη θαλείο ζηελ επηινγή Δ ηάμεο, ηόηε πξέπεη λα κειεηήζεη ηηο απαηηήζεηο ζε ζπρλόηεηα θαη ηζρύ εμόδνπ. Ζ ηζρύο εμόδνπ είλαη αλάινγε κε ην ηεηξάγσλν ηεο ηξνθνδνζίαο. Ωζηόζν, θάζε ηερλνινγία έρεη ηελ δηθή ηεο ελδεδεηγκέλε ηάζε ηξνθνδνζίαο θαη κάιηζηα όζν πςειόηεξε ηερλνινγία νινθιήξσζεο ρξεζηκνπνηείηαη, ηόζν κηθξόηεξε ηξνθνδνζία απαηηείηαη. Μηα πνιύ ζεκαληηθή παξάκεηξνο πνπ πξέπεη επίζεο λα ιεθζεί ππόςε είλαη ε ηάζε δηάζπαζεο δηειεθηξηθνύ. Ζ κέγηζηε ηάζε ηεο εθξνήο δε ζα πξέπεη ζε θακία πεξίπησζε λα ππεξβαίλεη ηελ ηάζε δηάζπαζεο. Δπηινγή ηερλνινγίαο: Αλάινγα κε ηα πξνεγνύκελα επηιέγεηαη ηερλνινγία πνπ λα ηαηξηάδεη ζηηο απαηηήζεηο. Θα πξέπεη ν ρξόλνο κεηάβαζεο κεηαμύ ησλ θαηαζηάζεσλ ΟΝ θαη OFF λα είλαη ην πνιύ ην 1/10 ηεο πεξηόδνπ ιεηηνπξγίαο, αιιηώο ε έμνδνο δελ ζα κπνξεί λα παξαθνινπζήζεη ηελ είζνδν. Καηά θαλόλα όζν πςειόηεξε ηερλνινγία νινθιήξσζεο ρξεζηκνπνηείηαη, ηόζν κεγαιύηεξε είλαη ε ηαρύηεηα απόθξηζεο ηνπ θπθιώκαηνο. Δπηινγή απιήο ή δηαθνξηθήο ζπλδεζκνινγίαο: Γεληθά ε δηαθνξηθή δηάηαμε είλαη πνιύ θαιή ζηελ απόξξηςε ζνξύβνπ. Απαηηεί σζηόζν πνιύ θαιή πξνζαξκνγή ( matching ) ησλ δπν ελεξγώλ ζηνηρείσλ. Δύξεζε αξρηθώλ ηηκώλ γηα ηδαληθή πεξίπησζε: Υξεζηκνπνηνύληαη ζπλήζσο νη ηύπνη ησλ Kazimierczuk Suetsugu. Ρύζκηζε ησλ ηεζζάξσλ κεγεζώλ (δπν ρσξεηηθόηεηεο θαη δπν επαγσγέο): Υξεζηκνπνηνύληαη νη ηύπνη ηνπ Sokal. ηνλ θόκβν ηεο εθξνήο γηα ηα ξεύκαηα ηζρύεη I c (ζ)= I DD -I m sin(ζ+θ) ζηελ πεξίπησζε πνπ ην transistor είλαη OFF, θαη I s (ζ)= I DD -I m sin(ζ+θ) ζηελ πεξίπησζε πνπ είλαη OΝ. Ζ γσλία θ επηιέγεηαη από ηνλ ζρεδηαζηή θαη καδί κε ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο θαζνξίδεη ηελ κέγηζηε ηηκή ηεο ηάζεο εθξνήο. Απηό είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθό γηα απνθπγή δηάζπαζεο δηειεθηξηθνύ. Γηα παξάδεηγκα γηα θ=-0.04rad V Dmax /V DD =7.38 ελώ γηα θ=-0.45rad V Dmax /V DD =3.14. Οη αξρηθέο ηηκέο βάζεη ηεο γσλίαο θ, ηνπ θνξηίνπ R, ηεο ζπρλόηεηαο ιεηηνπξγίαο σ θαη ηνπ ζπληειεζηή πνηόηεηαο ησλ πελίσλ Q είλαη: X = R(cot φ π2 2 sin 2φ ) 69

71 Κεφάλαιο 4 L 1 = 2 π R f L 2 = RQ ω sin 2φ C 1 = 2 ωπ 2 R C 2 = 1 ω(rq X) 4.4 Ανάλςζη εξιζώζευν ζσεδίαζηρ Αλαιπηηθέο εμηζώζεηο ζρεδίαζεο γηα ην θύθισκα ηεο εηθόλαο 56 κπνξνύλ λα ιεθζνύλ κόλν αλ ζεσξήζνπκε όηη ην ξεύκα ζην δηθηύσκα L 2, C 2 είλαη εκηηνλνεηδέο. Απηή ε ππόζεζε είλαη αθξηβήο κόλν αλ ην δηθηύσκα έρεη ζπληειεζηή ζρεδίαζεο Q L =2πfL2/R άπεηξν θαη απνδίδεη πξννδεπηηθά ιηγόηεξν αθξηβή απνηειέζκαηα όζν ην Q L παξεθθιίλεη πξννδεπηηθά πεξηζζόηεξν από ην άπεηξν. Ζ παξάκεηξνο Q L ππόθεηηαη ζηε ζπλζήθε Q L ώζηε λα ηεξείηαη ε πξνβιεπόκελε θπκαηνκνξθή ηάζεο ζην δηαθόπηε εθόζνλ απηόο έρεη θύθιν ιεηηνπξγίαο (duty ratio) 50%. Ζ έμνδνο ηνπ εληζρπηή εμαξηάηαη θαηά θύξην ιόγν από ηε ηάζε ηξνθνδνζίαο ζπιιέθηε/εθξνήο V CC θαη ηελ αληίζηαζε θνξηίνπ R, αιιά επίζεο θαη από ηελ επηινγή ηηκήο ηνπ Q L. Ζ αλαζεσξεκέλε δεκνζίεπζε ηνπ Ν. Sokal ην 2001 ιακβάλεη ππόςε θαη απηή ηε παξάκεηξν, ηνπνζεηώληαο ηελ απόδνζε ηζρύνο ζε έλα κεησκέλν επίπεδν θαηά 38% - 10% ηνπ αλακελόκελνπ γηα έλα ζύλεζεο εύξνο ηνπ Q L από 1.8 έσο 5. Μηα εθηίκεζε ηεο απόδνζεο ηζρύνο θαη ησλ ηηκώλ C 1 θαη C 2 βάζεη ηνπ Q L, παξνπζηάδεηαη ζηνλ αθόινπζν πίλαθα. 70

72 χεδίαςθ κατά Sokal Οη αθόινπζεο εμηζώζεηο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ γηα ηελ εύξεζε ησλ επί κέξνπο ζηνηρείσλ ηεο δηάηαμεο. κε R on ηελ R DS(on) ηνπ MOSFET ή ηελ R CE(sat) ηνπ BJT θαη ESR ηελ ελεξγό αληίζηαζε ζεηξάο ηνπ θάζε άεξγνπ ζηνηρείνπ. γηα ηελ εθηηκώκελε απόδνζε εθξνήο/ζπιιέθηε. Ωο t f ζπκβνιίδεηαη ν ρξόλνο θαζόδνπ από 100% ζην 0% ηεο ππνηηζέκελεο γξακκηθήο πηώζεο ηνπ ξεύκαηνο εθξνήο/ζπιιέθηε ζην θιείζηκν ηνπ transistor, ελώ ν κεησηηθόο όξνο 0.01 αλαθέξεηαη ζε εθηηκώκελε κείσζε ηεο απόδνζεο θαηά 1% ιόγσ ησλ απσιεηώλ ζηηο dc θαη RF αληηζηάζεηο ηνπ πελίνπ ηξνθνδνζίαο L 1. κε επηιεγόκελν παξάγνληα αζθαιείαο SF κηθξόηεξν ηεο κνλάδαο, ώζηε λα επηηξέπεηαη απόθιηζε από ηε ζύλζεηε αληίζηαζε θνξηίνπ πξνο αύμεζε ηνπ κεγίζηνπ ηεο θνξπθήο ηάζεσο. Π.ρ. SF=0.8. κε ρξήζε πνιπσλύκσλ δεπηέξαο ηάμεσο γηα ην Q L γηα απόθιηζε ±0.15%. 71

73 Κεφάλαιο 4 κε ρξήζε πνιπσλύκσλ ηξίηεο ηάμεσο γηα ην Q L γηα απόθιηζε % %. Ζ V 0 είλαη κεδεληθή γηα MOSFETs, ελώ γηα BJT είλαη ε offset ηάζε θνξεζκνύ (0.1V γηα ρακειέο ζπρλόηεηεο έσο θαη κεξηθά volts γηα πςειόηεξεο, αλάινγα κε ηελ ηερλνινγία νινθιήξσζεο). 4.5 Κςμαηομοπθή οδήγηζηρ Ζ θαιύηεξε δπλαηή θπκαηνκνξθή ηάζεο νδήγεζεο ζηε πύιε ηνπ transistor είλαη ηξαπεδνεηδήο κε ρξόλν θαζόδνπ 30% ή ιηγόηεξν ηεο πεξηόδνπ. Ληγόηεξν από απηό ην πνζνζηό κεηώλεη ηελ απώιεηα ηζρύνο θαηά ην turn-off ηνπ δηαθόπηε, αιιά απμάλεη ηελ θαηαλάισζε ηζρύνο ηνπ θπθιώκαηνο νδήγεζεο. Μία νδήγεζε από εκηηνλνεηδέο ζήκα είλαη επίζεο εθηθηή, αιιά όρη πξνηηκεηέα. Γηα θύθιν ιεηηνπξγίαο 50%, ην κεδεληθό επίπεδν ηεο εκηηνλνεηδνύο θπκαηνκνξθήο πξέπεη λα βξίζθεηαη ειαθξώο πάλσ από ην θαηώθιη turn-on ηνπ MOSFET. Γηα κηα θαιύηεξε πξνζέγγηζε ζα έπξεπε λα αθαηξεζεί ην ηκήκα ηνπ εκηηόλνπ θάησ από ηελ V GS πνπ εμαζθαιίδεη off ιεηηνπξγία, αληηθαηεζηεκέλν από κηα ζπλερή ηάζε ίζε κε ηε V GS. Με απηό ηνλ ηξόπν ειαηηώλεηαη θαηά ζρεδόλ 50% ε ηζρύο νδήγεζεο, ζρεδόλ δηπιαζηάδνληαο ην θέξδνο ηζρύνο ηεο βαζκίδαο εμόδνπ. 72

74 χεδίαςθ κατά Sokal 4.6 Απόδοζη ενιζσςηή Βαζηθόο ζηόρνο θάζε εληζρπηή είλαη λα απνδίδεη ηελ απαηηνύκελε ηζρύ ζην επηζπκεηό θνξηίν. Γηα λα κπνξέζεη λα γίλεη αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο δηαθόξσλ εληζρπηώλ πξέπεη νη απνδόζεηο λα είλαη ηνπ ίδηνπ ηύπνπ. Απόδνζε εθξνήο ή ζπιιέθηε: Δίλαη ε πην θιαζηθή κνξθή απόδνζεο θαη νξίδεηαη σο ην πειίθν ηεο ηζρύνο ζηελ επηζπκεηή ζπρλόηεηα πξνο ηελ DC θαηαλάισζε ηζρύνο : η Drain = P 0 P DC,PA Απόδνζε κεηαηξνπήο: Δίλαη ην πειίθν ηεο νιηθήο ηζρύνο εμόδνπ πξνο ηελ DC θαηαλάισζε ηζρύνο. η Conversion = P Total Output P DC,PA Οιηθή απόδνζε: Ίζσο ε πην ζεκειηώδεο θαη ε πην νπζηαζηηθή γηαηί πεξηγξάθεη θαη δίλεη απάληεζε ζην βαζηθό εξώηεκα, δειαδή πόζε ηζρύ απνδίδεη ν εληζρπηήο θαη πόζε ηζρύ θαηαλαιώλεη ην θύθισκα ζπλνιηθά. ηνλ παξνλνκαζηή πεξηιακβάλνληαη θαη νη απώιεηεο ησλ θπθισκάησλ νδήγεζεο. η Total = P DC,PA + P 0 n i=1 P DC,DRV Απόδνζε πξόζζεηεο ηζρύνο Power Added Efficiency (PAE): Έλα κέγεζνο πνπ αλαθέξεηαη ζηηο πεξηζζόηεξεο ζρεδηάζεηο. Δίλαη παξαπιήζηα κε ηελ νιηθή απόδνζε κε ηε δηαθνξά όηη από ηνλ αξηζκεηή αθαηξείηαη ε ηζρύο ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. P 0 P in PAE = n P DC,PA + i=1 P DC,DRV Γπλαηόηεηα ηζρύνο εμόδνπ (Output Power Capability): Δίλαη έλα κέγεζνο πνπ πεξηγξάθεη πόζν θνληά είλαη ε ηζρύο εμόδνπ ζην γηλόκελν ησλ κέγηζησλ ηηκώλ ηάζεο θαη ξεύκαηνο. P 0 C P = V DS,max I DS,max 73

75 Κεφάλαιο Ρύθμιζη ηηρ κςμαηομοπθήρ ηος ενιζσςηή ηάξηρ E Ζ αθξηβήο επηινγή ησλ ππθλσηώλ θαη ησλ πελίσλ είλαη ζε κεγάιν βαζκό κηα δηαδηθαζία δνθηκήο ιάζνπο. ηελ εηθόλα 57 παξνπζηάδεηαη κηα ιάζνο ξπζκηζκέλε θακπύιε V CE. Tα νπζηώδε ραξαθηεξηζηηθά είλαη: ηελ πεξηνρή T OFF : Ζ ηηκή ηεο ηάζεο ζα πξέπεη λα είλαη ίζε κε V CE(SAT) γηα BJT θαη κεδέλ γηα MOSFET. Σν κέγηζην ηεο ηάζεο ίζν κε V CE. Σν πξώην ειάρηζην ηεο ηάζεο θαη ε ρξνληθή ζηηγκή πνπ παξνπζηάδεηαη. ηελ πεξηνρή T OΝ : Ζ ηηκή ηεο ηάζεο θαη ε θιίζε ηεο θακπύιεο ζην turn-on ηνπ transistor. Αθνύ ην transistor γίλεη ON, λα παξακείλεη ε ηάζε ζηελ ειάρηζηε ηηκή ηεο. Εικόνα 54 - Λάκοσ ρυκμιςμζνθ καμπφλθ V CE Σν παξαθάησ δηάγξακκα (εηθόλα 58) παξνπζηάδεη ηνπο θαλόλεο ξύζκηζεο ηνπ Sokal, πξνθεηκέλνπ λα γίλεηαη ξύζκηζε ηεο θπκαηνκνξθήο ηνπ εληζρπηή βάζεη ησλ ζηνηρείσλ ηνπ. 74

76 χεδίαςθ κατά Sokal Εικόνα 55 - Κανόνεσ ρφκμιςθσ του Sokal Οη πεξηπηώζεηο όπνπ απαηηείηαη ξύζκηζε ηεο θπκαηνκνξθήο θαη ν ελδεδεηγκέλνο ηξόπνο γηα λα γίλεη απηή απεηθνλίδνληαη ζηελ εηθόλα

77 Κεφάλαιο 4 Εικόνα 56 - Ρφκμιςθ κυματομορφισ 76

78 χεδίαςθ κατά Milosevic Κεθάλαιο 5 σεδίαζη καηά Milosevic 5.1 Διζαγυγή πσο πξναλαθέξζεθε, ε ηάμε E πξνηάζεθε ην 1975 ζαλ ελαιιαθηηθόο ηύπνο δηαθνπηηθνύ εληζρπηή. ηελ εηθόλα 60 θαίλεηαη ην βαζηθό θύθισκα, ελώ ζηελ εηθόλα 61 ην ηζνδύλακό ηνπ. Εικόνα 57 Βαςικό κφκλωμα τάξθσ E Εικόνα 58 Ιςοδφναμο κφκλωμα τάξθσ E 77

79 Κεφάλαιο 5 Σν θύθισκα απνηειείηαη από έλα ελεξγό ζηνηρείν, πνπ κπνξεί λα είλαη BJT, HBT, JFET, MESFET ή MOSFET όπσο ζηελ παξνύζα αλάιπζε, έλα απνπληθηηθό πελίν RFC θαη ηα ππόινηπα παζεηηθά ζηνηρεία πνπ ζρεκαηίδνπλ ην θνξηίν. Δπίζεο, ζηε πξαθηηθή πινπνίεζε πεξηιακβάλεηαη δίθηπν πξνζαξκνγήο (matching network) ζηελ είζνδν θαη ηελ έμνδν. Σν θύθισκα ηεο εηθόλαο 60 απνηειεί ηελ πξσηόηππε πινπνίεζε ε νπνία κπνξεί λα πινπνηεζεί θαη δηαθνξηθά, θαζθσδηθά ή λα ρξεζηκνπνηεζνύλ πην πεξίπινθα δηθηπώκαηα πξνζαξκνγήο πνπ λα πεξηιακβάλνπλ θίιηξα, αξκνληθέο παγίδεο θηι. πλνπηηθά κόλν, είλαη άμηα αλαθνξάο ηα θύξηα ζεκεία ιεηηνπξγίαο ηεο δηάηαμεο. ε αληίζεζε κε ηνπο γξακκηθνύο εληζρπηέο π.ρ. A, AB, B, C όπνπ ην transistor ιεηηνπξγεί σο πεγή ξεύκαηνο ειεγρόκελε από ην ζήκα εηζόδνπ, ζηε ηάμε E ην transistor ιεηηνπξγεί σο on-off δηαθόπηεο. Καηά ηε δηάξθεηα ηεο θαηάζηαζεο ON (θιεηζηόο δηαθόπηεο) ην transistor δηαξξέεηαη από ηδηαίηεξα πςειό ξεύκα θαη πξέπεη λα εκθαλίδεη όζν ην δπλαηόλ κηθξόηεξε αληίζηαζε, γηα απηό ην ιόγν θαη ην transistor έρεη εμαηξεηηθά δπζαλάινγν πιάηνο ζε ζρέζε κε ην κήθνο ηνπ. Δλ αληηζέζεη, θαηά ηελ OFF θαηάζηαζε (αλνηθηόο δηαθόπηεο) πξέπεη λα βξίζθεηαη ζηελ θαηάζηαζε απνθνπήο εκθαλίδνληαο πνιύ κεγάιε ζύλζεηε αληίζηαζε θαη λα είλαη ηθαλό λα αληέμεη κηα αύμεζε ηάζεο ζηα άθξα ηνπ. Άξα κηιάκε γηα κηα ηδηαίηεξα κε γξακκηθή πεξηνρή ιεηηνπξγίαο. Ο δηαθόπηεο αλνηγνθιείλεη ζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο κε θύθιν εξγαζίαο (duty cycle) 50%, απνηειώληαο έλα ζπκβηβαζκό (trade-off) κεηαμύ ηεο κέγηζηεο δπλαηήο ηάζεο θαη ηνπ κέγηζηνπ δπλαηνύ ξεύκαηνο. Γηα ηελ πξνζέγγηζε ηεο ιεηηνπξγίαο ππάξρνπλ πνιιέο δηαθνξεηηθέο αλαιύζεηο, από επίιπζε δηαθνξηθώλ εμηζώζεσλ κέρξη αλάιπζε ζην πεδίν ζπρλνηήησλ. ρεηηθά κε ην RF πελίν (παξνρή DC) απαηηείηαη πνιύ κεγάιε επαγσγή, ώζηε λα επηηξέπεηαη κόλν ε δηέιεπζε ηεο DC ζπληζηώζαο, γηα απηό ραξαθηεξίδεηαη θαη σο απνπληθηηθό. ε ηερλνινγίεο CMOS παξνπζηάδεηαη ζρεηηθά κεγάιε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα πεγήο-εθξνήο. ε αληίζεζε κε ηνπο εληζρπηέο ηάμεο F όπνπ απηό είλαη πξόβιεκα, ζηνπο ηάμεο E ε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα κεηαηξέπεηαη ζε επηζπκεηό ζηνηρείν ηνπ θπθιώκαηνο θαη βνεζά ζηελ εμνηθνλόκεζε ελέξγεηαο. Ζ ρσξεηηθόηεηα C P πινπνηείηαη από ηελ ρσξεηηθόηεηα εμόδνπ ηνπ MOSFET θαη ζε πεξίπησζε πνπ απηή δελ επαξθεί πξνζηίζεηαη θαη ν ππθλσηήο C 1. Σν θύθισκα ζεηξάο L 2 -C 2 πινπνηεί ην ζπληνληζηή L S -C S ηεο ζπρλόηεηαο ιεηηνπξγίαο (εδώ 2.4GHz), ελώ κηα επηπιένλ επαγσγή ΓL πξνζηίζεηαη γηα ηε βέιηηζηε ξύζκηζε ηεο δηάηαμεο, ε νπνία επηβάιιεη ηειηθά κηα εκηηνλνεηδή θπκαηνκνξθή ζην ξεύκα ηνπ θνξηίνπ. 78

