2-20 GHz wideband power distributed amplifier
2-20 ghz genişbantlı dağılmış parametreli güç kuvvetlendiricisi
- Tez No: 666462
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Geniş bantlı sistemler günümüzde pek çok uygulama için kullanılmaktadır. Yüksek hızda haberleşme sistemleri, yüksek çözünürlüklü görüntü sistemleri ve 5G haberleşme sistemleri gibi genişbant gerektiren uygulamalara RF yükseltici devreler gerekmektedir. Dağılmış parametreli kuvvetlendirici (distributed amplifier) devreler tam olarak bu tür sistemleri için biçilmiş kaftandır. Dağılmış parametreli kuvvetlendirici ilk olarak vakum tüpleriyle üretilmiştir. Daha sonra GaAs ve InP yarı iletken teknolojileri ile entegre devre olarak üretilmiştir. Üretim maliyetlerinin diğer teknolojilere göre daha az olması, daha düşük alanlarda daha karmaşık ve bütünleşmiş devre üretimi olanağının olması ve düşük güç tüketimine sahip olması nedeniyle CMOS teknolojisinde dağıtılmış yükseltici devre teknikleri uygulanmış ve geliştirilmiştir. Dağıtılmış yükseltici tasarımı için öncelikle yükseltici devrelerin tasarımındaki belli başlı performans metriklerini öğrenmek gerekmektedir. Kazanç, gürültü faktörü, doğrusallık ve verimlilik bu metriklerin önemli bir kısmıdır. Yükseltici devrelerin ilk amacı giren sinyalin güç seviyesini sinyalin doğrusallığı bozulmadan yükseltmektir. Bu durum kazanç metriğiyle gösterilir. Bir diğer metrik olan gürültü faktörü özellikle sistemdeki giriş devreleri için çok önemlidir. Antene gelen düşük sinyal bilgisinin gürültü içerisinde kaybolmaması için gürültü faktörü düşük yükselticiler sistemin girişinde kullanılır. Doğrusallık ise yüksek sinyal seviyelerinde önem kazanır. RF sistemlerde özellikle gönderici tarafında antene gönderilen sinyal gücünün olabildiğince yüksek olması istenir. Bu sebep ile çıkıştaki yükselticinin olabildiğince yüksek sinyal seviyesini üretebilmesi ve gönderilmek istenen sinyal dışındaki harmonik sinyallerin olabildiğince düşük seviyede olması beklenir. Son olarak da çıkış yükselticisinin bu yüksek sinyali üretirken olabildiğince az güç tüketmesi yani verimliliğinin yüksek olması istenir. Bant genişliği genel olarak devre içindeki aktif elemanların parazit kapasiteleri tarafından belirlenir. Bu doğrultuda dağılmış parametreli kuvvetlendirici iletim hatlarındaki prensibe benzer olarak aktif elemanların parazit kapasitelerini endüktör yardımıyla yapay iletim hatlarına benzeterek yok eder. Bu yöntem ile devrenin bant genişliği arttırılmış olur. Dağılmış parametreli kuvvetlendirici giriş ve çıkışları yapay iletim hattı olarak tasarlanır ve geniş bant için çok iyi giriş ve çıkış eşleşmesi sağlanır. Buna ek olarak dağılmış parametreli kuvvetlendiricinin kazançları dar bantlı topolojilerle kıyaslanınca daha azdır fakat geniş bant aralığı için olabildiğince sabit kazanç elde edilebilir. Buna ek olarak dağılmış parametreli kuvvetlendiriciler geniş bant boyunca iyi bir doğrusallığa sahiptir fakat bunu elde etmek için yüksek güç harcamak gereklidir. Bu yüzden verimlilikleri dar bantlı yükselticilere kıyasla daha kötüdür. Dağılmış parametreli kuvvetlendiricinin performans metrikleri bazı teknikler ile iyileştirilebilir. Kazanç metriğini iyileştirmek için kazanç formülünde bulunan kazanç katı sayısının arttırılması kazancı yükseltmektedir. Fakat kazanç katı sayısı iletim hatlarının kaybı sebebiyle sınırlı seviyede yükseltilebilir. Bir diğer yöntem ise kazanç seviyesi yüksek olan kazanç katı kullanımıdır. Fakat farklı kazanç kat topolojileri için bant genişliği farklılık gösterebilmektedir. Son olarak da kazanç metriği farklı dağıtılmış yükseltici topolojileri ile iyileştirilebilir. Arka arkaya eklenen dağıtılmış