Progettazione di amplificatori e tecnologie

1) Livelli di potenza :

            10 dBm :                    10mW

3 dBm :                     2mW

0 dBm :                     1mW

             -3 dBm :                    0,5mW

           -10 dBm :                    0,1mW

           -30 dBm :                       1µW

           -60 dBm :                       1nW

2) Tipologie di amplificatori :

• Low Noise Amplifier: ha il compito di amplificare il segnale d'ingresso peggiorando il meno possibile il rapporto segnale / rumore
• Low Level Amplifier: fornisce un guadagno insieme a funzioni di controllo dello stesso
• Power Amplifier: aumenta il livello di potenza sino a giungere alle non linearità ma massimizzando l'efficienza

3) Caratteristiche della curva di risposta di un amplificatore :

• Banda passante: è la differenza tra le frequenze per le quali il guadagno si riduce di 3dB rispetto al guadagno nominale
• Banda percentuale: è il rapporto tra la banda passante e la frequenza inferiore
• Gain Slope: è la massima pendenza della curva del guadagno all'interno della banda considerata
• Gain Flatness: massima variazione picco - picco nella banda presa in considerazione

4) Suddivisione degli amplificatori in base alla banda percentuale :

• B_% < 10%                              : Amplificatore a banda stretta
• 10% < B_% < 100%                : Amplificatore a banda larga
• B_% < 100%                            : Amplificatore a banda ultralarga

5) Efficienza di un amplificatore :

Per gli amplificatori di potenza è molto importante specialmente a bordo dei satelliti dove è importante che l'energia proveniente dai pannelli solari venga impiegata al meglio in modo da trasmettere un segnale forte a Terra, almeno 10W ottenuti tramite TWTA. Per aumentare l'efficienza dell'amplificatore la sua retta di lavoro deve percorrere tutta la caratteristica d'uscita, in questo modo però vengono toccate le zone di funzionamento non lineari e pertanto occorre utilizzare un predistorsore.

6) Test a singolo tono dell'amplificatore :

Mandando un tono  in ingresso ad un amplificatore avente caratteristica ingresso / uscita  abbiamo che vengono generate anche la seconda e la terza armonica della fondamentale le quali non erano presenti nel segnale d'ingresso inoltre il termine alla frequenza del segnale d'ingresso contiene un contributo dovuto a k₃ il quale è negativo e quindi tende a sottrarre potenza in uscita alla fondamentale.

In termini di potenza si ha che mentre la potenza della fondamentale tende a saturare, comprimere, la potenza della armonica di ordine N cresce invece di N dB per ogni dB di crescita della potenza del segnale d'ingresso.

7) 1dB Compression Point P_in,1dB :

E' il valore della potenza d'ingresso corrispondente ad una diminuzione del guadagno di 1dB rispetto al valore lineare.

8) Test a due toni dell'amplificatore :

Vengono inviati in ingresso all'amplificatore non lineare due toni a frequenze spaziate di circa 20MHz tra loro su di una banda di circa 8GHz. Nel caso che la caratteristica dell'amplificatore sia descritta dalla  ciò che si ottiene è uno spettro molto complesso, tuttavia molte delle componenti possono essere facilmente eliminate mediante filtraggio, vi sono però dei termini che sono troppo vicini ai toni utili o addirittura alla stessa frequenza e pertanto possono essere eliminati o ridotti unicamente mediante l'utilizzo di un predistorsore, in particolare essi sono:

• Compressione : ω₁ ed ω₂ provenienti da   ω₁ + ω₁ - ω₁   e    ω₂ + ω₂ - ω₂
• Soppressione  : ω₁ ed ω₂ provenienti da   ω₁ + ω₂ - ω₂   e    ω₂ + ω₁ - ω₁
• Intermodulazione 3° ordine :  2ω₂ - ω₁   e   2ω₁ - ω₂

9) Punto di intercetta del terzo ordine IP3_IN :

E' la potenza in ingresso tale che la potenza di una delle componenti di intermodulazione ha potenza uguale alla potenza lineare dell'amplificatore. Solitamente si ha .

10) MDS :

Minimum Detectable Signal, è il livello di potenza in ingresso corrispondente al più piccolo segnale che l'amplificatore può distinguere dal rumore, viene scelto in modo che sia 3dB al di sopra del rumore.