80 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 59 - Σάςθ ςτα άκρα του διακόπτθ Καηά ηελ θαηάζηαζε OFF ηνπ δηαθόπηε ην ζπλνιηθό ξεύκα (DC θαη ζηηγκηαίν) δηαξξέεη ηε ρσξεηηθόηεηα C P θνξηίδνληαο/εθθνξηίδνληάο ηελ θαη ε ηάζε ηνπ δηαθόπηε έρεη ηελ αζύκκεηξε ραξαθηεξηζηηθή ηεο εηθόλαο 62. Καηά ηελ θαηάζηαζε ON ε ηάζε ζηα άθξα ηνπ δηαθόπηε είλαη κεδεληθή (ηνπιάρηζηνλ ζε ηδαληθή ιεηηνπξγία) θαη ην ξεύκα δηαξξέεη ηώξα ην δηαθόπηε. Ζ πςειή απόδνζε ηνπ θπθιώκαηνο νθείιεηαη ζην όηη δελ θαηαλαιίζθεηαη ηζρύο ζην δηαθόπηε: ε ηάζε v sw θαη ην ξεύκα i sw δελ είλαη πνηέ ηαπηνρξόλσο δηάθνξα ηνπ κεδελόο. Δπηπξνζζέησο, πξνθεηκέλνπ λα ππάξρεη κηα νκαιή κεηάβαζε ηνπ δηαθόπηε (ειαρηζηνπνηώληαο απώιεηα ζε κεηαβαηηθά θαηλόκελα) ηε ζηηγκή ηεο κεηάβαζεο ζε ON πξέπεη ε v sw αιιά θαη ε θιίζε ηεο λα είλαη κεδεληθέο. Έηζη εμαζθαιίδεηαη ε κε εθθόξηηζε ηεο ρσξεηηθόηεηαο κέζσ ηνπ δηαθόπηε. 5.2 Δπιλογή ηυν ζηοισείυν Πξνθεηκέλνπ λα δηαζθαιηζηεί ην πξναλαθεξζέλ ζεκείν ιεηηνπξγίαο επηιέγνληαη: ΔL = 1.152R load ω C P = ωr load Οη ηηκέο ησλ L S θαη C S δελ θαζνξίδνληαη αλεμάξηεηα, αιιά ζε ζπκθσλία κε ην επηιεγόκελν ζπληειεζηή πνηόηεηαο ηνπ LC θπθιώκαηνο. Ζ επηινγή απνηειεί παξάκεηξν ζρεδίαζεο θαη είλαη ζπκβηβαζκόο αλάκεζα ζε δηάθνξα θξηηήξηα. Ζ κηθξόηεξε επηηξεπόκελε ηηκή γηα ην Q L είλαη θαη νη πξαθηηθέο ηηκέο πεξίπνπ 10. Άξα: L S = (Q L 1.152)R load ω 79

81 Κεφάλαιο 5 C S = 1 ω 2 L S Σέινο, ε αληίζηαζε θόξηνπ θαζνξίδεηαη από ηελ επηζπκεηή ηζρύ εμόδνπ θαη ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο σο: R load = V dc 2 P out ε πξαθηηθέο πινπνηήζεηο νη επαγσγέο L S θαη ΓL αζξνίδνληαη ζηελ L 2, ε C 2 είλαη ε C S θαη ε C 1 θαζνξίδεηαη από ηελ αληίζηαζε εμόδνπ ηνπ transistor θαη ηε C P. Ζ ηηκή ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ δελ είλαη θξίζηκε, αιιά πξέπεη λα είλαη αξθεηά πςειή ώζηε λα κπινθάξεη ην RF ζήκα. 5.3 σεδίαζη και ςλοποίηζη ζηο Cadence Virtuoso ζε ηεσνολογία UMC σεδίαζη Γεκηνπξγνύκε έλα θαηλνύξγην Cell (εηθόλα 63) θαη εηζάγνπκε έλα transistor ηεο ηερλνινγίαο UMC018 όπσο θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 64. Εικόνα 60 - Δθμιουργία καινοφργιου Cell 80

82 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 61 - Ειςαγωγι transistor τθσ UMC018 ηελ επόκελε εηθόλα απεηθνλίδεηαη ε εηζαγσγή ελόο πελίνπ ηεο UMC018. Εικόνα 62 - Ειςαγωγι πθνίου τθσ UMC018 ε απηό ην ζεκείν ζα ήηαλ ηδηαίηεξα ρξήζηκε ε ζρεδίαζε κηαο δηάηαμεο γηα ην πξνζδηνξηζκό ηεο αληίζηαζεο R ON ηνπ transistor πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί. Αθνινπζεί ην ζρεκαηηθό. 81

83 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 63 - Διάταξθ για το προςδιοριςμό τθσ αντίςταςθσ R ON του transistor ηελ ON θαηάζηαζε ην ΝMOS ηζνδπλακεί κε κία αληίζηαζε R ΟΝ παξάιιεια κε κηα ρσξεηηθόηεηα C shunt. ηαλ ην ΝMOS βξίζθεηαη ζε θαηάζηαζε OFF, ε ηάζε ηεο εθξνήο είλαη ίζε κε ηελ ηξνθνδνζία. ηαλ πεξλά ζε θαηάζηαζε ΟΝ, ν ππθλσηήο θνξηίδεηαη ζε θάπνην ρξνληθό δηάζηεκα θαη από εθεί θαη πέξα ην ξεύκα πεξλά κόλν από ηελ αληίζηαζε R ΟΝ νπόηε, αλ ζεσξήζνπκε όηη δελ άγεη ζην DC ε ρσξεηηθόηεηα, έρνπκε δηάηαμε δηαηξέηε ηάζεο θαη κε γλσζηή ηελ V DC, ηε V D θαη ηελ R 0 κπνξνύκε λα βξνύκε ηελ αληίζηαζε R ON. Ωο είζνδνο ζηελ πύιε ηνπ ΝMOS ρξεζηκνπνηείηαη ηεηξαγσληθόο παικόο γηαηί είλαη ην ζήκα κε ην κηθξόηεξν ρξόλν κεηάβαζεο (transition time) θαη έηζη κπνξνύκε λα δηαπηζηώζνπκε πσο απνθξίλεηαη ζηηο γξήγνξεο κεηαβνιέο (εηθόλα 67). Εικόνα 64 - ιμα ειςόδου και απόκριςθ του κυκλϊματοσ 82

84 χεδίαςθ κατά Milosevic Μεηξώληαο ηελ DC ηάζε V D ζην drain ηνπ MOSFET σο εμήο: Check and Save -> Tools -> Analog Environment ->Choose Analyses > dc->ok θαη έπεηηα Tools -> Calculator->dc tab-> vdc θαη επηιέγνπκε ην ζεκείν κέηξεζεο (εδώ ηε Vd) πξνθύπηεη V D V (εηθόλα 68). Εικόνα 65 - Μζτρθςθ V D Άξα: V D = R ON R V DC R ON + R ON = V DR 0 = Ω 0 V DC V D Λόγσ ηεο R ON, ε απόδνζε κεηώλεηαη αθνύ: 1 η = R ON R load Βάζεη ησλ θάησζη πξνδηαγξαθώλ ζρεδηάδεηαη ην ζρεκαηηθό ηεο εηθόλαο 69. Vdc E+00 NF 100 Pout E-01 Q E+00 σ E+10 Rload E+01 Cd 2.32E-12 ΓL E-10 Cp E-13 Ls E-09 Cs E-13 ΓL+Ls E-09 83

85 Κεφάλαιο 5 =>ΓL+Ls=7.49nH. Δπηινγή Ind_C7 θαη Ind_C8 από ηα πξνζνκνησκέλα πελία ηεο UMC018 (Document πξνδηαγξαθώλ ηερλνινγίαο). Εικόνα 66 - χθματικό Πποζομοίυζη ζηο Cadence Virtuoso Δπηιέγνπκε: Analog Environment: Simulate Currents (εηθόλα 70) Εικόνα 67 - Simulate Currents θαη ζηε ζπλέρεηα: Choose Analysis θαη Netlist and Run 84

86 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 68 - Choose Analyses Εικόνα 69 - Netlist and Run Γηα ηελ απεηθόληζε ησλ θπκαηνκνξθώλ αλνίγνπκε ην ελζσκαησκέλν Calculator θαη επηιέγνπκε ην ζεκείν πνπ ζέινπκε λα κεηξήζνπκε. Εικόνα 70 - Calculator 85

87 Κεφάλαιο σεδίαζη με σπήζη ηυν πηνίυν ηηρ UMC018 ζηο RFC και ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού ηελ εηθόλα 74 απεηθνλίδεηαη ε ηάζε εμόδνπ ηνπ εληζρπηή, ε νπνία θαίλεηαη θαη ζε κεγέζπλζε ζηελ εηθόλα 75, ελώ ζηηο εηθόλεο 76 θαη 77 βξίζθεηαη ζε θνηλό δηάγξακκα κε ην ξεύκα ζην θνξηίν θαη ην ζήκα εηζόδνπ αληίζηνηρα. Εικόνα 71 - V out Εικόνα 72 - V out ςε μεγζκυνςθ 86

88 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 73 - V out, I out Εικόνα 74 - V out, V in πσο είλαη εκθαλέο, δελ παξαηεξείηαη ελίζρπζε ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. ηε ζπλέρεηα παξαηίζεηαη ην δηάγξακκα ηάζεο εθξνήο (εηθόλα 78) ηνπ transistor (V D ). Γεληθά, ζηε ζρεδίαζε ζέινπκε λα έρνπκε όζν ην δπλαηόλ πςειόηεξε V D, ρσξίο όκσο λα ππεξβαίλνπκε ηε ηάζε δηάζπαζεο (V breakdown ) ηνπ transistor. ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε ε ηάζε δηάζπαζεο ηνπ Ν_18_ΜΜ είλαη 4.2V. 87

89 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 75 - V D Ζ επηινγή ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ απνηειεί έλα πνιύ ζεκαληηθό ζέκα ζηελ ζρεδίαζε ηνπ εληζρπηή. ηελ εηθόλα 79 θαίλεηαη ε δηάηαμε ηνπ πελίνπ ηεο UMC018 θαη ην αληίζηνηρν ηζνδύλακό ηνπ. Αλ ρξεζηκνπνηεζεί πνιύ κεγάιν πελίν, ιόγσ κεγάιεο αληίζηαζεο, έρνπκε κεγάιε πηώζε ηάζεο θαη απώιεηα ηζρύνο θαηά κήθνο ηνπ. Από ηελ άιιε, έλα πνιύ κηθξό πελίν δελ πξνζθέξεη ηελ απαξαίηεηε αληίζηαζε πξνθεηκέλνπ λα πξνθπιάμεη ην transistor από ηε δηάζπαζε, αιιά νύηε θαη ηελ απαξαίηεηε αληίδξαζε γηα ηελ έιεπζε κόλν ηεο DC ζπληζηώζαο. ηελ εηθόλα 80 θαίλεηαη ζρεηηθό κήλπκα ηνπ Cadence ζε πεξίπησζε δηάζπαζεο ηνπ transistor, ελώ ζηελ 81 θαίλεηαη κηα αηρκή ηεο V D πνπ ππεξβαίλεη ηελ ηάζε δηάζπαζεο θαηά ηελ έλαξμε ιεηηνπξγίαο ηνπ εληζρπηή. ηελ εηθόλα 82 θαίλεηαη ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή αλ ην transistor άληερε ηε ζπγθεθξηκέλε V D πξνθαλώο ιόγσ ρακειήο απώιεηαο ηζρύνο ζηε ρακειή αληίζηαζε ηνπ πελίνπ ζα ήηαλ βειηησκέλε. Εικόνα 76 - Πθνία τθσ UMC018 και θ αντίςτοιχθ μοντελοποίθςθ τουσ. 88

90 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 77 - Προειδοποιθτικό μινυμα του Cadence για υπζρβαςθ τθσ τάςθσ διάςπαςθσ του transistor Εικόνα 78 - Αιχμι τθσ V D που υπερβαίνει τθ V breakdown Εικόνα 79 - V out για V D >V breakdown 89

91 Κεφάλαιο 5 Βαζηθή παξάκεηξνο ηνπ εληζρπηή απνηειεί θαη ε ρσξεηηθόηεηα C shunt. πσο πξναλαθέξζεθε ηκήκα απηήο πινπνηείηαη από ηε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα πεγήοεθξνήο ηνπ MOSFET. Ζ βειηηζηνπνίεζε ηεο C P, ε νπνία αλαθέξεηαη ηώξα ζηε ζπκπιεξσκαηηθή ρσξεηηθόηεηα πνπ καδί κε ηελ C ds ζρεκαηίδνπλ ηε C shunt, κπνξεί λα γίλεη κέζσ παξακεηξηθήο αλάιπζεο. Αξρηθά αληηθαζηζηνύκε ηε C P, πνπ κέρξη ζηηγκήο πινπνηείηαη από κία MIMCAPM_RF ηεο UMC018, από κηα απιή ηδαληθή cap κε ρσξεηηθόηεηα c=a ώζηε λα κπνξεί λα δερζεί πνιιαπιέο ηηκέο (εηθόλα 83). ηε ζπλέρεηα επηιέγνπκε ηε παξάκεηξν αθνινπζώληαο ηε δηαδξνκή Analog Environment ->Variables->Edit->Cellview Variables Copy From (εηθόλα 84). Έπεηηα ξπζκίδνπκε ηελ transient αλάιπζε όπσο πξνεγνπκέλσο. Αθνινπζεί ν θαζνξηζκόο ηνπ εύξνπο ηηκώλ ηεο επηζπκεηήο παξακέηξνπ από ην Tools -> Parametric Analysis θαη έπεηηα ε εθθίλεζε ηεο πξνζνκνίσζεο κέζσ Analysis -> Start (εηθόλα 85). Εικόνα 80 - Αντικατάςταςθ τθσ C P από ιδανικι χωρθτικότθτα Εικόνα 81 - Επιλογι παραμζτρου 90

92 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 82 - Κακοριςμόσ εφρουσ τιμϊν παραμζτρου Σα απνηειέζκαηα ηεο παξακεηξηθήο αλάιπζεο γηα ηηο V out, V D, θαη I out θαίλνληαη ζηηο εηθόλεο 86, 87 θαη 88 αληίζηνηρα. Δίλαη εκθαλέο όηη ηα θαιύηεξα απνηειέζκαηα πξνθύπηνπλ γηα C P =0.1pF θαη ηα ρεηξόηεξα γηα C P =10pF. Εικόνα 83 - Παραμετρικι ανάλυςθ: V out 91

93 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 84 - Παραμετρικι ανάλυςθ: V D Εικόνα 85 - Παραμετρικι ανάλυςθ: I out Σειηθώο, παξαιείπνπκε ηε ρσξεηηθόηεηα C P, θαζώο πξνθαλώο αξθεί ε παξαζηηηθή C ds ηνπ transistor. ηελ εηθόλα 89 θαίλεηαη ην ηειηθό ζρεκαηηθό κε απνπληθηηθό πελίν (Ldc->Ind_C18) θαη πελίν δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο πινπνηεκέλα κέζσ πελίσλ ηεο ηερλνινγίαο UMC018. Αθνινπζνύλ νη γξαθηθέο παξαζηάζεηο ησλ V out -V in (εηθόλα 90), V out -Η out (εηθόλα 91), V D -Η D (εηθόλα 92). ηελ ηειεπηαία εηθόλα παξαηεξνύκε ηελ νξηαθή εθπιήξσζε ησλ ζπλζεθώλ Raab. 92

94 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 86 - χθματικό με χριςθ πθνίων τθσ UMC018 Εικόνα 87 - V out -V in 93

95 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 88 - V out -I out Εικόνα 89 - V D -I D 94

96 χεδίαςθ κατά Milosevic σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο RFC ηε ζπλέρεηα εμεηάδεηαη ε ρξήζε bondwire (βιέπε ζρεηηθό θεθάιαην) γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ θαη ηα πιενλεθηήκαηα πνπ πξνζθέξεη ε ρακειή αληίζηαζε θαη θαη επέθηαζε ν πςειόο ζπληειεζηήο πνηόηεηαο ηνπ bondwire. ηελ εηθόλα 93 απεηθνλίδεηαη ην ζρεκαηηθό ηεο λέαο πξνζέγγηζεο, ελώ ζηηο εηθόλεο 94 θαη 95 ε V D θαη νη V out -I out αληίζηνηρα. Πξέπεη λα αλαθεξζεί όηη έρεη ρξεζηκνπνηεζεί παξακεηξηθή αλάιπζε πξνθεηκέλνπ λα βξεζεί ην νξηαθόηεξν πελίν (ιόγσ αληίζηαζεο ηζνδύλακνπ θηι.) ώζηε ε V d <V breakdown. Εικόνα 90 - χθματικό με bondwire ωσ αποπνικτικό πθνίο Εικόνα 91 - V D 95

97 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 92 - V out -I out Δίλαη εκθαλήο ε βειηίσζε ηεο απόδνζεο ιόγσ ηεο ρξήζεο ηνπ bondwire σο απνπληθηηθό πελίν. Δθεί όκσο πνπ είλαη ζεακαηηθή ε δηαθνξά ζηελ απόδνζε ιόγσ ηνπ bondwire, είλαη ζηελ πεξίπησζε πνπ απηό ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα πινπνηεζεί ε επαγσγή ηνπ δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού ην ζρεκαηηθό ηεο εηθόλαο 96 έρεη ρξεζηκνπνηεζεί bondwire πξνθεηκέλνπ λα πινπνηεζεί ε επαγσγή ηνπ δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηεο ζρεδίαζεο είλαη ηα αθόινπζα. Vdc = 1,500 ω = 1,50796E+10 Rload = 1,29825E+01 Pout = 0,100 π = 3,14159 ΔL = 9,91790E-10 Q = 8,700 Cp = 9,38339E-13 NF = 1400,000 Ls = 6,49829E-09 f = 2,400E+09 Cs = 6,76735E-13 ΔL+Ls = Cd = 7,49008E-09 4,50573E-10 L filter = 6,45000E-03 m 96

98 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα 93 - χθματικό με χριςθ bondwire ςτο κφκλωμα ςυντονιςμοφ Αθνινπζνύλ ηα δηαγξάκκαηα ησλ V D, V out -I out, V out -V in. Εικόνα 94 - V D 97

99 Κεφάλαιο 5 Εικόνα 95 - V out -I out Εικόνα 96 - V out -V in 98

100 χεδίαςθ κατά Milosevic σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο RFC και ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού Σειεπηαία εμεηάδνπκε ηε πεξίπησζε ηεο πινπνίεζεο ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ θαη ηεο επαγσγήο ηνπ δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο κέζσ bondwire. Σν ζρεκαηηθό παξνπζηάδεηαη ζηελ εηθόλα 100 θαη έρεη ζρεδηαζηεί κε ηηο αθόινπζεο πξνδηαγξαθέο. Vdc = 1,500 ω = 1,50796E+10 Rload = 1,29825E+01 Pout = 0,100 π = 3,14159 ΔL = 9,91790E-10 Q = 8,700 Cp = 9,38339E-13 NF = 1400,000 Ls = 6,49829E-09 f = 2,400E+09 Cs = 6,76735E-13 ΔL+Ls = 7,49008E-09 L filter = 6,4500E-03 m Cd = 4,50573E-10 L choke= 2,1500E-03 m Εικόνα 97 - χθματικό με χριςθ bondwire ςε RFC και κφκλωμα ςυντονιςμοφ 99