yükseltici ve matris dağıtılmış yükseltici topolojileri kazanç metriğini yükseltmek için kullanılabilir. Gürültü faktörü metriği ise sistem içerisinde girişe yakın kullanılan dağılmış parametreli kuvvetlendirici için önemlidir. Gürültü faktörünü düşük frekans bandında giriş yapay iletim hattını sonlandıran direnç daha çok yükseltir. Yüksek frekanslarda ise aktif elemanlardan kaynaklanan gürültüler gürültü faktörünü yükseltir. Gürültü faktörünü düşürmek için ise üç farklı teknik kullanılabilir. Birincisi giriş iletim hattını düşük frekanslarda düşük gösteren, yüksek frekansta ise olması gerektiği değere çıkaran kompleks empedans ile sonlandırmaktır. Bu durumda gürültü faktörü düşük frekanslar için düşer fakat karakteristik empedansın olması gerekenden farklı olması sebebi ile giriş eşleşmesinde kötüleşme olur. Diğer yöntem ise giriş iletim hattını dirençten daha az gürültüsü olan aktif eleman ile sonlandırmaktır. Bu yöntemde çıkış direnç yerine diyot bağlı transistör ile sonlandırılır. Son yöntem ise giriş iletim hattını kendisi ile eşleşen bir yükseltici ile sonlandırmaktır. Yüksek çıkış sinyali elde edebilmek için ise çıkış iletim hattını sonlandıran direnci kaldırmayı sağlayan farklı karakteristik hatlara sahip dağıtılmış yükseltici topolojisi kullanılabilir. Fakat bu topoloji için giriş ve çıkış iletim hattındaki faz sabitinin eşit tasarlanması gerekmektedir. Yüksek çıkış sinyali elde etmek için bir diğer yöntem olan üst üste eklenmiş birden fazla aktif kat içeren kazanç katı kullanılabilir. Bu yöntem sayesinde devrenin besleme voltajı yükseltilebilir. Fakat bu durum daha karmaşık devre tasarımlarına sebep olmaktadır. Dağılmış parametreli kuvvetlendiriciler için bir diğer önemli metrik olan bant genişliğini arttırmak için ise aktif kazanç katı sayısını arttırılarak kesim frekansı ötelenebilir. Son olarak da endüktif yükseltme yöntemleriyle bant genişliği arttırılabilir. Fakat bu yöntem devrenin kararlılığını bozduğu için çok dikkatli uygulanmalıdır. Bu bilgiler doğrultusunda dağılmış parametreli güç kuvvetlendiricisi tasarımına başlandı. Öncelikle kullanılacak teknoloji akım kazanç frekans (fT), RF tasarım için sağlanan imkanlar ve üretim maliyeti göz önüne alınarak 130nm CMOS teknolojisi seçildi. Kazanç katı olarak giriş katı ince oksitli çıkış katı ise kalın oksitli MOSFET olan 2 katlı yapı seçildi. Kalın oksitli transistör kullanımı ile daha yüksek gerilimde besleme voltajı, transistörlerin tehlikesiz çalışma alanında kalmaları tasarım ile güvence altına alınarak kullanılabildi. Buna ek olarak çıkış iletim hattı, kalın oksit trasistör kullanımı sayesinde herhangi bir ek kapasiteye gerek kalmadan giriş iletim hattı ile eş faz sabiti elde edilebildi. Akım yoğunluğu, birim akım kazanç frekansı ve en düşük gürültü faktörü seviyesi benzetimleri doğrultusunda seçildi. Bir diğer parametre olan kazanç katı sayısı üç, dört ve beş katlı yapı için çizilen basit toprak hattı çizimlerinin elektromanyetik benzetimleri sonucunda hedef frekans bandına ek pay bırakılarak seçildi. Kaynak gerilimi toplam akan akım ve çıkış iletim hattını sonlandıran direnç değeri basit benzetimler sonucunda seçildi. Yapılan benzetimler doğrultusunda prototip üretimi için metalik ve aktif eleman düzeni çizildi. Elektromanyetik benzetimleri de içerecek şekilde benzetimler yapılarak tasarımı yapılan devrenin performans metrik değerleri elde edildi. Prototip üretimi sonrası gelen çip ölçüm istasyonunda (probe station) ölçümleri yapıldı. Ölçümler için programlanabilir güç kaynağı, network analizör ve onların kontrolünü sağlayan bilgisayar kullanıldı. İçerisinde üçü toprak-sinyal-toprak hattı ikisi güç hattı olmak üzere iki adet beşli iğne grubu ölçüm istasyonu ölçümlerinde kullanıldı. Üretilen prototipin s-parametresi performans metrikleri -40 °C, 25 °C ve 85 °C sıcaklıklarında ölçüldü. Ölçümler iğnelerin ucuna kadar yapılan kalibrasyon ile yapıldı. Üretilmiş birden fazla çip 25 °C sıcaklığında ölçüldü ve üretim varyasyonu incelendi. Buna ek olarak yapılan ölçümlerdeki ölçüm hassasiyeti de incelenmiş oldu. Yapılan -40 °C, 25 °C ve 85 °C ölçüm sonuçları benzetim sonuçları ile karşılaştırıldı. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda üretilen prototipin bant genişliği yapılan benzetimlerinden biraz daha düşük geldiği fakat tasarım esnasında koyulan paylar sayesinde istenilen bant genişliğinin elde edildiği görüldü. Üretilen prototipin doğrusallık ölçümlerinde ise bir öncekine ek olarak ölçüm iğnelerinin ucuna kadar güç kalibrasyonu da yapıldı. -40 °C, 25 °C ve 85 °C sıcaklıklarında doğrusallık ölçümleri yapıldı. Üretilmiş birden fazla çip 25 °C sıcaklığında ölçüldü ve üretim varyasyonu incelendi. Yapılan -40 °C, 25 °C ve 85 °C ölçüm sonuçları benzetim sonuçları ile karşılaştırıldı. Karşılaştırmalar sonucunda üretilen prototipin doğrusallık performansı benzetim sonuçlarından çok daha iyi olduğu ve sıcaklıkla değişiminin daha az olduğu gözlendi. Buna ek olarak ölçüm sonuçları kullanılarak devrenin maksimum verimliliği üç sıcaklık için tüm frekans noktalarında MATLAB ile hesaplandı. Son olarak da devrenin çeşitli besleme voltajları için 25 °C sıcaklıkta doğrusallık ölçümleri yapıldı ve 10 GHz için sonuçlar incelendi. Sonuç olarak 2-20 GHz bant aralığında çalışan dağıtılmış parametreli güç kuvvetlendiricisi devresi başarılı bir şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir olduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Wideband RF systems are popular for many applications. Broadband amplifiers are used for high speed communications systems, high resolution imaging systems and 5G communication systems. Distributed amplifiers are a good option for wideband applications. Chronologically, distributed amplifiers were first designed using vacuum tubes. Later, integrated distributed amplifiers were implemented using GaAs and InP semiconductor technologies. Low manufacturing cost, high configurability, and high integration concerns lead designers to distributed amplifier implementations in CMOS technology. In order to design power distributed amplifier, RF performance metrics should be studied first. Gain, noise figure, linearity and efficiency are some important performance metrics for RF amplifier design. The main requirement of these amplifiers is the gain, which specifies the amount that the RF output power increase without any distortion. Second, noise figure is the important for input amplifier of the receive amplifier. Low RF signal must be amplified without any noise addition. Linearity is also important for high RF signal levels. It is desired to have high output RF signal power at transmitter output. Therefore, power amplifiers need high linearity in order not to produce distortion. Finally, efficiency is very important for reducing power consumption. Bandwidth of the circuit is mostly determined by device parasitic capacitance. Therefore, parasitic capacitances are resonated out using inductors implemented out of transmission lines. Bandwidth of the amplifier is increased with this technique. Input and output artificial transmission line yields extremely good input and output matching for distributed amplifier. Although distributed amplifiers have lower power gain than narrow band amplifiers, they have flat gain over bandwidth. Moreover, distributed amplifiers have good linearity over