高增益高效驱动器

2021-09-10

高增益高效驱动器

级联放大器是模拟设计师工具包中最有(yǒu)用(yòng)的工具之一。它们具有(yǒu)高输入阻抗、高增益，并在很(hěn)宽的频率范围内工作。它们对几乎所有(yǒu)需要高阻抗宽带放大的应用(yòng)都有(yǒu)帮助，并且经常用(yòng)于射频電(diàn)路中的调谐、调制和放大。

级联放大器也可(kě)以很(hěn)好地用(yòng)作驱动器。输入与输出的高度隔离使它们非常适合此目的。在 Intrinsix，我们经常使用(yòng)它们来驱动混频器、功率放大器和振荡器的缓冲放大器。

传统级联放大器设计

為(wèi)了保持高频的完整性，IC 上的信号通常以互补对的形式传输；一种称為(wèi)差分(fēn)信号的技术。级联放大器可(kě)以很(hěn)容易地适应差分(fēn)信号。图 1 显示了使用(yòng)上拉電(diàn)阻 (R L )实现的传统差分(fēn)共源共栅放大器，代表放大器上的電(diàn)阻负载。该放大器有(yǒu)两个特性使其非常适合用(yòng)作驱动器：高隔离度和高带宽。正如下面将要讨论的，该放大器的效率受上拉電(diàn)阻器的限制。

图 1：具有(yǒu)電(diàn)阻上拉的级联放大器

参考图 1，放大器的電(diàn)压增益由集電(diàn)极 (IC) 上的晶體(tǐ)管電(diàn)流和负载電(diàn)阻 (R L ) 决定。对于中高放大器電(diàn)流，R L两端的压降显着限制了互补输出、outp 和 outm 处的交流電(diàn)压摆幅。由于静态点 V Q介于 V CC和 (2V CE + V CS ) 之间，当 V CE和 V CS最小(xiǎo)时，峰值幅度被限制為(wèi) V CC /2 。此外，上拉電(diàn)阻上的直流電(diàn)源会丢失。这些效应通过限制增益和增加功率损耗来降低放大器的效率。

提高级联驱动器的效率

為(wèi)了提高增益并降低功率损耗，Intrinsix 的工程师开发了一种使用(yòng)耦合電(diàn)感器的技术。请参阅图 2，其中显示了带有(yǒu)電(diàn)感上拉的共源共栅放大器。该放大器的静态点為(wèi) V CC - 是图 1 中所示放大器静态点的两倍。電(diàn)感支持的动态電(diàn)流变化 (dI C /dt) 允许電(diàn)压摆幅高于 V CC，从而增加两倍在增益。此外，電(diàn)感器上的直流電(diàn)压降可(kě)以接近零，与带有(yǒu)電(diàn)阻上拉的放大器相比，可(kě)以降低直流功率损耗。结果是显着更高效的级联驱动程序。

图 2：具有(yǒu)電(diàn)感上拉的级联放大器

但是，该驱动器的效率取决于電(diàn)感器的品质因数 (Q)。Q 越高，電(diàn)感器的電(diàn)阻相对于其感抗越低。换句话说，Q越高，它就越接近理(lǐ)想電(diàn)感。

為(wèi)了增加 Q，電(diàn)感的正负侧紧密耦合。这会增加每侧的電(diàn)感，而不会增加 IC 的物(wù)理(lǐ)尺寸。通过以这种方式紧密耦合，電(diàn)感可(kě)以增加 (1 + k) 倍，其中 k 是耦合系数。

这种方法有(yǒu)一个限制。与具有(yǒu)電(diàn)阻上拉的共源共栅驱动器相比，電(diàn)感加载驱动器具有(yǒu)更窄的带宽。这是因為(wèi)负载電(diàn)容、電(diàn)感器和放大器的输出電(diàn)容形成并联谐振電(diàn)路，其通带由谐振频率决定。

為(wèi)了解决这个问题，Intrinsix 的工程师开发了一种优雅的策略来扩展这些放大器的带宽。由于通带是電(diàn)感的函数，因此可(kě)以通过改变電(diàn)感来调整频率响应。通过以電(diàn)子方式调整電(diàn)感，可(kě)以将通带调整為(wèi)信号频率，从而形成可(kě)以在多(duō)个频段上高效运行的驱动器電(diàn)路。

使用(yòng)这些技术，共源共栅驱动器的效率得到提高而不会损失带宽。

概括

通过使用(yòng)電(diàn)感而不是電(diàn)阻上拉，共源共栅驱动器的效率可(kě)以加倍。Intrinsix 的模拟工程师开发了使用(yòng)片上電(diàn)感上拉的驱动器建模和实现技术。多(duō)年来，它们一直有(yǒu)效地用(yòng)于在首次通过硅片上工作的 IC。