101 Κεφάλαιο 5 πσο θαίλεηαη από ηελ εηθόλα 101 ε πνιύ ρακειή αληίζηαζε ηνπ bondwire νδεγεί ην transistor ζε δηάζπαζε. Γηα ηελ απνθπγή ηνπ θαηλνκέλνπ, κέζσ παξακεηξηθήο αλάιπζεο (εηθόλα 102) επηιέγεηαη ε κηθξόηεξε δπλαηή αληίζηαζε ώζηε V D <V breakdown (πεξίπνπ 2.8Ω). Σν ζρεκαηηθό αιιάδεη ζε απηό ηεο εηθόλαο 103. Εικόνα 98 - V D >V breakdown Εικόνα 99 - Παραμετρικι ανάλυςθ για επιλογι τθσ R 2 100

102 χεδίαςθ κατά Milosevic Εικόνα χθματικό με χριςθ bondwire ςε RFC και κφκλωμα ςυντονιςμοφ Αθνινπζνύλ ηα δηαγξάκκαηα ησλ V D -I D, V out -I out, V out -V in. Εικόνα V D -I D 101

103 Κεφάλαιο 5 Εικόνα V out -I out Εικόνα V out -V in 102

104 χεδίαςθ κατά Wang Κεθάλαιο 6 σεδίαζη καηά Wang 6.1 Διζαγυγή Σν Γεθέκβξην ηνπ 2007 ν Tao Wang πξόηεηλε έλα λέν κνληέιν ζρεδίαζεο ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ, ν νπνίνο απνηειείηαη από δύν transistors ζπλδεδεκέλα ζε θαζθσδηθή δηάηαμε, από έλαλ πξνεληζρπηή ηάμεο F θαη από ηα ππόινηπα ζηνηρεία πνπ ζπλζέηνπλ ην θιαζηθό κνληέιν ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ θαη έρνπλ πξναλαθεξζεί. Ο Wang κειέηεζε ην ζπγθεθξηκέλν ζρέδην ζε ηερλνινγία 0.18κm όπνπ θαη έθαλε ηηο απαξαίηεηεο πξνζνκνηώζεηο. ην παξόλ θεθάιαην ζα εμεηαζηνύλ ιεπηνκεξώο νη ζπλζήθεο, νη πξνϋπνζέζεηο θαη νη απαηηήζεηο πνπ πξέπεη λα ιεθζνύλ ππ όςηλ γηα λα θαηαιήμεη έλαο ζρεδηαζηήο ζην βέιηηζην ζρέδην ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ αθνινπζώληαο ην κνληέιν ηνπ Wang. ην παξόλ ζρέδην, ε ζπζθεπή νδεγεί ην transistor ζηα όξηα ζηηο αθόινπζεο δύν πεξηπηώζεηο. Έλα ζελάξην είλαη όηη ε πςειόηεξε ηάζε ζην δηαθόπηε εκθαλίδεηαη όηαλ ν δηαθόπηεο είλαη αλνηθηόο, νδεγώληαο ζε πηζαλή δηάζπαζε ηνπ νμεηδίνπ. Σν δεύηεξν είλαη όηη απαηηείηαη πςειό ξεύκα θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θύθινπ ιεηηνπξγίαο ηνπ δηαθόπηε (δηαθόπηεο θιεηζηόο). Δληνύηνηο, ε πεπεξαζκέλε αγσγηκόηεηα g m παξάγεη απξνζδόθεηε απόδνζε. Αλ θαη κία κεγαιύηεξε ζπζθεπή κπνξεί λα παξάγεη πςειόηεξν ξεύκα θάησ από ηελ ίδηα εμσηεξηθή πόισζε, ε επαθόινπζε πςειή ρσξεηηθόηεηα ηεο ζπζθεπήο κπνξεί λα πξνθαιέζεη απόθιηζε ζηηο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο ηνπ θπθιώκαηνο, πνπ νδεγνύλ ζε κε βέιηηζηεο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο. Δπνκέλσο, ζηελ πξάμε απαηηνύληαη πεξίπινθεο παξαιιαγέο. ην ζεκείν απηό νθείινπκε λα παξαζέζνπκε θάπνηα γεληθά ζηνηρεία ηα νπνία είλαη ζεκαληηθά λα γλσξίδεη ν ζρεδηαζηήο όζνλ αθνξά ηηο επηδξάζεηο πνπ έρνπκε ζε έλα ζρέδην θαζώο θαηεβαίλνπκε ζε ηερλνινγία. Ζ πξόνδνο ζηηο CMOS ηερλνινγίεο έρεη ηαπηηζηεί κε ηε δηαξθή πξνζπάζεηα γηα κείσζε ησλ δηαζηάζεσλ ησλ ηειηθώλ ζρεδίσλ. Απηό ην γεγνλόο νδεγεί ζε κεγαιύηεξε νινθιήξσζε, ζε κηθξόηεξε θαηαλάισζε ηζρύνο, ζε κηθξόηεξε θαζπζηέξεζε ησλ ζεκάησλ θαζώο θαη ζε πςειόηεξε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο. Οη ζπλήζεηο επηδξάζεηο πάλσ ζηε MOSFET ζπζθεπή, εμ αηηίαο ηεο κείσζεο ηνπ κεγέζνπο, θαίλνληαη ζπλνπηηθά ζηνλ παξαθάησ πίλαθα κε ηε βνήζεηα ελόο ζπληειεζηή θιηκάθσζεο α. 103

105 Κεφάλαιο 6 Εικόνα 104 υνικεισ επιδράςεισ πάνω ςτο MOSFET Πεπιοπιζμοί ηηρ ηάζηρ διάζπαζηρ Γεληθά, πςειόηεξε ηαιάλησζε ηεο ηάζεο νδεγεί ζε πςειόηεξε ηζρύ εμόδνπ. Αιιά ε ηαιάλησζε ηεο ηάζεο δελ κπνξεί λα απμεζεί απεξηόξηζηα. Σν αλώηεξν όξην ηεο ηάζεο ζην δηαθόπηε ηίζεηαη από ηε ζρεηηθά ρακειή ηάζε δηάζπαζεο ηνπ νμεηδίνπ, ε νπνία είλαη ζηα 4.2V γηα ηελ ηερλνινγία 0.18κm CMOS. Μηα πξαθηηθή εθηίκεζε ζρεδίαζεο γηα ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο ζε έλαλ θιαζηθό εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ, ν νπνίνο ρξεζηκνπνηεί έλα transistor, δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: V DD,max = V breakdown 3.56 = 1.18 V Ζ ρακειή ηάζε ηξνθνδνζίαο απαηηεί πςειήο πνηόηεηαο matching network ζηελ έμνδν, ην νπνίν είλαη δύζθνιν λα πινπνηεζεί ζε CMOS. Μηα ιύζε γηα ηε ρακειή ηάζε δηάζπαζεο είλαη λα ρξεζηκνπνηεζεί ε θαζθσδηθή ζρεδίαζε πνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα

106 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα 105 Καςκωδικι διάταξθ Σα θαζθσδηθά θπθιώκαηα κπνξνύλ λα απμήζνπλ απνηειεζκαηηθά ηα όξηα αληνρήο ηεο ζπζθεπήο κε θόζηνο, βέβαηα, ηελ κεγαιύηεξε έθηαζε ηνπ ηζηπ. Ζ «πίεζε» ηίζεηαη, έπεηηα, ζην transistor θνηλήο πύιεο, γεγνλόο πνπ αλαδεηθλύεηαη ζηελ εηθόλα 109. Εικόνα 106 Κυματομορφζσ τθσ τάςθσ εκροισ των transistor κοινισ πφλθσ και κοινισ πθγισ Σα κέγηζηα όξηα ηεο ηάζεο πάλσ ζην νμείδην, γηα ηελ θαζθσδηθή θαη ηε ζπκβαηηθή single-ended δηάηαμε, δίλνληαη από ηηο παξαθάησ εμηζώζεηο: V stress,m2 = V SM V GG θαη V stress,m1 = V M2,max V in,min = V GG V t V in,min V stress,m1 = V SM V in,min αληίζηνηρα. πλήζσο, ε ηηκή ηεο V bias ηίζεηαη ζε έλα επίπεδν θνληά ζηε V DC. Σειηθά, ηα κέγηζηα όξηα ζηελ θαζθσδηθή δηάηαμε θαη ζε απηή κε έλα transistor είλαη 2.56V DC 105

107 Κεφάλαιο 6 θαη 3.56V DC, αληίζηνηρα. Δπνκέλσο, ε κέγηζηε ηάζε ηξνθνδνζίαο ζηελ θαζθσδηθή δηάηαμε δίλεηαη από ηνλ ηύπν: V DD,max = V Breakdown 2.56 = 1.64 V Δάλ ππάξρεη ε αλάγθε λα μεπεξαζηεί απηό ην όξην, ε ηάζε πόισζεο γηα ην θαζθσδηθό transistor πξέπεη λα απμεζεί γηα λα απνθεπρζνύλ πηζαλνί θίλδπλνη δηάζπαζεο ηνπ νμεηδίνπ Πεπιοπιζμοί εξ αιηίαρ ηηρ πεπεπαζμένηρ επαγυγήρ Οη πεξηνξηζκνί ζηηο δηαζηάζεηο ησλ transistor νθείινληαη ζπλήζσο ζηελ πεπεξαζκέλε αγσγηκόηεηα θαη ηε κεγάιε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα. Γηα λα απνθεπρζεί ε κεγάιε απώιεηα ηζρύνο, ε ηάζε εθξνήο ζηελ ηάμε Δ πξέπεη λα θξαηεζεί ηδαληθά ζην κεδέλ θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θύθινπ ζηελ νπνία ν δηαθόπηεο είλαη θιεηζηόο. ηελ πξάμε, όκσο, ε αγσγηκόηεηα είλαη πεπεξαζκέλε. Καηά ζπλέπεηα ε ηάζε ζην δηαθόπηε είλαη επάλσ από κεδέλ όηαλ ην transistor είλαη on, ην νπνίν θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 110. Εικόνα 107 DC I-V κυματομορφζσ ενόσ MOSFET ςτα 0,18μm CMOS Γηα λα ειαρηζηνπνηεζεί ε απώιεηα ηζρύνο ιόγσ ηεο πεπεξαζκέλεο αγσγηκόηεηαο, είλαη αλαγθαίν λα ιεθζεί ην κέγηζην δπλαηό ξεύκα ζην δηαθόπηε, ελώ παξάιιεια λα δηαηεξεζεί ε ηάζε όζν ην δπλαηόλ κηθξόηεξε. ηελ πξάμε, ε ηάζε εθξνήο θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ θύθινπ ιεηηνπξγίαο είλαη πνιύ κηθξόηεξε από ηελ ηάζε κεηώπνπ. Δπνκέλσο, ην transistor ιεηηνπξγεί κέζα ζηε γξακκηθή πεξηνρή. Σν ξεύκα εθξνήο θαη ε ηάζε εθξνήο ζπλδένληαη κεηαμύ ηνπο κε ηελ παξαθάησ εμίζσζε: i ds = μ C ox W L V GS V t V ds 2 V ds 106

108 χεδίαςθ κατά Wang Γηα λα θξαηεζεί ην transistor κέζα ζηε γξακκηθή πεξηνρή, ε ηάζε εθξνήο V ds ηίζεηαη ρακειόηεξα από ηελ ηάζε κεηώπνπ, π.ρ. γύξσ ζηα 0.25V th. Σάζε εθξνήο πνπ είλαη πάξα πνιύ ρακειή νδεγεί ζε κεγάιν κέγεζνο ζπζθεπήο ή ζε πςειή ηάζε πύιεο-πεγήο, ηα νπνία κπνξνύλ λα πξνθαιέζνπλ ππνβάζκηζε ζηε γεληθή απόδνζε. Γεδνκέλνπ όηη ε ζπζθεπή ιεηηνπξγεί ζηε γξακκηθή πεξηνρή, ε αληίζηαζε πνπ δηακνξθώλεηαη από ην αγώγηκν θαλάιη κπνξεί λα θαζνξηζηεί από ηελ εμίζσζε: R on = v ds i ds = μ C ox W V GS V t V ds 2 Οη Raab θαη Sokal παξείραλ κηα έθθξαζε γηα απηή ηελ απώιεηα ηζρύνο εμ αηηίαο ηεο παξαζηηηθήο αληίζηαζεο πνπ ζε ηδαληθέο πεξηπηώζεηο πεξηγξάθεηαη από ηελ εμίζσζε: L P loss,ron R on R P o Δπνκέλσο, ε κείσζε ηεο πξναλαθεξζείζαο αληίζηαζεο κπνξεί λα βειηηώζεη ηελ απόδνζε. Γύν ηξόπνη πηνζεηνύληαη ζπλήζσο γηα λα ιεθζεί κηθξόηεξε ηηκή γηα ηελ R on : κεγαιύηεξν κέγεζνο ζπζθεπήο ή πςειόηεξε ηάζε πύιεο-πεγήο. Γπζηπρώο, θαη νη δύν κέζνδνη έρνπλ παξελέξγεηεο. Δίλαη δύζθνιν λα θηάζνπκε ζε πςειόηεξε ηάζε πύιεο-πεγήο εθηόο αλ ρξεζηκνπνηεζεί έλα ηζρπξό θύθισκα νδήγεζεο. Σν κεγαιύηεξν κέγεζνο ηεο ζπζθεπήο νδεγεί ζε κεγάιε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα. Καζεκία από ηηο δύν ιύζεηο πξνθαιεί θάπνηα ππνβάζκηζε ζηε γεληθή απόδνζε ηνπ εληζρπηή ηζρύνο Δπίδπαζη ηηρ παπαζιηικήρ συπηηικόηηηαρ πύληρ εκεία πνπ ρξήδνπλ πξνζνρήο ζηε ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή ηάμεο-δ είλαη νη ρσξεηηθόηεηεο εηζόδνπ θαη εμόδνπ. ηαλ ην transistor είλαη ζηε ζέζε on, ε κεγάιε ρσξεηηθόηεηα εηζόδνπ απαηηεί κεγάιν ρξόλν θόξηηζεο θαη κεγάιν ξεύκα εηζόδνπ, ην νπνίν κε ηε ζεηξά ηνπ ζέηεη απζηεξέο απαηηήζεηο ζην θύθισκα νδήγεζεο. Ζ ρσξεηηθόηεηα εηζόδνπ C G ζηε γξακκηθή πεξηνρή απνηειείηαη από ηηο ρσξεηηθόηεηεο θαλαιηνύ θαη επηθάιπςεο, νη νπνίεο κπνξνύλ λα εθθξαζηνύλ από ηελ εμίζσζε: C G = C GSO + C GDO + C GC Ζ ρσξεηηθόηεηα πύιεο πξέπεη λα θνξηηζηεί κέρξη ηελ V GS θαη λα εθθνξηηζηεί κέρξη ην κεδέλ. Αλ ππνζέζνπκε όηη ην ζήκα εηζόδνπ είλαη έλα ηεηξαγσληθό ζήκα, απηή ε δηαδηθαζία θαηαλαιώλεη DC ηζρύ πνπ δίλεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε: P drive = f C G V GS 2 107

109 Κεφάλαιο Δπίδπαζη ηηρ παπαζιηικήρ συπηηικόηηηαρ εκποήρ Ζ ρσξεηηθόηεηα εθξνήο εμόδνπ C D δηαδξακαηίδεη έλαλ θξίζηκν ξόιν ζηνλ εληζρπηή ηάμεο Δ. Γύν ζεκαληηθέο επηδξάζεηο εμεηάδνληαη ζπλήζσο: ε κε γξακκηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα θαη ε πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα εθξνήο. Καη' αξράο, ε κε γξακκηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα πξνθαιεί πςειόηεξε ηάζε εθξνήο απ' όηη ζηελ ηδαληθή πεξίπησζε. Ζ κε γξακκηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα πξνέξρεηαη ζπλήζσο από ηε ρσξεηηθόηεηα ζπλδέζεσλ θαη κπνξεί λα εθθξαζηεί κε ηελ παξαθάησ εμίζσζε: C = C j0 1 + v s V bi n n+1 όπνπ ν όξνο n n+1 = MJ είλαη έλαο δηαβαζκηζκέλνο ζπληειεζηήο. Ζ κέγηζηε ηάζε εθξνήο ζε έλαλ ηδαληθό εληζρπηή ρσξίο κε-γξακκηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: n+1 v SM = V bi V DD n + 1 V bi C j0 C Γεύηεξνλ, ε ρσξεηηθόηεηα εθξνήο εμόδνπ θαζνξίδεη ηε κέγηζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ θπθιώκαηνο. Μηθξόηεξε ρσξεηηθόηεηα ζα έρεη πςειόηεξε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο. Γηα έλαλ ηδαληθό εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ κε είζνδν κε 50% duty cycle, ε κέγηζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: f max C, R = 1 π 3 R C Δπηπιένλ, ε ρσξεηηθόηεηα εθξνήο εμόδνπ C D έρεη άκεζα επηπηώζεηο ζηηο ζπλζήθεο εξγαζίαο ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ. πσο αλαθέξζεθε λσξίηεξα, νη βέιηηζηεο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο δελ επηηξέπνπλ απώιεηεο ζηνλ ππθλσηή δηαθιάδσζεο ηε ζηηγκή πνπ ην transistor γίλεηαη on, δηαθνξεηηθά ζα εκθαληζηεί απώιεηα ηζρύνο. Μηα πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο ζα πάξεη πεξηζζόηεξν γηα λα θνξηηζηεί θαη λα εθθνξηηζηεί εάλ νη ππόινηπνη όξνη παξακείλνπλ νη ίδηνη, νδεγώληαο ζε απώιεηεο ζην δηαθόπηε. ε κηα ηδαληθή πεξίπησζε κε 50% duty cycle, ε απώιεηα ηζρύνο ζηνλ ππθλσηή δηαθιάδσζεο ππνινγίδεηαη από ηελ εμίζσζε: P loss,switc ing = 1 2 f C 1 V dsw 2 όπνπ ε V dsw είλαη ε ηάζε εθξνήο ηε ζηηγκή πνπ θιείλεη ν δηαθόπηεο. Ζ V dsw κπνξεί λα πξνζδηνξηζηεί από ην ζπλνιηθό θνξηίν Q ην νπνίν απνζεθεύεηαη ζηνλ ππθλσηή δηαθιάδσζεο: 108

110 χεδίαςθ κατά Wang Q = 1 2f 0 I dc I o sin ωt + φ dt Δπίζεο, Q = I dc 2f I o cos φ π f Με ηε βνήζεηα ηεο ζρέζεο V dsw = Q C 1 θαηαιήγνπκε ζηελ εμίζσζε: P loss,switc ing = 1 I dc 2 f C 1 2 I o cos φ π Γιεπεύνηζη για ηη διασείπιζη ηυν μη-βέληιζηυν κςμαηομοπθών καηά ηην έναπξη λειηοςπγίαρ Τπό βέιηηζηεο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο, ε απώιεηα ηζρύνο ζην δηαθόπηε πξέπεη λα είλαη κεδέλ. Μπνξεί λα εμαρζεί όηη ην cosφ είλαη ίζν κε ζε ηδαληθέο 4+π 2 πεξηπηώζεηο, ην νπνίν είλαη ίδην κε ην πξνεγνύκελν απνηέιεζκα. ζνλ αθνξά ηηο κεβέιηηζηεο πεξηπηώζεηο, ν αληίθηππνο ηεο πιενλάδνπζαο ρσξεηηθόηεηαο είλαη πεξίπινθνο επεηδή ηα Η dc, Η o θαη cosφ επεξεάδνληαη ζπγρξόλσο, νδεγώληαο ζε ππνβάζκηζε ηεο PAE (Power Added Efficiency) θαη ηεο ηζρύνο εμόδνπ. Γεδνκέλνπ όηη ε βέιηηζηε θαηάζηαζε θαζνξίδεηαη κεκνλσκέλα από ην δίθηπν ηνπ θνξηίνπ, νπνηαδήπνηε απξνζδόθεηε αιιαγή ζην δίθηπν ηνπ θνξηίνπ ζα νδεγήζεη ζε κεβέιηηζηε ιεηηνπξγία. Δάλ έλα θνκκάηη ηνπ θπθιώκαηνο κεηαηνπίδεηαη από ηελ πξνζδνθώκελε ηηκή ηνπ, νη επηδξάζεηο κπνξνύλ λα αληηζηαζκηζηνύλ κε ηε ξύζκηζε ησλ ππόινηπσλ ζηνηρείσλ. π Εικόνα 108 Επίδραςθ τθσ πλεονάηουςασ χωρθτικότθτασ τθσ εκροισ ςτισ κυματομορφζσ τθσ εκροισ 109