bandwidth. However, they suffer high power consumption which reduces their efficiency. There are many techniques to enhance RF performance metrics of the distributed amplifiers. In order to improve gain, number of the gain stage can be increased. Alternatively, a higher gain stage topology can be used. Finally, a different distributed amplifier topology such as a cascaded distributed amplifier and matrix distributed amplifier can be used to enhance gain. Noise factor is mostly important for RX input amplifiers aka Low Noise Amplifiers (LNA). Noise factor contribution is dominated by input artificial transmission line termination resistor at the beginning of the bandwidth. Noise factor contribution is dominated by gate induced noise of the MOSFETs at higher frequencies. Three different techniques can enhance noise figure of the distributed amplifiers. Firstly, gate transmission line can be terminated with a complex impedance. Secondly, gate transmission line can be terminated with an active termination. Finally, the gate transmission line can be terminated with a matched amplifier. Increasing the maximum output swing of the distributed amplifier can be achieved by eliminating output termination line resistor using a structure such as tapered drain line. In addition, transistor stacking increases the supply voltage. Bandwidth of the distributed amplifier can be increased by increasing gain stage. In addition, gate and inter-stage inductive peaking enhance bandwidth. After these considerations, a power distributed amplifier was designed in 130 nm CMOS technology. 2 stack cascode topology was used as the gain stage with thin oxide input stage and thick oxide cascode stage. Current density was chosen according to unity current gain frequency (fT) and minimum noise figure simulations. Number of the gain stage was determined with electromagnetic simulations. Supply voltage, values of termination resistors and total current were chosen according to simulations. The circuit was laid out and its parasitics were included in the simulations. Final performance metrics were simulated including electromagnetic simulations. Next the prototype was manufactured and the fabricated prototype was measured on probe station. Chip was measured at -40 °C, 25 °C and 85 °C and the results were compared with simulated results. In conclusion, a 2-20 GHz wideband power amplifier is successfully realized.
Benzer Tezler
- Design and realization of broadband instantaneous frequency discriminator
Geniş bantlı anlık frekans ayrıştırıcı tasarımı ve gerçeklenmesi
GÖKHAN PAMUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. NEVZAT YILDIRIM
- Design and fabrication of RF MEMS switches and instrumentation for performance evaluation
RF MEMS anahtar tasarımı ve üretimi ve performans değerlendirme sistemi
HALİL İBRAHİM ATASOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİMŞEK DEMİR
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- HDTV işaretlerinin uydu üzerinden iletiminde özel problemler
Special problems in transmitting the HDTV signals by satellite
RAMAZAN BAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. BİNGÜL YAZGAN
- 6 GHZ altında 5G baz istasyonları için çift kutuplu antisimetrik yarık kuplajlı yama anten tasarımı
Design of a dual polarized antisymmetric slot coupled patch antenna for sub – 6 GHZ 5G base stations
BURAK UZMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÇİYDEM
- WCDMA uygulamaları için yüksek doğrusallıklı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
High linear power amplifier design for WCDMA applications
RAMAZAN ATA
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN PALAMUTÇUOĞULLARI