11) Range dinamico :

E' dato dalla differenza tra il punto di compressione ad 1dB ed il minimo segnale rilevabile

12) SFDR :

Spurius Free Dinamic Range individua il range dinamico libero da spurie a tal fine viene individuato il valore del livello di rumore ed il valore del segnale d'ingresso per il quale la potenza dovuta all'intermodulazione del terzo ordine emerge di 3dB dal rumore, si ha :                  

13) Filosofie di progetto per circuiti integrati analogici :

• Utilizzare dispositivi attivi ovunque possibile in quanto si agevola l'integrazione ed occupano meno spazio
• Utilizzare componenti passivi per adattamenti di impedenza, feedback e polarizzazioni
• Minimizzare il numero di dispositivi attivi e passivi al fine di ridurre i parassiti e le dimensioni del chip

14) Tipologie di circuiti integrati :

• Ibridi (HMIC) : tutti i componenti sono depositati su di una superficie dielettrica come allumina o duroid a parte i dispositivi attivi i quali vengono connessi al substrato tramite gomme e fili, si tratta di un manufatto e pertanto è molto caro
• Monolitici (MMIC) : tutti i componenti e le interconnessioni sono depositate su di un substrato semiisolante, il substrato può essere GaAs, InP, SiGe, SiC oppure GaN,

Vantaggi :

• Consente di realizzare grandi quantità e quindi circuiti a basso costo   
• Affidabilità e riproducibilità ottimizzate
• Piccole dimensioni e peso

15) Considerazioni sulle caratteristiche dei materiali utilizzati nei substrati per MMIC :

• Il GaAs è isolante ma molto meno dell'allumina
• La rugosità superficiale determina irregolarità nel metallo depositato
• Il Rame-Tungsteno WCu viene utilizzato come materiale di aderenza
• Se la conducibilità termica è bassa come per il GaAs il materiale non è utilizzabile per amplificatori finali in quanto questi hanno necessità di dissipare tuttavia le caratteristiche sono ottimali per amplificatori LNA

16) Costo dei Wafer di GaAs e di Allumina :

• Un wafer da 3'' di GaAs costa 4500$
• Un wafer da 3'' di Allumina costa 50$

17) Amplificatore di transimpedenza :

Trasforma una corrente in una tensione, in genere si trova a valle di un fotodiodo.

18) Asserzioni su onde elettromagnetiche e linee di trasmissione :

• L'energia elettromagnetica nello spazio illimitato ha bisogno di viaggiare in forma di onda al fine di dissiparsi
• L'energia elettromagnetica può essere guidata mediante un sistema di conduttori ossia delle linee di trasmissione
• Per linee infinitamente lunghe l'impedenza lungo la linea è costante e vale

• Per conduttori attraversati da campi elettromagnetici in alta frequenza si ha che la corrente interessa prevalentemente lo strato superficiale del conduttore
  

19) Cause delle perdite di propagazione :

• Energia radiata esternamente al mezzo
• Disadattamento che comporta energia la quale ritorna verso la sorgente
• Dissipazione di potenza per fattori di natura resistiva
• Energia assorbita dal dielettrico del mezzo

Il fattore di qualità Q e l'attenuazione tengono conto di queste perdite sia nel dielettrico che nel conduttore.

20) Vincoli sullo spessore del substrato :

• Diminuendo lo spessore migliora la resistenza termica, vengono inibiti i modi superficiali di alto ordine ed è pià semplice realizzare i Via - Hole
• Aumentando lo spessore migliora la resa, la maneggevolezza e la fragilità
• In genere lo spessore è dell'ordine dei 200µm per i MMIC

21) Tipologie di realizzazione dei componenti passivi :

• Elementi concentrati: sono elementi la cui lunghezza è inferiore a del segnale che li attraversa, possono essere rappresentati con parametri concentrati quali R, L e C
• Elementi distribuiti: sono elementi la cui lunghezza è maggiore di del segnale che li attraversa, possono essere rappresentati con linee di trasmissione

Oltre i 20GHz si utilizzano esclusivamente elementi distribuiti a parte che per i condensatori di bypass.

22) Realizzazione di una induttanza nel caso di elementi distribuiti :

Una linea in corto circuito verso massa oppure una linea a circuito aperto.

23) Realizzazione di una induttanza nel caso di elementi concentrati :

• Una linea ad alta impedenza consente di ottenere induttanze sino a 1nH
• Linee a serpentina
• Induttori a spirale circolare, quadrata o ottagonale

24) Realizzazione di una capacità nel caso di elementi concentrati :

• Una capacità interdigitata può realizzare valori sino ad 1pF
• MIM costituito da un dielettrico compreso tra 2 piatti metallici consente di arrivare sino a 50pF

25) Realizzazione di un resistore nel caso di elementi concentrati :

• Resistore a semiconduttore
• Resistore a metallo depositato
• Linea di trasmissione con perdite

26) Realizzazione di un resistore nel caso di elementi concentrati :

• Resistore a semiconduttore