111 Κεφάλαιο 6 Εικόνα Επίδραςθ τθσ πλεονάηουςασ χωρθτικότθτασ τθσ εκροισ ςτισ κυματομορφζσ τθσ εκροισ Οη επηδξάζεηο ηεο πιενλάδνπζαο ρσξεηηθόηεηαο δηαθιάδσζεο ζηηο βέιηηζηεο ζπλζήθεο εξγαζίαο δηεπθξηλίδνληαη ζηηο εηθόλεο 111 θαη 112. αθώο, απνδεηθλύεηαη όηη όζν κεγαιύηεξε ε ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο, ηόζν πςειόηεξε θαη ε ηάζε εθξνήο ηε ζηηγκή πνπ ην transistor γίλεηαη on, κε ζπλέπεηα λα εκθαλίδνληαη πεξηζζόηεξεο δηαρεόκελεο απώιεηεο. Δπεηδή ην πςειό ξεύκα εκθαλίδεηαη σο παικόο, ε απώιεηα ηζρύνο δελ είλαη ηόζν ζεκαληηθή εάλ ε πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα είλαη ιηγόηεξν από ην 50% ηεο πξνβιεθζείζαο. Αληίζεηα, ην επίπεδν ηζρύνο εμόδνπ ππνβηβάδεηαη αηζζεηά. Ζ εηθόλα 113 δείρλεη όηη ε ηζρύο εμόδνπ ππνβηβάδεηαη γξεγνξόηεξα από ηελ PAE. Από ηελ εηθόλα, γλσξίδνπκε όηη όηαλ ππάξρεη 100% πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα, ε ηζρύο εμόδνπ πεξηνξίδεηαη ζην 81% αλ θαη ε PAE παξακέλεη ζην 90.9%. Πξνθαλώο, πξέπεη λα πηνζεηεζνύλ άιιεο πξνζεγγίζεηο γηα λα δηνξζώζνπλ ηνλ πεξηνξηζκό ηεο ηζρύνο εμόδνπ. Εικόνα 110 Κανονικοποιθμζνθ PAE και υποβάκμιςθ τθσ ιςχφοσ εξόδου εξ αιτίασ τθσ πλεονάηουςασ χωρθτικότθτασ Από ηηο εηθόλεο 111 θαη 112, γλσξίδνπκε όηη ε ηάζε εθξνήο ηε ζηηγκή πνπ ν δηαθόπηεο γίλεηαη on, είλαη αλάινγε πξνο ηε ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο, ή ηε ρξνληθή ζηαζεξά RC. Γηα λα κεηώζεη απηήλ ηελ επηβιαβή ηάζε εθξνήο, θάπνηνο 110

112 χεδίαςθ κατά Wang κπνξεί λα κεηώζεη ηε ρξνληθή ζηαζεξά κε ηε κείσζε ηεο ηηκήο ηεο R. Σα απνηειέζκαηα απηήο ηεο κεζόδνπ δηεπθξηλίδνληαη ζηελ εηθόλα 114. Απηή ε κέζνδνο κπνξεί λα βειηηώζεη ηελ PAE αιιά ην επίπεδν ηζρύνο εμόδνπ παξακέλεη ην ίδην. Γηα λα ιεθζεί ην επηζπκεηό επίπεδν ηζρύνο εμόδνπ, έλα πεξαηηέξσ βήκα είλαη λα απμεζεί ε ηάζε ηξνθνδνζίαο ιίγν, δεδνκέλνπ όηη ην P o είλαη αλάινγν πξνο απνηειέζκαηα εκθαλίδνληαη ζηηο εηθόλεο 115 θαη 116. V DD 2 R. Σα Εικόνα 111 Μείωςθ τθσ τάςθσ εκροισ τθ ςτιγμι που γίνεται on, μειϊνοντασ τθ χρονικι ςτακερά Εικόνα 112 Ρφκμιςθ τθσ τάςθσ τροφοδοςίασ για τθν επίτευξθ τθσ επικυμθτισ ιςχφοσ εξόδου Από ηελ εηθόλα 115, θάπνηνο κπνξεί λα αλακέλεη όηη ε απόδνζε ηζρύνο ζα παξέκελε θαηά πξνζέγγηζε ζηαζεξή επεηδή νη ηάζεηο εθξνήο ηε ζηηγκή πνπ ην transistor γίλεηαη on, είλαη ζρεδόλ ακεηάβιεηεο, ελώ ε ηζρύο εμόδνπ ζα εληζρπζεί αθνύ ε ηάζε ηξνθνδνζίαο απμάλεη. Σα απνηειέζκαηα ζηελ εηθόλα 116 επηβεβαηώλνπλ απηή ηε πξόβιεςε. 111

113 Κεφάλαιο 6 Εικόνα 113 Επίδραςθ τθσ αυξθμζνθσ τάςθσ τροφοδοςίασ Από ηελ πξνεγνύκελε αλάιπζε, απνδεηθλύεηαη όηη ε πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα εθξνήο νδεγεί ζε ζεκαληηθέο ππνβαζκίζεηο ζηελ PAE θαη ζηελ ηζρύ εμόδνπ. Γηα λα κεησζνύλ ηέηνηεο επηδξάζεηο θαη λα απνθαηαζηαζνύλ νη βέιηηζηεο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο, νη ζρεδηαζηέο κπνξνύλ λα απμήζνπλ ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο θαη ζπγρξόλσο λα κεηώζνπλ ην θνξηίν. Παξαδείγκαηνο ράξηλ, εάλ ππάξρεη 50% πιενλάδνπζα ρσξεηηθόηεηα, κε ζπλέπεηα ηελ ππνβάζκηζε θαηά 14% ζηελ ηζρύ εμόδνπ, ε ηάζε ηξνθνδνζίαο πξέπεη λα απμεζεί θαηά 1 (1 14%) = 1.08, ην νπνίν θαίλεηαη ζε πξνεγνύκελεο εηθόλεο. Καη ε αληίζηαζε θνξηίνπ πξέπεη λα κεησζεί ζε 1/1,5 = 66,7% ηεο αξρηθήο ηηκήο ηεο. Με ηε ζύγθξηζε ηεο απόδνζεο ηνπ θπθιώκαηνο πξηλ θαη κεηά από ηελ εθαξκνγή απηήο ηεο ιύζεο, πνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 117, κπνξνύκε λα δηαθξίλνπκε ηελ ηζρύ απηήο ηεο πξαθηηθήο πξνζέγγηζεο. Εικόνα 114 φγκριςθ των τάςεων εκροισ πριν και μετά τθ λφςθ αντιςτάκμιςθσ. Η κανονικοποιθμζνθ ιςχφσ εξόδου αυξάνει από 0,86 ζωσ 0,995 κατόπιν αντιςτάκμιςθσ Απηέο νη κέζνδνη ρεηξηζκνύ πνπ ζπδεηνύληαη εδώ κπνξνύλ λα επεθηαζνύλ γηα λα ρεηξηζηνύλ ηηο γεληθά κε-βέιηηζηεο θπκαηνκνξθέο πνπ δελ ηθαλνπνηνύλ ην θξηηήξην ZVS. 112

114 χεδίαςθ κατά Wang 6.2 σεδίαζη και πποζομοίυζη ηηρ βαθμίδαρ εξόδος Ππυηόκολλο ζσεδίαζηρ ηος ενιζσςηή και επαλήθεςζη Αξρηθά, επηιέγνπκε ηελ επηζπκεηή ηζρύ εμόδνπ P o, ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο V DD, ηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο f θαη ην πεπεξαζκέλν πελίν L dc (ή RFC) πνπ απνκνλώλεη ην DC ζήκα. Έηζη έρνπκε ηηο παξαθάησ ζρέζεηο: P o = 200 mw V DD = 1.5 V f = 2.4 GHz L dc = nh Oη αξρηθέο ηηκέο γηα ηα ηκήκαηα ησλ θπθισκάησλ ζην δίθηπν ηνπ θνξηίνπ κπνξνύλ λα θαζνξηζηνύλ εθαξκόδνληαο ηηο πξνηεηλόκελεο παξαθάησ εμηζώζεηο γηα ην ζρέδην νη νπνίεο πξνθύπηνπλ κε ηε βνήζεηα ησλ curve fitting tools ηνπ Matlab κε ηελ αληηθαηάζηαζε X dc /R dc από ln(x dc /R dc ), κε ηελ αζθαιή παξαδνρή όηη ε αληίδξαζε ηνπ RFC είλαη κεγαιύηεξε από e 10. θαη X = R dc XB = X dc = ω L dc = 2 π f L dc = Ω R dc = V DD 2 = Ω P o m = ln Q dc = ln X dc R dc = 1.63 R = R dc m m m m m m m m m m m m m m m B = XB X 113

115 Κεφάλαιο 6 Σα ππνινγηζκέλα απνηειέζκαηα θαίλνληαη ζηνλ παξαθάησ πίλαθα. Όνομα πρλόηεηα ιεηηνπξγίαο f Δπηζπκεηή ηζρύο εμόδνπ P o Σάζε ηξνθνδνζίαο V DD Πελίν L dc Φνξηίν R Αληίδξαζε X Γηαθιαδηζκέλε αγσγηκόηεηα Β Σιμή 2.4 GHz 200 mw 1.5 V nh 8.1 Ω Ω S Σν θύθισκα θαη ηα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο θαίλνληαη ζηηο εηθόλεο 118 θαη 119, αληίζηνηρα. Εικόνα 115 Κφκλωμα για τθν επιβεβαίωςθ τθσ βακμίδασ του φορτίου Εικόνα 116 Κυματομορφζσ ονομαςτικισ τάςθσ και ονομαςτικοφ ρεφματοσ εκροισ 114

116 χεδίαςθ κατά Wang Σν θύθισκα είλαη ηθαλό λα δώζεη ζην θνξηίν ηζρύ 201 mw κε απόδνζε 99.8%. Ζ κέγηζηε ηάζε εθξνήο είλαη ζηα 5.4 V θαη ην κέγηζην ξεύκα ζην δηαθόπηε είλαη 376 mα. Απηά ηα απνηειέζκαηα παξέρνπλ έλαλ νδεγό γηα ηε ζρεδίαζε ηνπ transistor Ππακηική ζσεδίαζη ηηρ βαθμίδαρ εξόδος ε απηό ην ηκήκα, ν ηδαληθόο δηαθόπηεο αληηθαζίζηαηαη από πξαγκαηηθά transistor. Γεδνκέλνπ όηη ε ηάζε εθξνήο έρεη ππεξβεί ηελ ηάζε δηάζπαζεο νμεηδίνπ, ε θαζθσδηθή ηνπνινγία πηνζεηείηαη ζε απηή ηε ζρεδίαζε ηεο ελεξγήο ζπζθεπήο. Ζ ηάζε πόισζεο V GG γηα ην transistor θνηλήο πύιεο θαζνξίδεηαη από ηε ζρέζε: V GG > 3.6 V DD V breakdown = 1.2 V Μία θαιή πξαθηηθή είλαη ζέζνπκε ηηο V GG θαη V DD ζηελ ίδηα ηηκή. Από ηηο πξνδηαγξαθέο ηεο ζρεδίαζεο, ην κέγηζην ξεύκα ζην δηαθόπηε κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηελ εμίζσζε: I SM = 2.84 I dc = 2.84 P o V DD = 378 ma, ην νπνίν είλαη θνληά ζηελ ηηκή πνπ ππνινγίζζεθε ζηελ πξνζνκνίσζε ηνπ θπθιώκαηνο. Βαζηζκέλνη ζε απηή ηελ απαίηεζε γηα ην ξεύκα εθξνήο, ε αξρηθή ηηκή γηα ην κέγεζνο ηεο ζπζθεπήο κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηε ζρέζε: όπνπ W 4 I SM L μ n C ox V GS 9 8 V t V t, μ n C ox = κα/v 2 γηα ηελ ηερλνινγία 0.18 κm CMOS V t είλαη ε ηάζε θαησθιίνπ ζηα 0.5 V V GS είλαη ε ηάζε εηζόδνπ ζην transistor θνηλήο πεγήο. Σππηθά, είλαη ίζε κε ηε V DD γηα ηεηξαγσληθέο θπκαηνκνξθέο. Καηά ζπλέπεηα, ην transistor πξέπεη λα έρεη ην ειάρηζην πιάηνο ζπζθεπήο ζηα 1650 κm γηα λα επηηξέπεηαη ε δηέιεπζε ηνπ επηζπκεηνύ ξεύκαηνο ζην δηαθόπηε. ηελ πξάμε, ηα transistor ηέηνηνπ κεγάινπ πιάηνπο απνηεινύληαη από πνιιά fingers. Δάλ έλα finger έρεη πιάηνο 30 κm, ηόηε απαηηνύληαη ηνπιάρηζηνλ 55 fingers (NF = Number of Fingers = 55). Με ην πιάηνο ηεο ζπζθεπήο γλσζηό, κπνξνύκε λα αμηνινγήζνπκε ηηο επηδξάζεηο ησλ παξαζηηηθώλ ρσξεηηθνηήησλ C G θαη C D. Γεδνκέλνπ όηη ε επίδξαζε ηεο ρσξεηηθόηεηαο πύιεο - εθξνήο εμαιείθεηαη από ηελ θαζθσδηθή ηνπνινγία, ε ρσξεηηθόηεηα πύιεο C G δίλεηαη από ηελ εμίζσζε: 115

117 Κεφάλαιο 6 C G = C ox W L eff + 2 C ox x d W = C ox W L 2.52 pf Ζ κεγάιε ρσξεηηθόηεηα πύιεο απαηηεί από ην πξνεγνύκελν ζηάδην λα παξέρεη κεγάιε ηζρύ νδήγεζεο. Ζ ηζρύο κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηελ εμίζσζε: P drive = f C G V GS 2 = 13.4 mw, ε νπνία είλαη ζεκαληηθή ζε ζύγθξηζε κε ηελ επηζπκεηή ηζρύ εμόδνπ. Απηόο ν αληίθηππνο κπνξεί λα κεηξηαζηεί κε ην λα απνζπληνληζηεί ε ρσξεηηθόηεηα πύιεο ή κε ηε ρξεζηκνπνίεζε κεξηθώλ θπθισκάησλ ζεηηθήο αλαηξνθνδόηεζεο γηα ηελ ώζεζε ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. Γηα ηελ θαζθσδηθή ηνπνινγία, ην transistor θνηλήο πύιεο ιεηηνπξγεί κέζα ζηελ πεξηνρή θνξεζκνύ. Ζ ρσξεηηθόηεηα εθξνήο C D απνηειείηαη από ηε ρσξεηηθόηεηα επηθάιπςεο πύιεο εθξνήο, ηε ρσξεηηθόηεηα ζπλδέζεσλ θαη ηελ παξάπιεπξε ρσξεηηθόηεηα θαη δίλεηαη από ηελ παξαθάησ εμίζσζε: C D = C GDO + C DB WC gd0 + WL d C J 1 + v d V bi MJ + W + 2 L d C JSW 1 + v d V bsw MJSW Καηά ζπλέπεηα ε ρσξεηηθόηεηα εθξνήο κπνξεί λα είλαη ζηα 1.4 pf, ην νπνίν είλαη ιηγόηεξν από ηελ απαξαίηεηε ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο γηα ηε βέιηηζηε ηάμε Δ. Ωο εθ ηνύηνπ, απαηηείηαη κηα εμσηεξηθή ρσξεηηθόηεηα εμόδνπ. Αλ ην πιάηνο ηεο ζπζθεπήο είλαη 1650 κm, ε αληίζηαζε ηνπ δηαθόπηε (όηαλ είλαη on) ππνινγίδεηαη από ηελ εμίζσζε: R on = v ds i d μ C ox W V GS V t v ds 2 L = 0.33 Ω Δπνκέλσο, ε απόδνζε εθξνήο ζα είλαη κηθξόηεξε ηεο κνλάδαο εμ αηηίαο ηεο ζεξκηθήο απώιεηαο ηζρύνο. η = R on R = ηαλ ιεθζεί ππ όςηλ ε ηζρύο νδήγεζεο, ε κέγηζηε PAE κπνξεί λα ππνινγηζηεί από ηε ζρέζε: PAE P o + P loss,ron P o P in + P drive + P loss,passive + P loss,switc ing R on R + 1 G p PAE max =

118 χεδίαςθ κατά Wang Ζ ζρεδίαζε ηεο βαζκίδαο εμόδνπ θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 120. Οη θπκαηνκνξθέο ηεο ηάζεο εθξνήο θαίλνληαη ζηελ εηθόλα 121. Εικόνα Πρακτικι καςκωδικι βακμίδα εξόδου Εικόνα 118 Κυματομορφζσ τθσ τάςθσ εκροισ για πρακτικι καςκωδικι βακμίδα εξόδου Γηα κηα δεδνκέλε ηερλνινγία, ε αύμεζε ηνπ κεγέζνπο ηνπ transistor είλαη ν ζπλήζεο ηξόπνο κείσζεο ηεο αληίζηαζεο ηνπ δηαθόπηε. Δληνύηνηο, ηα κεγάια transistor έρνπλ ζεκαληηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα, ε νπνία κπνξεί λα πξνθαιέζεη κε-βέιηηζηεο ζπλζήθεο. Δπνκέλσο, ην αλώηεξν όξην ηνπ κεγέζνπο ηνπ transistor ηίζεηαη από ηελ βέιηηζηε ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο. Ζ εηθόλα 122 δείρλεη όηη απηό ην όξην κπνξεί λα επεθηαζεί κε ηελ αύμεζε ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε, ην κέγηζην πιάηνο ζπζθεπήο είλαη 2500 κm. 117

119 Κεφάλαιο 6 Εικόνα 119 Χαμθλότερα και υψθλότερα όρια του πλάτουσ τθσ ςυςκευισ Σν βέιηηζην πιάηνο ζπζθεπήο κπνξεί λα θαζνξηζηεί κε ηε ζύγθξηζε ηεο απόδνζεο ηνπ θπθιώκαηνο κε δηαθνξεηηθέο δηακνξθώζεηο ηεο ζπζθεπήο, ε νπνία δηεπθξηλίδεηαη ζηελ εηθόλα 123. Σν πιάηνο ηεο ζπζθεπήο επηιέγεηαη έηζη ώζηε ε απαίηεζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ λα θαιύπηεηαη, ελώ ζπγρξόλσο επηηπγράλεηαη ε πςειή απόδνζε. Από ηελ εηθόλα 123, ην βειηηζηνπνηεκέλν πιάηνο ηεο ζπζθεπήο βξίζθεηαη όηη είλαη 2100 κm. Εικόνα 120 Επίδραςθ του πλάτουσ τθσ ςυςκευισ 118

120 χεδίαςθ κατά Wang Με ηελ ελεξγό ζπζθεπή θαη ην δίθηπν θνξηίνπ γλσζηά, ε πξνζνκνίσζε ηεο βαζκίδαο εμόδνπ κπνξεί πιένλ λα πξαγκαηνπνηεζεί. Σα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο δείρλνπλ όηη απηή ε βαζκίδα ηζρύνο παξέρεη 82,5% PAE όηαλ ην G p είλαη 15dB. Δάλ ε είζνδνο είλαη πάξα πνιύ κηθξή, ζα νδεγήζεη ζε κηα αλαθξηβή έμνδν, ε νπνία θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 124. Δπνκέλσο, απαηηείηαη έλαο πξνεληζρπηήο γηα λα παξέρεη αξθεηό θέξδνο γηα κηθξέο εηζόδνπο. Εικόνα 121 Η τάςθ εκροισ ςυρρικνϊνεται εξαιτίασ μειωμζνθσ ιςχφοσ ειςόδου 6.3 Βαθμίδα ζσεδίαζηρ ηος πποενιζσςηή και πποζομοιώζειρ θνπόο ηεο βαζκίδαο νδήγεζεο είλαη ε παξνρή ηθαλνπνηεηηθνύ θέξδνπο γηα ηηο κηθξέο εηζόδνπο θαη ε δηακόξθσζε ηεο θπκαηνεηδνύο ηάζεο γηα ηελ ηειηθή βαζκίδα. Γηα κηα είζνδν ηζρύνο -10dBm, ε βαζκίδα νδήγεζεο πξέπεη λα παξέρεη θέξδνο 23dB έηζη ώζηε ε ηειηθή βαζκίδα λα κπνξεί λα νδεγεζεί από κηα είζνδν ηζρύνο 13dBm. Ωο εθ ηνύηνπ, ε βαζκίδα ηνπ πξνεληζρπηή πξέπεη λα έρεη πςειό θέξδνο. Δθηόο από ηελ ηζρύ, ε βαζκίδα νδήγεζεο πξέπεη λα παξάγεη ζήκα εηζόδνπ θαηάιιεισλ θπκαηνκνξθώλ γηα ηε βαζκίδα εμόδνπ. Ζ ηδαληθή είζνδνο γηα ην θύθισκα ηάμεο Δ έρεη ηξαπεδνεηδή κνξθή. Ωζηόζν, είλαη δύζθνιν λα παξαρζνύλ ζήκαηα ηεηξαγσληθώλ παικώλ ζηηο ζπρλόηεηεο ησλ GHz. Μηα πξαθηηθή ιύζε είλαη λα πξνζεγγηζηεί ην ηεηξαγσληθό θύκα κε ην άζξνηζκα ελόο πεπεξαζκέλνπ αξηζκνύ αξκνληθώλ, ην νπνίν κπνξεί λα εθαξκνζηεί ζε εληζρπηέο ηάμεο F. Δπνκέλσο, ε βαζκίδα ηνπ πξνεληζρπηή ζπληίζεηαη από έλαλ εληζρπηή ηάμεο F. ε απηό ην ζρέδην εθαξκόδεηαη έλαο απινπζηεπκέλνο εληζρπηήο ηάμεο F/F -1. Απηόο ν εληζρπηήο ρξεζηκνπνηεί κόλν ηηο ζεκειηώδεηο θαη ηηο ηξίηεο ηάμεο αξκνληθέο γηα λα πξνζεγγίζεη ηνλ ηεηξαγσληθό παικό. Θεσξεηηθά, απηόο ν εληζρπηήο κπνξεί λα επηηύρεη απόδνζε εθξνήο 87,5%. Ζ ηδέα ελόο εληζρπηή ηάμεο F -1 δηεπθξηλίδεηαη ζηελ εηθόλα

121 Κεφάλαιο 6 Εικόνα 122 χζδιο κυκλϊματοσ τρίτθσ αρμονικισ Εικόνα 123 Προςεγγιςτικι τετραγωνικι κυματομορφι Σν ζρέδην θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 127. Ζ δεμακελή πνπ ζπλδέεη ηελ παξνρή ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο θαη ηελ εθξνή είλαη ζπληνληζκέλε ζηελ ηξίηε αξκνληθή. Ζ ρσξεηηθόηεηα εηζόδνπ ηεο βαζκίδαο εμόδνπ θαη ε αληίζηνηρε απηεπαγσγή ζπληνληζκνύ δηακνξθώλνπλ ην θύθισκα γηα ηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα. 120

122 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα 124 Απλοποιθμζνθ βακμίδα οδιγθςθσ τάξθσ F Ζ δνκή ηνπ εληζρπηή ζηε βαζκίδα νδήγεζεο είλαη παξόκνηα κε απηή ζηελ ηειηθή βαζκίδα, εθηόο από ηελ ηάζε πόισζεο θαη ην κέγεζνο ηεο ζπζθεπήο. Σν transistor θνηλήο πεγήο ζηε βαζκίδα νδήγεζεο είλαη πνισκέλν έηζη ώζηε λα κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη σο ηάμε ΑΒ. Ζ θαζθσδηθή δνκή πνπ ρξεζηκνπνηείηαη εδώ έρεη κεγαιύηεξε ζύλζεηε αληίζηαζε εμόδνπ, νδεγώληαο θαηά ζπλέπεηα ζε πςειόηεξν θέξδνο. Δίλαη αμηνζεκείσην όηη ηα δύν transistor ιεηηνπξγνύλ κέζα ζηελ πεξηνρή θνξεζκνύ. Οη θπκαηνκνξθέο εμόδνπ ηεο βαζκίδαο νδήγεζεο θαίλνληαη ζηελ εηθόλα 128 θαη αλαδεηθλύνπλ ηα απνηειέζκαηα ηεο δηακόξθσζεο ησλ θπκαηνκνξθώλ ηεο ηάζεο εθξνήο θαη ηνπ ξεύκαηνο. Ζ ζρεηηθά επίπεδε θνξπθαία θακπύιε παξάγεηαη κε ηε ρξεζηκνπνίεζε ηνπ θπθιώκαηνο ηξίηεο αξκνληθήο. Σν απνηέιεζκα πξνζνκνίσζεο ζηελ εηθόλα 129 δείρλεη όηη ε βαζκίδα νδήγεζεο κπνξεί λα παξέρεη θέξδνο 20dB γηα ηηο ραξαθηεξηζηηθέο εηζόδνπο RF. ηαλ ε ηζρύο 0dBm ηξνθνδνηείηαη ζηε βαζκίδα νδήγεζεο, ηόηε παξαδίδεηαη ζην θνξηίν ηζρύο 15.12dBm κε PAE 62,5%. 121

123 Κεφάλαιο 6 Εικόνα 125 Σάςθ εκροισ, ρεφμα εκροισ και κυματομορφζσ εξόδου τθσ βακμίδασ οδιγθςθσ 122

124 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα 126 Απόδοςθ ιςχφοσ ςτθ βακμίδα οδιγθςθσ 123

125 Κεφάλαιο Πποζομοιώζειρ ηος ηελικού κςκλώμαηορ ηος Wang Σν πιήξεο ζρεκαηηθό ηνπ εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ (δύν βαζκίδσλ) θαίλεηαη ζηελ εηθόλα 130. Σα δίθηπα πξνζαξκνγήο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ζρεδηάζηεθαλ γηα ζπρλόηεηα 2.4GHz. ηνλ παξαθάησ πίλαθα παξνπζηάδνληαη νη ηηκέο όισλ ησλ αλαγθαίσλ παξακέηξσλ γηα ηε ζρεδίαζε ηνπ ηειηθνύ ζρεκαηηθνύ: Πίνακασ 5 Σιμζσ ςυντελεςτϊν του κυκλϊματοσ 124

126 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα 127 χθματικό του ενιςχυτι ιςχφοσ δφο βακμίδων του Wang 125

127 Κεφάλαιο 6 Παξαθάησ παξνπζηάδνληαη νη θπκαηνκνξθέο πνπ αθνξνύλ ζην θύθισκα. Εικόνα Σάςθ εκροισ, ρεφμα εκροισ και κυματομορφι εξόδου ηαλ ε ηζρύο εηζόδνπ είλαη 0dBm, 23.7dBm ηζρύο εμόδνπ πξνζδίδεηαη ζην θνξηίν κε PAE 73.6%. 126

128 χεδίαςθ κατά Wang 6.5 σεδίαζη και ςλοποίηζη ζηο Cadence Virtuoso ζε ηεσνολογία UMC σεδίαζη ην ζπγθεθξηκέλν ππνθεθάιαην ζα πεξηγξαθεί αλαιπηηθά ε ζπλνιηθή δηαδηθαζία ζρεδίαζεο θαη πξνζνκνίσζεο ηνπ εληζρπηή ηάμεο Δ ζηελ ηερλνινγία UMC018 ηνπ εξγαιείνπ πξνζνκνίσζεο Cadence Virtuoso. Ζ αλάιπζε αθνξά ηε ζρεδίαζε θαη πξνζνκνίσζε ηνπ θαζθσδηθνύ κνληέινπ πνπ πξόηεηλε ν Tao Wang θαζώο θαη ηελ παξνπζίαζε ησλ παξαιιαγώλ πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ έηζη ώζηε λα εμαζθαιηζηεί ε βέιηηζηε δπλαηή ιεηηνπξγία ηνπ κνληέινπ ζηελ ηερλνινγία UMC018. Παξαθάησ ζα παξνπζηαζηνύλ όια ηα δηαδνρηθά βήκαηα ζρεδίαζεο θαηαιήγνληαο ζην ηειηθό κνληέιν πνπ πξνηείλεη ε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία. Από ηε ζηηγκή πνπ γλσξίδνπκε ην γεληθό ζρέδην ηνπ θαζθσδηθνύ κνληέινπ πνπ έρεη πξνηείλεη ν Tao Wang, ε αξρηθή ηδέα ήηαλ λα ζρεδηαζηεί ην ζπγθεθξηκέλν κνληέιν ηνπ εληζρπηή νινθιεξσηηθά κέζα ζηελ ηερλνινγία UMC018 ρξεζηκνπνηώληαο ηα δηαζέζηκα ζηνηρεία ηεο. ηελ εηθόλα 132 παξνπζηάδεηαη ην ζρεκαηηθό πνπ ζρεδηάζηεθε. Εικόνα χθματικό 127

129 Κεφάλαιο σεδίαζη με σπήζη ηυν πηνίυν ηηρ UMC018 ζηο RFC, ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού και ζηο δικηύυμα πποζαπμογήρ ην ζεκείν απηό νθείινπκε λα αλαθέξνπκε πσο ηα πελία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ ζηε ζπγθεθξηκέλε ζρεδίαζε είλαη ήδε πξνζνκνησκέλα από ηνπο θαηαζθεπαζηέο ηεο ηερλνινγίαο θαη ε ηηκή ηεο απηεπαγσγήο ηνπο είλαη δεδνκέλε. Σειηθά, γηα λα επηηεπρζεί ε επηζπκεηή απηεπαγσγή ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο, ρξεζηκνπνηήζεθε κηα ζπζηνηρία ηεζζάξσλ πελίσλ ζπλδεδεκέλσλ παξάιιεια (εηθόλα 132). ηελ εηθόλα 133 απεηθνλίδεηαη ε ηάζε εθξνήο V d ηνπ εληζρπηή, ζηελ εηθόλα 134 απεηθνλίδεηαη ην ξεύκα εμόδνπ Η out θαη ηέινο ζηελ εηθόλα 135 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα νη ηάζεηο εμόδνπ (V out ) θαη εηζόδνπ (V in ). Εικόνα V d Εικόνα Ι out 128

130 χεδίαςθ κατά Wang ε απηό ην ζεκείν νθείινπκε λα παξαηεξήζνπκε πσο ζην ζπγθεθξηκέλν ζρέδην ε θπκαηνκνξθή ηνπ ξεύκαηνο Η out έξρεηαη ζε πιήξε ηαύηηζε κε ηελ αληίζηνηρε ηεο ηάζεο V out, γεγνλόο πνπ θαζηζηά αδύλαηε ηελ απεηθόληζή ηνπο ζε θνηλό δηάγξακκα. Εικόνα V in, V out πσο είλαη εκθαλέο από ηελ εηθόλα 135, παξαηεξείηαη ηθαλνπνηεηηθή ελίζρπζε ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. 129

131 Κεφάλαιο σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο RFC ηελ εηθόλα 136 απεηθνλίδεηαη ην λέν ζρεκαηηθό κε ρξήζε ηδαληθνύ πελίνπ, ζηελ εηθόλα 137 απεηθνλίδεηαη ε ηάζε εθξνήο V d, ζηελ εηθόλα 138 απεηθνλίδεηαη ην ξεύκα εμόδνπ I out θαη ηέινο, ζηελ εηθόλα 139 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα νη ηάζεηο εμόδνπ (V out ) θαη εηζόδνπ (V in ). Εικόνα χθματικό Εικόνα V d ε απηό ην ζεκείν νθείινπκε λα παξαηεξήζνπκε πσο δελ ππάξρεη απνκόλσζε κόλν ηεο επηζπκεηήο ζπρλόηεηαο. Δπίζεο, ν εληζρπηήο δελ θαίγεηαη παξά ηελ απνπζία νπνηαζδήπνηε αληίζηαζεο ζηε βαζκίδα ηνπ RFC. 130

132 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα I out Ζ θπκαηνκνξθή ηνπ ξεύκαηνο Η out ηαπηίδεηαη πιήξσο κε ηελ αληίζηνηρε ηεο ηάζεο V out, γεγνλόο πνπ θαζηζηά αδύλαηε ηελ απεηθόληζή ηνπο ζε θνηλό δηάγξακκα. Εικόνα V in, V out πσο είλαη εκθαλέο από ηελ εηθόλα 139, παξαηεξείηαη ελίζρπζε ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. 131

133 Κεφάλαιο σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού και ζηο δικηύυμα πποζαπμογήρ ηελ εηθόλα 140 απεηθνλίδεηαη ην λέν ζρεκαηηθό κε ρξήζε ησλ πελίσλ ηεο UMC018 ζην RFC θαη bondwire ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ θαη ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο, ζηελ εηθόλα 141 απεηθνλίδεηαη ε ηάζε εθξνήο V d, ζηελ εηθόλα 142 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V d θαη ην ξεύκα Η d (κε liberal accuracy defaults), ζηελ εηθόλα 143 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V out θαη ην ξεύκα Η out θαη ηέινο ζηελ εηθόλα 144 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V out θαη ε ηάζε V in. Εικόνα 137 χθματικό Εικόνα V d 132

134 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα 139 V d, I d με liberal accuracy defaults Από ηελ εηθόλα 142 κπνξνύκε λα δηαθξίλνπκε όηη ε δηαθνπηηθή ιεηηνπξγία είλαη ηθαλνπνηεηηθή (θαηά Raab). Εικόνα V out, I out 133

135 Κεφάλαιο 6 Εικόνα V in, V out πσο είλαη εκθαλέο από ηελ εηθόλα 144, παξαηεξείηαη ελίζρπζε ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. 134

136 χεδίαςθ κατά Wang σεδίαζη με σπήζη bondwire ζηο RFC, ζηο κύκλυμα ζςνηονιζμού και ζηο δικηύυμα πποζαπμογήρ ηελ εηθόλα 145 απεηθνλίδεηαη ην λέν ζρεκαηηθό κε ρξήζε bondwire ζην RFC, ζην θύθισκα ζπληνληζκνύ θαη ζην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο, ζηελ εηθόλα 146 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V d θαη ην ξεύκα Η d, ζηελ εηθόλα 147 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V out θαη ην ξεύκα Η out θαη ηέινο ζηελ εηθόλα 148 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V out θαη ε ηάζε V in. Εικόνα χθματικό Εικόνα V d, I d 135

137 Κεφάλαιο 6 Εικόνα V out, I out Εικόνα V in, V out πσο παξαηεξνύκε ζην ζπγθεθξηκέλν ζρέδην έρνπκε εμαζθαιίζεη ηε κεγαιύηεξε έσο ηώξα ελίζρπζε. Σέινο, ζηηο εηθόλεο 149, 150 θαη 151 απεηθνλίδνληαη ζε θνηλό δηάγξακκα ε ηάζε V out θαη ε ηάζε V in γηα δηαθνξεηηθέο ηηκέο ηεο V in. 136

138 χεδίαςθ κατά Wang Εικόνα V in2, V out2 Εικόνα V in3, V out3 137

139 Κεφάλαιο 6 Εικόνα V in, V out Κιείλνληαο ην ζπγθεθξηκέλν ππνθεθάιαην, αμίδεη λα παξαηεξεζεί πσο θαηά ηε δηάξθεηα ησλ πξνζνκνηώζεσλ ην transistor Μ 1 θαίγεηαη γηα ηηκέο ηεο V in > 1.5 V pp (Με V 1 = 0 V θαη V 2 = 1.5 V). 138

140 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Κεθάλαιο 7 Βήμαηα ζσεδίαζηρ ενιζσςηή ηάξηρ Δ Από ηα όζα πξναλαθέξζεθαλ, γίλεηαη εύθνια αληηιεπηό πσο ε ζσζηή ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή ηάμεο Δ είλαη ηδηαίηεξα δύζθνιε θαη επίπνλε δηαδηθαζία θαζώο πξέπεη λα ιεθζνύλ ππ όςηλ όιεο νη παξάκεηξνη ζρεδηαζκνύ πνπ ηνλίζηεθαλ ζηα πξνεγνύκελα θεθάιαηα. ην παξόλ θεθάιαην, επηδηώθνπκε λα θαηαιήμνπκε ζε κία ζύλνςε ησλ όζσλ αλαθέξζεθαλ λσξίηεξα θαη λα παξνπζηάζνπκε ηα απαξαίηεηα βήκαηα πνπ νθείιεη λα αθνινπζήζεη ν ζρεδηαζηήο γηα λα εμαζθαιίζεη ηα βέιηηζηα δπλαηά απνηειέζκαηα. Ζ ζπγθεθξηκέλε δηπισκαηηθή εξγαζία θαηέιεμε ζηα θαιύηεξα δπλαηά απνηειέζκαηα κε ηε ζρεδίαζε ζύκθσλα κε ην κνληέιν ηνπ Tao Wang θαη απηόο είλαη ν ιόγνο πνπ ζα παξνπζηάζνπκε ηα βήκαηα ζρεδηαζκνύ βαζηζκέλνη ζην ζπγθεθξηκέλν κνληέιν. Σα βήκαηα γηα ηελ ηειηθή ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή ηζρύνο ηάμεο Δ (θαηά Wang) είλαη ηα εμήο: 1. Ο ζρεδηαζηήο επηιέγεη ηελ επηζπκεηή ηζρύ εμόδνπ P o, ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο V DD, ηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο f θαη ην πεπεξαζκέλν πελίν L dc. 2. Από απηέο ππνινγίδεη ηα εμήο: ω = 2 π f X = R dc XB = R = R dc X dc = ω L dc R dc = V DD 2 P o m = ln Q dc = ln X dc R dc m m m m m m m m m m m m m m m

141 Κεφάλαιο 7 B = XB X 3. Αθνινπζεί ν πξαθηηθόο ππνινγηζκόο ηεο βαζκίδαο εμόδνπ: V GG > 3.6 V DD V breakdown θαη ζέηεη V DD = V GG. I SM = 2.84 I dc = 2.84 P o V DD 4 I SM L W μ n C ox V GS 9 8 V t V t 4. Δλ ζπλερεία ππνινγίδεηαη ε παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα πύιεο C G, ε ηζρύο νδήγεζεο P drive θαη ε ρσξεηηθόηεηα εθξνήο C D : C G = C ox W L eff + 2 C ox x d W = C ox W L P drive = f C G V GS 2 C D = C GDO + C DB WC gd0 + WL d C J 1 + v d V bi MJ + W + 2 L d C JSW 1 + v d V bsw MJSW 5. Τπνινγίδνληαη, επίζεο, ε R ON, ε απόδνζε εθξνήο η θαη ε PAE: PAE P o + P loss,ron R on = v ds i d η = μ C ox W V GS V t v ds R on R P o P in + P drive + P loss,passive + P loss,switc ing L R on R + 1 G p 140

142 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε 6. Δπαλαπξνζδηνξηζκόο ηνπ πιάηνπο ηνπ transistor (εάλ ρξεηάδεηαη): Γηα κηα δεδνκέλε ηερλνινγία, ην λα εληζρπζεί ην κέγεζνο ηνπ transistor είλαη ν ραξαθηεξηζηηθόο ηξόπνο λα κεησζεί ε αληίζηαζε ηνπ δηαθόπηε. Σα κεγάια transistor, όκσο, έρνπλ ζεκαληηθή παξαζηηηθή ρσξεηηθόηεηα, ε νπνία κπνξεί λα πξνθαιέζεη κε-βέιηηζηεο ζπλζήθεο. Δπνκέλσο, ην αλώηεξν όξην ηνπ κεγέζνπο ηνπ transistor ηίζεηαη από ηελ απαξαίηεηε βέιηηζηε ρσξεηηθόηεηα δηαθιάδσζεο. Ζ παξαθάησ εηθόλα δείρλεη όηη απηό ην όξην κπνξεί λα επεθηαζεί κε ηελ αύμεζε ηεο ηάζεο ηξνθνδνζίαο. Εικόνα 149 Σν βειηηζηνπνηεκέλν πιάηνο ζπζθεπήο κπνξεί λα θαζνξηζηεί κε ηε ζύγθξηζε ηεο απόδνζεο ηνπ θπθιώκαηνο κε δηαθνξεηηθέο δηακνξθώζεηο ηεο ζπζθεπήο, ε νπνία δηεπθξηλίδεηαη ζηελ παξαθάησ εηθόλα. Σν πιάηνο ηεο ζπζθεπήο επηιέγεηαη έηζη ώζηε λα ηθαλνπνηείηαη ε απαίηεζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ, ελώ ζπγρξόλσο λα επηηπγράλεηαη πςειή απόδνζε. 141

143 Κεφάλαιο 7 Εικόνα Ο ζρεδηαζηήο ππνινγίδεη ηηο παξακέηξνπο ηνπ ζε ζεηξά ζπληνληζκέλνπ θπθιώκαηνο, νη νπνίεο έρνπλ σο εμήο: L s = Q s R ω 1 C s = L s ω 2 L x = X x X ω C d0 = Β ω C d0 = C ds + C d 8. Σειηθά, ε ζρεδίαζε νινθιεξώλεηαη κε ην input matching ην νπνίν γίλεηαη βάζεη ηεο αλάιπζεο ησλ S-παξακέηξσλ πνπ ζα παξνπζηαζηεί ζηε ζπλέρεηα θαη ηεο κεζνδνινγίαο ηεο παξαγξάθνπ

144 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Δηζάγεηαη ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο ην νπνίν ζα πξνζαξκόζεη ηελ αληίζηαζε ηνπ εληζρπηή πνπ πξνέθπςε θαηά ηε ζρεδίαζε ηνπ, ζηελ πξνηηκώκελν θνξηίν ησλ 50Ω. ηελ εηθόλα 154 θαίλεηαη ην ζρεκαηηθό ρσξίο ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο. Εικόνα χθματικό χωρίσ το δικτφωμα προςαρμογισ ηε ζπλέρεηα ζα θάλνπκε κηα αλάιπζε ησλ S-παξακέηξσλ ηνπ εληζρπηή πξνθεηκέλνπ λα πξνζδηνξίζνπκε ην θύθισκα πξνζαξκνγήο. Αξρηθά αληηθαζηζηνύκε ηελ είζνδν (V pulse ) θαη ην θνξηίν κε δύν ports ηεο AnalogLib. Σα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ port ηεο εηζόδνπ είλαη r = 50, γηα αληίζηαζε εηζόδνπ 50Ω, V dc = 450m, ε ηάζε πόισζεο πνπ είρακε θαη πξηλ θαη ηέινο ξπζκίδνπκε ην port γηα pulse 0-500m, πεξηόδνπ 416ps θαη εύξνο παικνύ 208ps. To port ηεο εμόδνπ ξπζκίδεηαη σο dc ηάζεο 0V θαη αληίζηαζεο 50Ω. Ωο αλάιπζε ηνπ Analog Environment νξίδνπκε sp θαη ζηα ports, αθνύ επηιέμνπκε select, επηιέγνπκε δηαδνρηθά ην port εηζόδνπ θαη ην port εμόδνπ. Οξίδνπκε frequency σο sweep variable κε sweep range: 500MHz - 5GHz. Μπνξνύκε επίζεο λα πξνζζέζνπκε θάπνην ζπγθεθξηκέλν ζεκείν ζηελ αλάιπζε π.ρ. 2.4GHz, ώζηε λα έρνπκε ζπγθεθξηκέλα απνηειέζκαηα ζε εθείλε ηε ζπρλόηεηα. Γηα ηελ απεηθόληζε ησλ θπκαηνκνξθώλ, αθνύ γίλεη ε πξνζνκνίσζε επηιέγνπκε Results->Direct Plot- >Main Form->sp θαη ηε παξάκεηξν πνπ καο ελδηαθέξεη. Δπίζεο από ην Print κπνξνύκε λα δνύκε ην απνηέιεζκα ζε κνξθή ιίζηαο. 143

145 Κεφάλαιο 7 Εικόνα SP ανάλυςθ και Direct Plot Εικόνα S 11 χωρίσ δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα S 12 χωρίσ δικτφωμα προςαρμογισ 144

146 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα S 21 χωρίσ δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα S 22 χωρίσ δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα Λίςτα S-παραμζτρων 145

147 Κεφάλαιο 7 Ζ απόδνζε ηνπ θπθιώκαηνο ρσξίο ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο θαίλεηαη ζηε ζπλέρεηα. Εικόνα V out Εικόνα I out 146

148 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα V D, I D ηα 2.4GHz, S 22 = 749.3m Z out = R 1 + S 22 R=50 Zout = j S 22 θαη βάζεη ηεο αλάιπζεο ηεο παξαγξάθνπ 3.3, ηα ζηνηρεία ηνπ δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο είλαη: L=867.44pH θαη C= pF. ηε ζπλέρεηα πξνζηίζεηαη ζην θύθισκα ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο θαη αθνινπζεί μαλά ε ίδηα αλάιπζε όπσο θαη πξσηύηεξα. Εικόνα χθματικό με δικτφωμα προςαρμογισ 147

149 Κεφάλαιο 7 Εικόνα S 11 με δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα S 12 με δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα S 21 με δικτφωμα προςαρμογισ 148

150 Βιματα ςχεδίαςθσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα S 22 με δικτφωμα προςαρμογισ Εικόνα Λίςτα S-παραμζτρων πσο είλαη εκθαλέο, κε ηε κείσζε ηνπ πιάηνπο ηεο S 22 παξακέηξνπ θαηά ηξεηο ηάμεηο κεγέζνπο, ε βειηίσζε είλαη κεγάιε. Αθνινπζεί ε αλάιπζε ηνπ θπθιώκαηνο κε ηελ πξνζζήθε ηνπ δηθηπώκαηνο πξνζαξκνγήο. 149

151 Κεφάλαιο 7 Εικόνα V out Εικόνα I out Εικόνα V D, I D 150

152 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Κεθάλαιο 8 Πποζομοίυζη απόδοζηρ και ζςμπεπιθοπάρ ενιζσςηή ηάξηρ Δ 8.1 Διζαγυγή Σε ζρεδίαζε ηνπ εληζρπηή αθνινπζεί ε πξνζνκνίσζή ηνπ ζην ζρεδηαζηηθό εξγαιείν Cadence. Ήδε είδακε πσο κπνξνύλ λα απεηθνληζηνύλ νη θπκαηνκνξθέο V-I εηζόδνπ θαη εμόδνπ όπσο θαη νη S-παξάκεηξνη δίλνληαο, έηζη, κηα πξώηε εηθόλα γηα ηελ απόδνζε ηνπ εληζρπηή. κσο ηόζν ε απόδνζε, όζν θαη ε ζπκπεξηθνξά ελόο εληζρπηή θαζνξίδνληαη από έλα πιήζνο παξαγόλησλ όπσο απόδνζε ηζρύνο, ζηαζεξόηεηα, γξακκηθόηεηα, αλνρή ζην ζόξπβν θαη ζηε κεηαβνιή ηνπ θνξηίνπ, παξακόξθσζε ζήκαηνο θηι. ια απηά αλαιύνληαη ζηε ζπλέρεηα θαη παξαηίζεληαη νδεγίεο σο πξνο ην πσο παξήρζεζαλ ηα απνηειέζκαηα πνπ αθνινπζνύλ. ηηο αλαιύζεηο πνπ ζα παξνπζηαζηνύλ ζηε ζπλέρεηα ρξεζηκνπνηείηαη έλα εκηηνλνεηδέο ζήκα εηζόδνπ ηόζν γηα ηε κειέηε ηεο ζπκπεξηθνξάο ηνπ εληζρπηή ζε εκηηνλνεηδή είζνδν, όζν θαη γηα ηε κειέηε ηεο απόδνζεο ηνπ ζε πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο. Λόγσ ηεο αιιαγήο ηεο εηζόδνπ απαηηείηαη ν επαλαπξνζδηνξηζκόο ηνπ ζεκείνπ ιεηηνπξγίαο ηνπ εληζρπηή. Απηό επηηπγράλεηαη ξπζκίδνληαο, κέζσ παξακεηξηθήο αλάιπζεο δύν ραξαθηεξηζηηθά: ηελ αληίζηαζε ηνπ απνπληθηηθνύ πελίνπ, δειαδή ηελ ηάζε ηξνθνδνζίαο (βιέπε 6.1.5) θαη ηε πόισζε ηνπ ελόο transistor ηεο θαζθσδηθήο δηάηαμεο. Καηά ηε ξύζκηζε ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ παξαθνινπζείηαη ε ηάζε εθξνήο θαη γίλεηαη πξνζπάζεηα λα κεγηζηνπνηεζεί ην πιάηνο ηεο, αιιά θπξίσο λα είλαη ε κνξθή ηεο όζν ην δπλαηόλ πην θνληά ζηελ επηζπκεηή (ζεηηθό εκίηνλν). Ωο είζνδνο ηίζεηαη, ινηπόλ, έλα εκίηνλν πιάηνπο 1V p θαη κε παξακεηξηθή αλάιπζε ζην θύθισκα ρσξίο ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο πξνζδηνξίδνπκε ηηο R_L dc θαη V g ζην 1Ω θαη 700mV αληίζηνηρα, ώζηε ν εληζρπηήο λα είλαη ζσζηά πνισκέλνο, ε V D λα κελ είλαη παξακνξθσκέλε θαη κε όζν ην δπλαηόλ κεγαιύηεξν πιάηνο θαη, θπζηθά, λα κελ ππεξβνύκε ηε ηάζε δηάζπαζεο ησλ transistor (ζηε θαζθσδηθή δηάηαμε είλαη πεξίπνπ 6.8V). Με αλάιπζε ησλ S-παξακέηξσλ πξνθύπηεη S 22 = 749.3m θαη βάζεη ηεο αλάιπζεο ηνπ θεθαιαίνπ 7 θαη ηεο παξαγξάθνπ 3.3, ην δηθηύσκα πξνζαξκνγήο είλαη L=750pH θαη C=3.68pF. Σν λέν ζρεκαηηθό θαη ε ρξνληθή αλάιπζή ηνπ θαίλνληαη ζηηο εηθόλεο πνπ αθνινπζνύλ. 151

153 Κεφάλαιο 8 Εικόνα χθματικό ενιςχυτι με θμιτονοειδι είςοδο Εικόνα V in Εικόνα V D, I D 152

154 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα V out, I out 8.2 Απόδοζη Ιζσύορ Οη ζρεηηθέο κε ηζρύ κεηξήζεηο πεξηιακβάλνπλ ηελ ηζρύ εηζόδνπ θαη εμόδνπ, ηελ ηάζε θαη ην ξεύκα ηξνθνδνζίαο, ην θέξδνο θαη ηελ απώιεηα ηζρύνο. ρεηηθά κε ηελ απόδνζε, ππάξρνπλ δύν ηξόπνη λα ηε πξνζδηνξίζνπκε. Ζ απόδνζε εθξνήο (drain efficiency) θαη ε απόδνζε πξνζηηζέκελεο ηζρύνο (power added efficiency, PAE). Ζ απόδνζε εθξνήο είλαη ν ιόγνο ηεο RF ηζρύνο εμόδνπ πξνο ηελ θαηαλάισζε dc ηζρύνο θαη ε PAE είλαη ν ιόγνο ηεο δηαθνξάο κεηαμύ ηεο RF ηζρύνο εμόδνπ θαη ηεο RF ηζρύνο εηζόδνπ πξνο ηελ θαηαλάισζε dc ηζρύνο. Ζ PAE απνηειεί πην πξαθηηθή παξάκεηξν απόδνζεο θαζώο είλαη νπζηαζηηθά ην θέξδνο ηζρύνο ηνπ εληζρπηή. Γηα λα κεηξήζνπκε απηά ηα κεγέζε ρξεζηκνπνηνύκε κηα Πεξηνδηθή Αλάιπζε ηαζεξήο Καηάζηαζεο ζαξώλνληαο ηελ ηζρύ εηζόδνπ γηα δηάθνξεο ηηκέο (swept PSS - Periodic Steady State Analysis). Δπίζεο, ζε απηό ην ζεκείν πξέπεη λα γίλεη επεμήγεζε ηνπ dbm, ην νπνίν ρξεζηκνπνηείηαη θαηά θόξνλ ζε RF κεηξήζεηο ηδηαίηεξα ζρεηηθά κε ηελ ηζρύ. Δίλαη ινγαξηζκηθή κνλάδα κε βάζε ην 1mW. Αλ γηα παξάδεηγκα έρνπκε ηάζε V ζε έλα θνξηίν R, ηόηε ε ηζρύο είλαη: θαη ζε dbm: P = V2 R x = 10log 10 P

155 Κεφάλαιο 8 Αθνινπζνύλ ελδεηθηηθέο ηηκέο ηάζεο θαη ηζρύνο ζε W θαη dbm γηα θνξηίν 50Ω. Power (W) Power (dbm) V amplitude 10κ (0.01m) m 0.1m m 1m m 20m m Σν ζρεκαηηθό είλαη ην αθόινπζν (έκθαζε δίλεηαη ζηε ζσζηή παξακεηξνπνίεζε ηνπ Port1): Εικόνα χθματικό 154

156 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα PORT1 Από ην variables->edit ηνπ Analog Environment (ADE) δίλνπκε ηηκέο ζηα fin θαη pin. Εικόνα Variables -> Edit 155

157 Κεφάλαιο 8 Ωο αλάιπζε επηιέγνπκε pss κε ηηο αθόινπζεο ξπζκίζεηο: Εικόνα PSS Από ην ADE επηιέγνπκε Outputs->To be saved->select on Schematic θαη δηαδνρηθά ηα ζεηηθά terminals ησλ PORT2, PORT1, V dd, V gg θαη V g. Πξηλ επηιέμνπκε Netlist and Run ην παξάζπξν ηνπ ADE είλαη ην αθόινπζν: Εικόνα ADE 156

158 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Γηα λα εκθαλίζνπκε ηα απνηειέζκαηα ηεο αλάιπζεο επηιέγνπκε Results->Direct Plot->Main Form κε ηηο αθόινπζεο ξπζκίζεηο: Εικόνα Direct Plot (Power Variable Sweep) θαη επηιέγνληαο ην PORT2, κπνξνύκε λα δνύκε ηελ ηζρύ εμόδνπ πξνο ηελ ηζρύ εηζόδνπ. Εικόνα P out vs P in ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε γηα είζνδν 13.01dBm, ε έμνδνο είλαη 23.09dBm. 157

159 Κεφάλαιο 8 Κάλνληαο πξώηα esc ζην ζρεκαηηθό γηα επαλεπηινγή ησλ ζεκείσλ αλάιπζεο, αιιάδνπκε ην Plot Mode ηεο Direct Plot ζε replace θαη ζέηνπκε ηηο ππόινηπεο ξπζκίζεηο σο εμήο: Εικόνα Direct Plot (Power Spectrum Sweep) θαη επηιέγνληαο ην PORT2, κπνξνύκε λα δνύκε ηε θαηαλνκή ηεο ηζρύνο ζην θάζκα ζπρλνηήησλ. Εικόνα Power Spectrum 158

160 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Δπηιέγνληαο Power Gain ζηε Direct Plot θαη κε ηηο παξαθάησ κεηξήζεηο: Εικόνα Direct Plot (Power Gain) θαη επηιέγνληαο ηα ζεηηθά θαη αξλεηηθά terminals αξρηθά ηνπ PORT2 θαη ζηε ζπλέρεηα ηεο V dd, κπνξνύκε λα δνύκε ηελ απόδνζε εθξνήο (drain efficiency) ηνπ εληζρπηή. Εικόνα Drain Efficiency 159

161 Κεφάλαιο 8 To Spectre RF παξέρεη επίζεο ηε δπλαηόηεηα απεηθόληζεο ηεο απόδνζεο πξνζηηζέκελεο ηζρύνο (PAE). Αιιάδνληαο ηε Direct Plot ζε: Εικόνα Direct Plot (PAE) θαη επηιέγνληαο δηαδνρηθά ηα ζεηηθά terminals ησλ PORT2, PORT1, V dd, V gg θαη V g, παίξλνπκε κηα απεηθόληζε ηεο PAE: Εικόνα 186 PAE 160

162 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε ην θνηλό δηάγξακκα πνπ αθνινπζεί κπνξνύκε λα ζπγθξίλνπκε ηελ drain efficiency κε ηελ PAE. Παξαηεξνύκε όηη είλαη πεξίπνπ ίζεο, θάηη πνπ γεληθά ηζρύεη ζε εληζρπηέο πςεινύ θέξδνπο. Εικόνα Drain Efficiency, PAE Σέινο, κπνξνύκε λα απεηθνλίζνπκε ην θέξδνο ηζρύνο ζε ζρέζε κε ηελ ηζρύ εμόδνπ (ζε θιίκαθα db10). Εικόνα Direct Plot (Power Gain VS P out ) 161

163 Κεφάλαιο 8 Εικόνα Power Gain vs P out 8.3 Γπαμμικόηηηα Ζ γξακκηθόηεηα ελόο εληζρπηή ηζρύνο αθνξά θπξίσο ηε ηερληθή δηακόξθσζεο ηνπ ζήκαηνο. Σα δεηήκαηα πνπ πξνθύπηνπλ είλαη ε επαλαπαξαγσγή ηνπ θάζκαηνο (spectral regrowth) θαη ε ηζρύο ησλ παξαθείκελσλ θαλαιηώλ (adjacent channel power). Δπηπιένλ, ε κε γξακκηθόηεηα κπνξεί λα νδεγήζεη ζε AM-PM κεηαηξνπέο αιιάδνληαο ηε θάζε ηνπ θέξνληνο. Ζ κε γξακκηθόηεηα ηνπ PA ραξαθηεξίδεηαη από ην ζεκείν πηώζεο 1dB (1dB compression point) θαη ην ζεκείν παξεκβνιήο ηξίηεο ηάμεσο (third order input/output Intercept Point IIP3/OIP3). Ζ πξνηηκώκελε κέζνδνο γηα ηε κέηξεζε ηνπ 1dB compression point, δειαδή ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ πνπ πξνθαιεί κείσζε ηνπ θέξδνπο θαηά 1dB, είλαη κία PSS αλάιπζε ζαξώλνληαο ηελ ηζρύ ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ. Γηα ηε κέηξεζε ησλ IIP3/OIP3, ην θύθισκα νδεγείηαη από δύν θνληηλνύο RF ηόλνπο (f in θαη f in2 ) θαη ην ζεκείν παξεκβνιήο ηξίηεο ηάμεσο είλαη ην ζεκείν παξεκβνιήο ηνπ πξώηνπ ζεκειηώδνπο όξνπ ηζρύνο (f in, f in2 ) θαη ηνπ ηξίηνπ ελδνδηακνξθσκέλνπ όξνπ ηζρύνο (2x f in -f in2, 2x f in2 -f in ), ζε db. Υξεζηκνπνηείηαη PSS θαη PAC (πεξηνδηθή AC) αλάιπζε. 162

164 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Σν ζρεκαηηθό πνπ ρξεζηκνπνηείηαη είλαη ην αθόινπζν: Εικόνα χθματικό Έκθαζε δίλεηαη ζηε ζσζηή παξακεηξνπνίεζε ηνπ PORT1: Εικόνα PORT1 163

165 Κεφάλαιο 8 Ζ PSS αλάιπζε έρεη ηηο παξαθάησ ξπζκίζεηο: Εικόνα PSS Ζ PAC αλάιπζε έρεη ηηο παξαθάησ ξπζκίζεηο: Εικόνα PAC 164

166 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Πξηλ επηιέμνπκε Netlist and Run ην ADE έρεη ηελ παξαθάησ κνξθή: Εικόνα ADE ηε Direct Plot->Main Form επηιέγνπκε PSS: Εικόνα PSS - 1dB compression point 165

167 Κεφάλαιο 8 θαη κπνξνύκε λα δνύκε ην 1dB compression κε αλαθνξά ηελ είζνδν Εικόνα Input referred 1dB compression point θαη κε αλαθνξά ηελ έμνδν: Εικόνα Output inferred 1dB compression point 166

168 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε ηε Direct Plot->Main Form επηιέγνπκε PAC: Εικόνα Direct Plot-IP3/OIP3 θαη κπνξνύκε λα δνύκε ην Input Referred IP3 Εικόνα Input referred IP3 167

169 Κεφάλαιο 8 θαη ην Output Referred IP3 Εικόνα Output referred IP3 8.4 Δικόνα θοπύβος Ζ εηθόλα ζνξύβνπ (Noise Figure - NF) ζε έλα εληζρπηή ηζρύνο είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή. Αλ ν πνκπόο (transceiver) ρξεζηκνπνηεί πνιππιεμία ζηε ζπρλόηεηα (Frequency Division Multiplexing - FDM) ρσξίο offset κεηαμύ ησλ ρξνληθώλ slots εθπνκπήο θαη ιήςεο, όπσο γηα παξάδεηγκα ζην GSM, πεπεξαζκέλε απνκόλσζε αλάκεζα ζηηο δύν θαζκαηηθέο δώλεο ζην duplexer νδεγεί ζε ζεκαληηθή ηξνθνδόηεζε ηεο εμόδνπ ηνπ εληζρπηή ηζρύνο ζηελ είζνδν ηνπ εληζρπηή ρακεινύ ζνξύβνπ (Low Noise Amplifier - LNA). Γηα απηό ην ιόγν πξέπεη λα γίλεηαη πξνζεθηηθή κέηξεζε ηεο απόδνζεο ζνξύβνπ ηνπ εληζρπηή θαηά ην ζηάδην ζρεδίαζεο. Ζ εηθόλα ζνξύβνπ νξίδεηαη σο εμήο: NF = 10log N 0 2 N l 2 όπνπ Ν 0 είλαη ν ζπλνιηθόο ζόξπβνο ηεο εμόδνπ, Ν s είλαη ν ζόξπβνο ζηελ έμνδν ιόγσ ηεο εηζόδνπ θαη Ν l είλαη ν ζόξπβνο ζηελ έμνδν ιόγσ ηνπ θνξηίνπ. N s 2 168

170 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Υξεζηκνπνηώληαο PSP αλάιπζε κε ηα παξαθάησ ραξαθηεξηζηηθά: Εικόνα PSP έρνπκε ηελ αθόινπζε απεηθόληζε ηεο εηθόλαο ζνξύβνπ: Εικόνα Εικόνα κορφβου 169

171 Κεφάλαιο Δςζηάθεια Καηά ηελ ζρεδίαζε ελόο εληζρπηή είλαη πνιύ ζεκαληηθό λα γίλεη έιεγρνο ηεο επζηάζεηαο ηνπ ηειηθνύ ζρεδίνπ, αιιηώο κπνξεί ν εληζρπηήο λα κεηαηξαπεί ζε ηαιαλησηή. Τπάξρνπλ δύν θαηεγνξίεο πξνβιεκάησλ ηαιάλησζεο ζηα RF θπθιώκαηα: νη ηαιαληώζεηο πόισζεο θαη νη ηαιαληώζεηο RF. Οη ηαιαληώζεηο πόισζεο ζπκβαίλνπλ ζε ρακειέο ζπρλόηεηεο (MHz-VHF) θαη νθείινληαη ζε δεηήκαηα ηνπ θπθιώκαηνο πόισζεο π.ρ. πξνζζήθε ππθλσηώλ απόδεπμεο κε κεγάιε ρσξεηηθόηεηα. Οη ηαιαληώζεηο έρνπλ κηθξή ζρέζε κε ην RF θύθισκα πξνζαξκνγήο, όπνπ νη ππθλσηέο απόδεπμεο κεηαηξέπνληαη ζε αλνηθηνθπθιώκαηα ζε ρακειόηεξεο ζπρλόηεηεο. Αληηζέησο, νη RF ηαιαληώζεηο ζπκβαίλνπλ ζπλήζσο είηε ζην εύξνο θάζκαηνο πνπ καο ελδηαθέξεη, είηε πνιύ θνληά ζε απηό από ηε κεξηά ησλ ρακειώλ ζπρλνηήησλ. Ζ εμνπδεηέξσζε ηεο RF ηαιάλησζεο απαηηεί αιιαγέο ζηε ηνπνινγία θαη ζηα επί κέξνπο ζηνηρεία ηνπ θπθιώκαηνο πξνζαξκνγήο. Ζ βαζηθή κέζνδνο πξνζδηνξηζκνύ ηεο επζηάζεηαο είλαη ν ππνινγηζκόο ηνπ ζπληειεζηή επζηάζεηαο ηνπ Rollet κέζσ ησλ S-παξακέηξσλ ζηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο ηνπ θπθιώκαηνο. κε K = 1 S 11 2 S Δ 2 2 S 12 S 21 Δ = S 11 S 22 S 12 S 21 Δπίζεο αλαθνξά γίλεηαη αξγόηεξα θαη ζην ζπληειεζηή: B 1f = 1 + S 11 2 S 22 2 Δ 2 πνπ είλαη ζεηηθόο γηα γεληθή επζηάζεηα. Γηα K>1 θαη Γ <1 έρνπκε επζηάζεηα, ελώ γηα Κ<1 έρνπκε επζηάζεηα ππό όξνπο. ε πεξίπησζε γεληθήο επζηάζεηαο ην κέγηζην δηαζέζηκν θέξδνο είλαη: G max = S 21 S 12 K K 2 1 Γηα επζηάζεηα ππό όξνπο ρξεηάδεηαη ε ζρεδίαζε ησλ θύθισλ επζηάζεηαο ζε δηάγξακκα Smith, ώζηε λα εληνπηζηνύλ νη πεξηνρέο αζηάζεηαο. Ο θύθινο επζηάζεηαο εηζόδνπ έρεη θέληξν: θαη αθηίλα: r s1 = S 11 ΔS 22 S 11 2 Δ 2 p s1 = S 12 S 21 S 11 2 Δ 2 170

172 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Ο θύθινο επζηάζεηαο εμόδνπ έρεη θέληξν: θαη αθηίλα: r s2 = S 22 ΔS 11 S 22 2 Δ 2 p s1 = S 12 S 21 S 22 2 Δ 2 Παξαθάησ θαίλνληαη νη θύθινη επζηάζεηαο ζε δηάγξακκα Smith, γηα γεληθή επζηάζεηα: Εικόνα Κφκλοι ευςτάκειασ για γενικι ευςτάκεια Από ηε ζηηγκή πνπ δελ ηέκλνληαη νη θύθινη ζην δηάγξακκα Smith, ην θύθισκα είλαη γεληθά επζηαζέο. Σα αθόινπζα δηαγξάκκαηα δείρλνπλ ηηο πεξηνρέο αζηάζεηαο γηα S 22 <1. Εικόνα Αςτακείσ περιοχζσ ςτο διάγραμμα Smith 171

173 Κεφάλαιο 8 Γεληθόηεξα, έλα ζύλεζεο πξόβιεκα είλαη όηη ηα MOSFETs είλαη επζηαζή ππό πξνϋπνζέζεηο, κε ηελ ηαιάλησζε ηεο ζπζθεπήο ζε βξαρπθύθισκα ή αλνηθηνθύθισκα ηεο εηζόδνπ. Σν παξαθάησ δηάγξακκα δείρλεη δηάθνξεο κεζόδνπο ζηαζεξνπνίεζεο: a) Πξνζζήθε κηαο αληίζηαζεο ζε ζεηξά ώζηε λα κελ ππάξρεη ηνκή κε θύθιν επζηάζεηαο εηζόδνπ. b) Οη πξνζζήθε κηαο ρσξεηηθόηεηαο ζηελ έμνδν ηεο ζπζθεπήο γηα ζηαζεξή DC πόισζε ζηελ εθξνή ή ζην ζπιιέθηε. c) Ζ ρξήζε κηαο ι/4 transmission line καδί κε κηα αληίζηαζε 50Ω. ηε ζπρλόηεηα ζπληνληζκνύ ε ι/4 transmission line πνπ είλαη αλνηθηό θύθισκα ζην έλα κέξνο ηεο, ζα κεηαηξαπεί ζε βξαρπθύθισκα ζην άθξν ηεο αληίζηαζεο. Έηζη ζηε ζπρλόηεηα ζπληνληζκνύ ε αληίζηαζε ζα είλαη βξαρπθπθισκέλε κε ηε γε παξέρνληαο 50Ω θνξηίν ζηε ζπζθεπή. Εικόνα Μζκοδοι ςτακεροποίθςθσ Γηα ηελ αλάιπζε ηεο επζηάζεηαο ρξεζηκνπνηνύκε PSS θαη PSP (Periodic S- Parameter Response) αλαιύζεηο. Σν ζρεκαηηθό θαη νη ξπζκίζεηο ηνπ PORT1 θαίλνληαη παξαθάησ. 172

174 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα 206 χθματικό Εικόνα Ρυκμίςεισ PORT1 173

175 Κεφάλαιο 8 Οη ξπζκίζεηο ησλ PSS, PSP αλαιύζεσλ θαίλνληαη ζηηο παξαθάησ εηθόλεο: Εικόνα PSS Εικόνα PSP 174

176 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Σν παξάζπξν ηνπ ADE είλαη ην παξαθάησ: Εικόνα ADE Μεηά ην Netlist and Run ζηελ Direct Plot από ην Session->Options αιιάδνπκε ην Waveform Tool ζην AWD θαη ζηε ζπλέρεηα γηα ην δηάγξακκα ηνπ Kf επηιέγνπκε: Εικόνα Direct Plot PSP 175

177 Κεφάλαιο 8 Εικόνα Kf ελώ επηιέγνληαο B1f: Εικόνα B1f 176

178 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε ηε ζπλέρεηα θάλνπκε ηηο παξαθάησ ξπζκίζεηο γηα ηελ απεηθόληζε ησλ S- παξακέηξσλ: Εικόνα Direct Plot PSP-SP ηηο επόκελεο εηθόλεο θαίλνληαη νη S-παξάκεηξνη ζε θνηλό δηάγξακκα, μερσξηζηά γηα κεγαιύηεξε επθξίλεηα (κε ρξήζε ηνπ Waveform Tool) θαη ζην ηέινο ζε δηάγξακκα Smith. Εικόνα Κοινό διάγραμμα S-Παραμζτρων 177

179 Κεφάλαιο 8 Εικόνα S 11 Εικόνα S

180 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα S 21 Εικόνα S

181 Κεφάλαιο 8 Εικόνα S 11, S 22 ςε διάγραμμα Smith Εικόνα S12, S21 ςε διάγραμμα Smith 180

182 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε ηε παξαθάησ ιίζηα θαίλνληαη νη S-παξάκεηξνη ζε δηάθνξεο ζπρλόηεηεο: Εικόνα Λίςτα S-παραμζτρων ηα 2.4GHz πξνθύπηνπλ Κ<1, Γ<1 θαη B 1f >0. Άξα ν εληζρπηήο είλαη επζηαζήο ππό πξνϋπνζέζεηο όπσο ζα πεξηκέλακε θαη ιόγσ ησλ MOSFETs. Έλαο αθόκε όξνο πνπ εκθαλίδεηαη ζηελ αλάιπζε ζηαζεξόηεηαο θαη S-παξακέηξσλ είλαη ν VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) πνπ είλαη ν ιόγνο ηνπ πιάηνπο ηεο ηάζεο ελόο κεξηθώο ζηάζηκνπ θύκαηνο ζε κηα θνηιία ηνπ πξνο ην πιάηνο ηεο ηάζεο ζε έλα δεζκό ηνπ. Γηα παξάδεηγκα VSWR=1.2 ζεκαίλεη όηη ην πιάηνο ηεο ηάζεο ζην κέγηζηό ηνπ είλαη 1.2 θνξέο κεγαιύηεξν από ην ειάρηζην πιάηνο ηεο ηάζεο. ηελ Direct Plot επηιέγνληαο σο function VSWR θαη σο modifier db20, παίξλνπκε ηηο αθόινπζεο θπκαηνκνξθέο: Εικόνα VSWR 181

183 Κεφάλαιο Load Pull ηηο πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο ηνπ εληζρπηή, ε ζύλζεηε αληίζηαζε εμόδνπ ηεο ελεξγνύ ζπζθεπήο έρεη πξαγκαηηθό θαη θαληαζηηθό κέξνο θαη κεηαβάιιεηαη κε ηελ κεηαβνιή ηεο ηάζεο θαη ηνπ ξεύκαηνο εμόδνπ. Δπηπξνζζέησο, ηα πξαγκαηηθά θνξηία ζπάληα είλαη σκηθά. Γηα λα αλαιύζνπκε ηηο επηπηώζεηο πνπ επηθέξεη κηα κεηαβνιή ζηε ζύλζεηε αληίζηαζε ηνπ θνξηίνπ κπνξνύκε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε κηα load-pull αλάιπζε, κεηαβάιινληαο ην πξαγκαηηθό θαη ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο θαη ζρεδηάδνληαο ηελ θακπύιε ηζρύνο εμόδνπ ζε δηάγξακκα Smith. Οη θακπύιεο loadpull δείρλνπλ ηελ ζηαδηαθή αιινίσζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ θαηά ηε κεηαβνιή ηνπ πξαγκαηηθνύ θαη θαληαζηηθνύ κέξνπο ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο ηνπ θνξηίνπ. Ζ load-pull αλάιπζε απνηειεί κηα κέζνδν πξνζδηνξηζκνύ πξνζαξκνγήο ζύλζεηεο αληίζηαζεο κεγάινπ ζήκαηνο. ηελ αλάιπζε load-pull ζαξώλνληαη νη ζπληζηώζεο αλάθιαζεο εμόδνπ, ην SpectreRF κεηξά ηελ ηζρύ εμόδνπ θαη ηε ζρεδηάδεη ζαλ ζπλάξηεζε ηνπ θνξηίνπ όπσο απηό θαίλεηαη από ηνλ εληζρπηή. Οη θακπύιεο ηζρύνο ζρεδηάδνληαη πάλσ ζε δηάγξακκα Smith θαη παξνπζηάδνπλ ηελ αύμεζε ηεο ηζρύνο εμόδνπ θαζώο ην θνξηίν πιεζηάδεη ηελ βέιηηζηε ζύλζεηε αληίζηαζε. Οη ζπληζηώζεο αλάθιαζεο εμόδνπ ζαξώλνληαη αιιάδνληαο έλα γξακκηθό θνξηίν. Οη ζπληζηώζεο αλάθιαζεο εμόδνπ κεγάινπ ζήκαηνο πνπ ππνινγίδνληαη κε απηό ηνλ ηξόπν ζα είλαη ίζεο κε απηέο ηεο αλάιπζεο κηθξνύ ζήκαηνο. Ωζηόζν, γηα ηηο ζπληζηώζεο αλάθιαζεο εηζόδνπ απηό δελ ηζρύεη θαζώο νπζηαζηηθά γίλεηαη ππνινγηζκόο ησλ ζπληζησζώλ αλάθιαζεο κεγάινπ ζήκαηνο ζηε ζεκειηώδε ζπρλόηεηα. Μπνξεί λα κελ είλαη εθηθηή ε βέιηηζηε ηζρύο εμόδνπ, πάληνηε, ιόγσ άιισλ ζρεδηαζηηθώλ ζηόρσλ π.ρ. δεηήκαηα ζηαζεξόηεηαο. Απηά ζπλήζσο ηίζεληαη σο πεξηνξηζκνί ζηηο ζπληζηώζεο αλάθιαζεο. Γηα απηό ην ιόγν κπνξνύκε λα απεηθνλίζνπκε ηηο ζπληζηώζεο αλάθιαζεο πάλσ ζηηο θακπύιεο ηζρύνο, ώζηε λα θάλνπκε ηηο ζρεδηαζηηθέο επηινγέο καο. Μηα θακπύιε ηζρύνο δελ είλαη ίδηα κε κηα θακπύιε ζηαζεξνύ θέξδνπο ηζρύνο. Γηα απηό ην ιόγν απαηηείηαη θαη ε ζρεδίαζε ησλ θακπύισλ ηζρύνο εηζόδνπ ηόζν γηα ηελ επηβεβαίσζε ηεο ζηαζεξόηεηαο ηεο ζύλζεηεο αληίζηαζεο εηζόδνπ, όζν θαη γηα ηελ εμαζθάιηζε ηεο απόθηεζεο επηζπκεηνύ θέξδνπο ηζρύνο. 182

184 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Υξεζηκνπνηνύκε ην παξαθάησ ζρεκαηηθό: κε ηηο αθόινπζεο ξπζκίζεηο γηα ην Port1 Εικόνα χθματικό Εικόνα Port1 183

185 Κεφάλαιο 8 Υξεζηκνπνηείηαη θαη έλα PortAdapter, πνπ είλαη ζηνηρείν ηεο rfexamples library θαη ζην νπνίν κπνξνύκε λα ζέζνπκε ζπρλόηεηα, πιάηνο θαη θάζε ηεο ζπληζηώζαο αλάθιαζεο θαη αληίζηαζε αλαθνξάο, ην νπνίν ζπλδέεηαη κε ην θνξηίν. Εικόνα PortAdapter Δπηιέγνπκε PSS αλάιπζε κε ηηο αθόινπζεο παξακέηξνπο: Εικόνα PSS 184

186 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Από ην Variables->edit επηιέγνπκε ηηο theta, mag θαη fin παξακέηξνπο. Εικόνα 228 Variables Δπηιέγνπκε ηα terminals εηζόδνπ ηνπ PORT1 θαη ηνπ PortAdapter γηα απνζήθεπζε. Σν παξάζπξν ηνπ ADE θαίλεηαη ζηελ επόκελε εηθόλα. Εικόνα ADE Δπίζεο, θαζνξίδνπκε κηα παξακεηξηθή αλάιπζε κε ηα αθόινπζα ραξαθηεξηζηηθά: Εικόνα 230 Χαρακτθριςτικά παραμετρικισ ανάλυςθσ 185

187 Κεφάλαιο 8 Με ην πέξαο ηεο πξνζνκνίσζεο επηιέγνπκε από ην Session->Options ην AWD. Εικόνα AWD ηε Direct Plot θάλνπκε ηηο αθόινπζεο ξπζκίζεηο γηα ηελ απεηθόληζε ησλ θακππιώλ ηεο ηζρύνο εμόδνπ θαη επηιέγνπκε ην terminal εηζόδνπ ηνπ PortAdapter. Εικόνα Direct Plot - power contours 186

188 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα Power contours Σν ζεκείν Υ ζην δηάγξακκα δείρλεη ηε βέιηηζηε ηζρύ εμόδνπ θαη ηελ αληίζηνηρε θαλνληθνπνηεκέλε ζύλζεηε αληίζηαζε. Μπνξεί ε κεγηζηνπνίεζε ηεο ηζρύνο ζην θνξηίν λα πξέπεη λα ζπλππάξρεη κε θάπνην πεξηνξηζκό ηνπ πιάηνπο ηεο ζπληζηώζαο αλάθιαζεο ηνπ εληζρπηή. Γηα απηό ην ιόγν κπνξνύκε λα ζέζνπκε ζε θνηλό δηάγξακκα ηηο θακπύιεο load-pull θαη ηηο θακπύιεο ηεο ζπληζηώζαο αλάθιαζεο ηνπ εληζρπηή. Σν βέιηηζην θνξηίν αληαπνθξίλεηαη ζηε ζπληζηώζα αλάθιαζεο πνπ βξίζθεηαη ζηε ηνκή ηεο κεγαιύηεξεο load-pull θακπύιεο θαη ηεο θακπύιεο ζπληζηώζαο αλάθιαζεο πνπ βξίζθεηαη εληόο ηνπ πεξηνξηζκνύ πνπ καο έρεη ηεζεί. Ρπζκίδνπκε ηε Direct Plot σο εμήο: Εικόνα Direct Plot - reflection contours 187

189 Κεφάλαιο 8 Δπηιέγνπκε πξώηα ην Port1 θαη ζηε ζπλέρεηα ην terminal εηζόδνπ ηνπ PortAdapter. Εικόνα Constant input reflection coefficient magnitude contours and power contours Σέινο, κπνξνύκε λα απεηθνλίζνπκε θαη ηηο θακπύιεο ηζρύνο εηζόδνπ επηιέγνληαο Power Contours θαη ην terminal ηνπ PORT1. Αλ ην δηάγξακκα δείρλεη όηη ε ηζρύο εηζόδνπ δε κεηαβάιιεηαη ζεκαληηθά θαηά ηε ζάξσζε ησλ ζπληζησζώλ αλάθιαζεο ηεο εμόδνπ, ηόηε ε θακπύιε ζηαζεξήο ηζρύνο είλαη πνιύ θνληά ζηε θακπύιε ζηαζεξνύ θέξδνπο. Εικόνα Input power contours 188

190 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα Input power contours - zoom 8.7 Ανάλςζη πεπιβάλλοςζαρ Απόηνκεο αιιαγέο ζε κηα ςεθηαθά δηακνξθσκέλε θπκαηνκνξθή π.ρ.qpsk, έρεη σο απνηέιεζκα κεηαβνιέο ηεο πεξηβάιινπζαο αλ έλα θίιηξν πεξηνξίδεη ην εύξνο δώλεο ηνπ ζήκαηνο πξηλ απηό θηάζεη ζηνλ εληζρπηή ηζρύνο. Αλ ν εληζρπηήο παξνπζηάδεη έληνλε κε γξακκηθόηεηα, ε κνξθή ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ δελ δηαηεξείηαη. κνηα ην θάζκα δελ πεξηνξίδεηαη ζην επηζπκεηό εύξνο δώλεο. Απηό ην θαηλόκελν θαιείηαη θαζκαηηθή αλαγέλλεζε (spectral regrowth) θαη πνζνηηθνπνηείηαη από ηελ ηζρύ πνπ θαηαλέκεηαη ζηα θνληηλά θαλάιηα. Γηα ηνλ πεξηνξηζκό ηεο θαζκαηηθήο αλαγέλλεζεο νη εληζρπηέο ηζρύνο πξέπεη λα ηθαλνπνηνύλ έλα ζύλνιν θξηηεξίσλ γξακκηθόηεηαο. Ωζηόζν, πάληα ππάξρεη έλαο ζπκβηβαζκόο αλάκεζα ζηε γξακκηθόηεηα θαη ηελ απόδνζε. Οη γξακκηθνί PAs είλαη ιηγόηεξν απνδνηηθνί από ηνπο κε γξακκηθνύο δηόηη θαηαλαιώλνπλ κεγάιε πνζόηεηα ηζρύνο ζε ζρέζε κε ην ππόινηπν ηκήκα ηνπ εθπνκπνύ. Οη κε γξακκηθνί PAs, από ηελ άιιε κεξηά, όπνπ νη ελεξγέο ζπζθεπέο ιεηηνπξγνύλ σο δηαθόπηεο, παξνπζηάδνπλ πνιιέο θνξέο απνδόζεηο κεγαιύηεξεο ηνπ 60%. Γηα απηό ην ιόγν είλαη επηζπκεηή ε ρξήζε δηακνξθσκέλσλ ζεκάησλ (π.ρ. FM) πνπ δελ εκθαλίδνπλ θαζκαηηθή αλαγέλλεζε θαηά ηε δηέιεπζή ηνπο από έλα κε γξακκηθό εληζρπηή. Ζ παξαθάησ εηθόλα παξνπζηάδεη ηε θαζκαηηθή αλαγέλλεζε ιόγσ ηεο κε γξακκηθόηεηαο ηνπ εληζρπηή ηνπ εθπνκπνύ. Μηα ζεκαληηθή κέηξεζε είλαη ε πνζόηεηα ηεο αλαγέλλεζεο πνπ δηαξξέεη ζηα θνληηλά θαλάιηα θαη κπνξεί λα ππνινγηζηεί κε κηα ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) αλάιπζε. Άιιε κηα ρξήζηκε κέηξεζε είλαη νη δηαδξνκέο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ηεο βαζηθήο δώλεο. ηελ ηδαληθή γξακκηθή πεξίπησζε, ε δηαδξνκή εμόδνπ είλαη κηα πεξηζηξεκκέλε θαη 189

191 Κεφάλαιο 8 θιηκαθσκέλε έθδνζε ηεο δηαδξνκήο εηζόδνπ. Ο ζπληειεζηήο θιίκαθαο είλαη εκθαλήο ζηηο θπκαηνκνξθέο ζην πεδίν ηνπ ρξόλνπ, αιιά ζηηο δηαδξνκέο γίλεηαη επίζεο αληηιεπηή ε θαζηθή κεηαηόπηζε. Εικόνα Αναγζννθςθ φάςματοσ ηελ ζεηξά ησλ αλαιύζεσλ πνπ αθνινπζνύλ ν εληζρπηήο ηζρύνο νδεγείηαη από ζήκαηα δηακόξθσζεο. ήκαηα CDMA I/Q (Code Division Multiple Access πνιιαπιή πξνζπέιαζε κε δηαίξεζε θσδηθώλ) ηξνθνδνηνύληαη ζε έλαλ ηδαληθό QPSK (Quadrature Phase Shift Keying νξζνγώληα κεηαιιαγή νιίζζεζεο θάζεο) δηακνξθσηή. Ζ πξνηεηλόκελε κέζνδνο είλαη ε ρξήζε αλάιπζεο πεξηβάιινπζαο (Envelope Following - envlp). Ζ envlp αλάιπζε είλαη ζρεδηαζκέλε λα παξέρεη κηα αθξηβή θαη απνδνηηθή πξόβιεςε ηεο ρξνληθήο απόθξηζεο πεξηβάιινπζαο θπθισκάησλ ζε δηαθνξεηηθά δηακνξθσκέλα ζήκαηα. Σα θπθιώκαηα γεληθά ρξνλίδνληαη ζε ζπρλόηεηα κε πεξίνδν ηάμεηο κεγέζνπο κηθξόηεξε από ην ζήκα δηακόξθσζεο βαζηθήο δώλεο. Μηα θιαζηθή ρξνληθή πξνζέγγηζε είλαη εμαηξεηηθά ρξνλνβόξα θαη νύηε κηα PSS ή QPSS αλάιπζε βνεζά θαζώο ην ζήκα δηακόξθσζεο δελ είλαη νύηε πεξηνδηθό, νύηε ζύλζεζε πεξηνδηθώλ ζεκάησλ (quasi-periodic). Ζ envlp αλάιπζε ειαηηώλεη ην ρξόλν πξνζνκνίσζεο ρσξίο λα ειαηηώλεη ηελ αθξίβεηα εθκεηαιιεπόκελε ηε ζπκπεξηθνξά ησλ θπθισκάησλ ζε πνιύ πςειό ρξνληζκό. Πην ζπγθεθξηκέλα, ε πεξηβάιινπζα ηνπ ξνινγηνύ πςειήο ζπρλόηεηαο κπνξεί λα αθνινπζεζεί κέζσ ελόο αθξηβνύο ππνινγηζκνύ ηεο θπθισκαηηθήο ζπκπεξηθνξάο αλά ηαθηνύο θύθινπο ξνινγηνύ. Απηή ε κέζνδνο παξαθνινπζεί κε αθξίβεηα ηελ γξήγνξα κεηαβαιιόκελε ρξνληθή ζπκπεξηθνξά. Ο αξγά κεηαβαιιόκελνο θύθινο δηακόξθσζεο παξαθνινπζείηαη κε αθξίβεηα από έλα πνιπώλπκν δηαθξηηώλ βεκάησλ (piecewise polynomial). Σα ζήκαηα κπνξνύλ λα εθθξαζηνύλ ζε Fourier σο εμήο: v t = M k=1 a k t e j ω 0t όπνπ σ 0 =2π/Σ είλαη ε ζπρλόηεηα ξνινγηνύ θαη ε κηγαδηθή α k (t) θαιείηαη k αξκνληθή. Ζ αλάιπζε δεκηνπξγεί δύν ηύπνπο αξρείσλ εμόδνπ: 190

192 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε έλα αξρείν ηάζεο σο πξνο ρξόλν (td). θαη έλα πιάηνπο/θάζεο σο πξνο ρξόλν (fd) πνπ πεξηέρεη ηνπο ρξνληθά κεηαβαιιόκελνπο ζπληειεζηέο Fourier α k (t) ή k αξκνληθέο. Ζ πξώηε αξκνληθή είλαη θαη ε πην ελδηαθέξνπζα. Σα πξαγκαηηθά θαη θαληαζηηθά κέξε ηεο θαινύληαη εληόο-θάζεο (in-phase) θαη νξζνγώληεο ή ηεηξαπιήο θάζεο (quadrature) ζπληζηώζεο ηνπ βαζηθνύ ζήκαηνο. Έηζη κπνξεί λα ζρεδηαζηεί: ε θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηζρύνο ηεο πξώηεο αξκνληθήο, ν ιόγνο ACPR νη δηαδξνκέο ηεο εηζόδνπ θαη ηεο εμόδνπ ηεο πξώηεο αξκνληθήο γηα λα εμεηαζηεί ε γξακκηθόηεηα ηνπ εληζρπηή ηζρύνο. Καηά ηελ envlp αλάιπζε ε πξνηεηλόκελε ζηξνβνπεξίνδνο (strobeperiod option) είλαη T/2 m ώζηε λα ηζαπέρνπλ ηα ρξνληθά ζεκεία θαη λα έρνπκε κηθξόηεξν ζόξπβν ππνβάζξνπ (noise floor) ζηνπο ππνινγηζκνύο ηνπ θάζκαηνο ηζρύνο. Ζ ππθλόηεηα θάζκαηνο ηζρύνο (PSD) ππνινγίδεηαη από ην παξαθάησ ηύπν: s ω = 1 N N 1 i=0 F i (ω) 2 Δt i όπνπ F i ω είλαη ν κεηαζρεκαηηζκόο Fourier ηνπ i-νζηνύ ηκήκαηνο. Εικόνα PSD Ζ παξαπάλσ εηθόλα απεηθνλίδεη ηνλ ππνινγηζκό ηεο θαζκαηηθήο ππθλόηεηαο ηζρύνο. Τπάξρνπλ πέληε ηζνκεγέζε ηκήκαηα (κεγέζνπο Σ) πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη ζηνπο ππνινγηζκνύο Fourier ζε έλα ζήκα κήθνπο [0, 3Σ]. Έηζη ην βήκα ηεο ζπρλόηεηαο (frequency resolution) ηνπ PSD είλαη 1/Σ Hz. Έλαο FFT (Fast Fourier Transform ηαρύο κεηαζρεκαηηζκόο Fourier) εθηειείηαη ζηα ζήκαηα θάζε ηκήκαηνο πνιιαπιαζηαζκέλνο κε κηα ζπγθεθξηκέλε ζπλάξηεζε παξαζύξνπ: F i ω = FFT(W(t)s(t)) Οη αιγόξηζκνη FFT δνπιεύνπλ κε 2 m ζεκεία, πνπ ζεκαίλεη όηη αλ ηα ρξνληθά ζεκεία ζε θάζε ηκήκα δελ είλαη 2 m, ν θώδηθαο παξαπνηείηαη γηα λα ηα απνθηήζεη 2 m ζεκεία. Ζ παξαπνίεζε ζα πξνθαιέζεη ηελ αύμεζε ηνπ ζνξύβνπ ππνβάζξνπ ηνπ PSD. 191

193 Κεφάλαιο 8 Γηα απηό ην ιόγν ε πξνηεηλόκελε ζηξνβνπεξίνδνο (strobeperiod option) είλαη T/2 m. Γηα λα απνθύγνπκε θαηλόκελα επηθάιπςεο (aliasing), ε T/2 m πξέπεη λα είλαη κεγαιύηεξε από ην Nyquist κηζνύ εύξνπο δώλεο. Οη παξαπάλσ κεηαβιεηέο κπνξνύλ λα βξεζνύλ απηόκαηα κε ηε ρξήζε ηνπ ACPR wizard. ην ζρεκαηηθό πνπ ρξεζηκνπνηνύκε ζπλήζσο, πξνζηίζεηαη αληί port εηζόδνπ ε κνλάδα ηεο επόκελεο εηθόλαο πνπ απνηειείηαη από έλαλ Q θαη έλαλ I δηακνξθσηή κε εηζόδνπο ports (Port5 θαη Port6) θαη ppwlf (Port3 θαη Port4) κε ηηο ξπζκίζεηο πνπ θαίλνληαη ζηηο εηθόλεο πνπ αθνινπζνύλ. Σα αξρεία cdma_2ms_idata θαη cdma_2ms_qdata έρνπλ δεκηνπξγεζεί γηα ηηο αλάγθεο ηεο πξνζνκνίσζεο. Εικόνα Q/I διαμορφωτζσ και ακροιςτισ 192

194 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα 241 χθματικό Εικόνα Port5 και Port6 193

195 Κεφάλαιο 8 Εικόνα Port3 και Port4 Δπηιέγνπκε ηελ envlp αλάιπζε κε ηα ραξαθηεξηζηηθά πνπ θαίλνληαη παξαθάησ. Πην κε γξακκηθά θπθιώκαηα πξνζνκνηώλνληαη θαιύηεξα κε κεγαιύηεξν αξηζκό αξκνληθώλ. Γηα ηεηξαγσληθό θέξνλ κπνξεί λα ρξεηαζηνύλ θαη πεξηζζόηεξεο από είθνζη αξκνληθέο. Δπίζεο ζέηνπκε ηηο Design Variables plo θαη fff θαη 2.4G αληίζηνηρα. Εικόνα Ανάλυςθ envlp 194

196 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε ην Options ->SIMULATION BANDWIDTH PARAMETERS ζέηνπκε ην modulationbw ζε 1M (Hz). Σν παξάζπξν ηνπ ADE είλαη ην αθόινπζν: Εικόνα ADE Αθνύ γίλεη ε πξνζνκνίσζε (Netlist and Run), ξπζκίδνπκε ηε Direct Plot σο εμήο: Εικόνα Direct Plot - voltage vs time 195

197 Κεφάλαιο 8 θαη έρνπκε ηε παξαθάησ θπκαηνκνξθή επηιέγνληαο ην θιάδν πξηλ ηελ έμνδν (Port2): Εικόνα Voltage vs time Εικόνα Voltage vs time (μεγζκυνςθ) Οη θάζεηεο γξακκέο είλαη ηα ζεκεία όπνπ εθηεινύληαη εθηελέζηεξνη ππνινγηζκνί θαη ε θπκαηηζηή γξακκή ηα ελώλεη κε κηα αθόκα κεγέζπλζε. Ζ πξνζνκνίσζε ηξέρεη πνιύ γξεγνξόηεξα από όηη κηα ρξνληθή αλάιπζε γηαηί ε envlp αλάιπζε πξνζπεξλά θύθινπο όηαλ κπνξεί λα ην θάλεη ρσξίο λα γίλνπλ αξηζκεηηθά ιάζε. ε κηα θάζεηε γξακκή θαίλεηαη ν ππνινγηζκόο γηα έλαλ πιήξε θύθιν. 196

198 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα Voltage vs time (μεγζκυνςθ) - υπολογιςμόσ ςε ζνα κφκλο Ζ δηακόξθσζε πνπ ππάξρεη πάλσ ζην RF θέξνλ είλαη ην ζήκα βαζηθήο δώλεο, ε πιεξνθνξία πξνο κεηάδνζε. Σν ζήκα βαζηθήο δώλεο θαζνξίδεη ην πιάηνο θαη ηε θάζε ηνπ RF θέξνληνο. Δίλαη ζεκαληηθό λα εξεπλεζεί πσο ν εθπνκπόο κπνξεί λα αιιάμεη ην ζήκα βαζηθήο δώλεο. Σν ζήκα απηό κπνξεί λα απεηθνληζηεί ζε νπνηνδήπνηε ζεκείν ηεο ζρεδίαζεο. ηε ζπλέρεηα ξπζκίδνπκε ηε Direct Plot σο εμήο: Plot Mode: Replace, Function: Voltage, Sweep: harmonic time, Modifier: Real, Harmonic Number: 1 θαη επηιέγνπκε ηελ έμνδν ηνπ αζξνηζηή. Έπεηηα επηιέγνπκε Append γηα Plot Mode θαη Imaginary γηα Modifier θαη μαλαεπηιέγνπκε ηελ έμνδν ηνπ αζξνηζηή. Έρνληαο επηιέμεη ην Strip Chart Mode, εηθνλίδην ζην παξάζπξν ησλ θπκαηνκνξθώλ, απεηθνλίδνληαη ζην πάλσ δηάγξακκα ην πξαγκαηηθό θαη ζην θάησ δηάγξακκα ην θαληαζηηθό κέξνο ηεο πξώηεο αξκνληθήο ηνπ ζήκαηνο. Αλ επηιέμνπκε ζηηο ξπζκίζεηο ηνπ νξηδόληηνπ άμνλα Plot vs ηελ έμνδν ηνπ αζξνηζηή ηε πξώηε θνξά θαη Plot vs ηελ έμνδν ηνπ εληζρπηή ηε δεύηεξε, έρνπκε αληίζηνηρα ηηο δηαδξνκέο ηεο εηζόδνπ θαη ηεο εμόδνπ ηεο πξώηεο αξκνληθήο γηα λα εμεηαζηεί ε γξακκηθόηεηα ηνπ εληζρπηή ηζρύνο θαη ην αλ ππάξρεη παξακόξθσζε ηνπ ζήκαηνο. ε πεξίπησζε κε γξακκηθήο παξακόξθσζεο π.ρ. θνξεζκόο νη εμσηεξηθέο άθξεο ηεο δηαδξνκήο θαίλνληαη λα αλήθνπλ ζε θύθιν. 197

199 Κεφάλαιο 8 Εικόνα Πραγματικό και φανταςτικό μζροσ 1θσ αρμονικισ Ο ιόγνο ACPR είλαη έλαο δείθηεο γηα ηε πνζόηεηα ηεο ηζρύνο πνπ εθπέκπεηαη εθηόο ηεο θαηαλεκεκέλεο δώλεο ζπρλνηήησλ. Γηα ηε κέηξεζε ηνπ ACPR ρξεηάδεηαη ε θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηζρύνο (PSD) ηνπ πξνο κεηάδνζε ζήκαηνο. Ο εθπνκπόο νδεγείηαη από ξεαιηζηηθά ζήκαηα βαζηθήο δώλεο πνπ πξνέξρνληαη από ςεθηαθά θίιηξα. Σα ςεθηαθά θίιηξα πεξηνξίδνπλ ην θάζκα ηνπ ζήκαηνο βαζηθήο δώλεο εηζόδνπ. Ζ παξακόξθσζε ηνπ εθπνκπνύ θάλεη ην ζήκα λα εκθαλίδεηαη ζε ζεκεία όπνπ δε ζα έπξεπε λα ππάξρεη θαζόινπ. ηε Direct Plot θάλνπκε ηηο ξπζκίζεηο ηεο εηθόλα 254. Οη απνζεθεπκέλεο θπκαηνκνξθέο ησλ ζεκάησλ βαζηθήο δώλεο ζηελ είζνδν έρνπλ ππνζηεί δεηγκαηνιεςία αθξηβώο θάησ από ηα 5MHz θαη ην κηζό εύξνο δώλεο Nyquist (Nyquist half-bandwidth) είλαη 5MHz. Απηό ζεκαίλεη όηη ν αιγόξηζκνο θάζκαηνο παξεκβάιιεηαη πεξηζζόηεξν από όηη ζπλήζσο γηα λα δεκηνπξγήζεη αξθεηά ρξνληθά ζεκεία γηα ηε δεηνύκελε αλάιπζε. Σα απνηειέζκαηα ζε απηή ηε πεξίπησζε εκθαλίδνληαη θάησ από ηα 3MHz, αιιά όρη πην πέξα. Γεληθά, ην κηζό εύξνο δώλεο Nyquist πξέπεη λα βξίζθεηαη θάησ από ην κηζό ηεο ζπρλόηεηαο δεηγκαηνιεςίαο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηε παξαγσγή ησλ δεδνκέλσλ εηζόδνπ. ηε ζπγθεθξηκέλε πεξίπησζε βξηζθόκαζηε ζηα όξηα ηνπ θξηηεξίνπ Nyquist. 198

200 Προςομοίωςθ απόδοςθσ και ςυμπεριφοράσ ενιςχυτι τάξθσ Ε Εικόνα Direct Plot PSD ην ζρεκαηηθό επηιέγνπκε ηελ έμνδν ηνπ θπθιώκαηνο θαη ηελ έμνδν ηνπ αζξνηζηή. Εικόνα PSD Φαίλεηαη θαζαξά ε δηαξξνή ηεο ηζρύνο εμόδνπ πξνο ηα θνληηλά θαλάιηα ιόγσ ηεο κε γξακκηθόηεηαο ηνπ εληζρπηή ηζρύνο. 199

201 Κεφάλαιο 8 Μπνξνύκε επίζεο λα ρξεζηκνπνηήζνπκε θαη ην ACPR Wizard γηα ηελ απεηθόληζε ηνπ ACPR. ηελ ξύζκηζε ηεο αλάιπζεο envlp, επηιέγνπκε Start ACPR Wizard θαη θάλνπκε ηηο αθόινπζεο ξπζκίζεηο (ζην Net επηιέγεηαη ε έμνδνο ηνπ εληζρπηή): Εικόνα ACPR Wizard Σν παξάζπξν ηνπ ADE θαίλεηαη παξαθάησ: Εικόνα ADE (ACPR) 200