IT9021074A1 - Amplificatori a banda larga, accoppiati in continua ed adattati in ingresso ed uscita - Google Patents

Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto di invenzione industriale dal titolo: "Amplificatori a banda larga, accoppiati in continua ed adattati in ingresso ed uscita”

La presente invenzione riguarda amplificatori analogici a banda larga (almeno alcuni gigahertz), accoppiati in continua, ed adattabili sia in ingresso che in uscita ad impedenze standard.

Gli amplificatori con queste caratteristiche sono di fondamentale importanza nella strumentazione elettronica ad alta velocità, ed in particolare nei sistemi di trasmissione e ricezione dati sia in cavo coassiale che in fibra ottica, quando si trasmettono dati con velocità di alcuni miliardi di bit al secondo (gigabit al secondo).

Questi circuiti possono in linea di principio utilizzare elementi circuitali di vario tipo sia attivi che passivi, e potrebbero essere realizzati sia in forma ibrida che monolitica (nel qual caso tutto il circuito viene fabbricato su un unico pezzo di materiale semiconduttore).

La realizzazione di questi circuiti in forma monolitica consente di ottenere larghezze di banda di alcuni gigahertz partendo dalla continua, con in più gli inerenti vantaggi sia di costo che di riproducibilità.

I dispositivi utilizzati in particolare sono MESFET (metal semiconductor field effect transistor), diodi Schottky, ed elementi passivi.

Quasi tutti gli amplificatori monolitici a banda larga ed accoppiati in continua sinora descritti in letteratura, fanno uso di uno schema circuitale introdotto alcuni anni fa [Yuhki et altri "Design and Performance of Monolithic GaAs Direct-Coupled Preampl ifiers and Main Amplifiers" IEEE MTT, Agosto 1985] e riportato in fig. 1, dove si osserva:

- un FET In configurazione sorgente (source) a massa (FI);

- seguito da un altro FET (F3) in configurazione di ripetitore di source per disaccoppiare il primo FET (FI) dal carico, e da diodi per ottenere la caduta di tensione necessaria per autopoi ari zzare il primo FET, ad es. da DI a D4;

- un resistore (RF) fra l'uscita OUT e l'ingresso IN, con 11 duplice scopo di autopolarizzare il FET (FI) ed abbassare l'impedenza d'ingresso (Z1n) ;

- un FET (FF) in retroazione fra l'uscita OUT ed il pozzo (drain) del primo FET (FI).

Questa soluzione circuitale è insoddisfacente a causa dell'inerente basso prodotto guadagno-banda (GB), perciò per adattare l'ingresso rispetto all'impedenza caratteristica per esempio di 50 ohm, è necessario utilizzare resistenze di retroazione piuttosto basse. Il rumore termico da queste introdotto peggiora il rapporto segnale/rumore, ed in molti casi, pregiudica l'applicazione del circuito come preamplificatore.

Per ovviare a questi inconvenienti è stato recentemente proposto [W. Colleran and A. Abidi "A 3.2 GHz, 26 dB Wide-Band Monolithic Method GaAs ME-SFET Feedback Amplifier using Cascodes" IEEE MTT, Ottobre 1988] uno schema circuitale per il singolo stadio dove si impiega una configurazione di tipo cascode (sorgente a massa seguito da una porta a massa) ed una resistenza di retroazione tra ingresso ed uscita; tale configurazione è illustrata in fig. 2 in cui figurano in aggiunta agli elementi di fig. 1, i FET (F5, F6 ed F7) nonché i diodi da D5 a D9. Ora la sorgente S5 di (F5) è connessa al pozzo PI di FI e il pozzo P5 di F5 è connesso alla sorgente S6 di F6. Il diodo D9 ed il FET F7 polarizzano la porta del FET F5. Il maggior numero di diodi da D1-D8 serve ad autopoiarizzare la porta del FET (FI). Anche questo circuito, tuttavia fornisce prestazioni alquanto insoddisfacenti in termini di prodotto GB e potenziale instabilità circuitale alle alte frequenze, dove il modulo di SII diventa maggiore di 0 dB.

In fig. 2a è mostrato l'andamento in frequenza (in GHz) del guadagno di tensione (VG) e del coefficiente di riflessione in ingresso (SII) per il circuito di fig. 2; tale andamento è stato calcolato utilizzando dati tipici per i dispositivi monolitici prima menzionati.

Inoltre, esso richiede, per alcune tecnologie, tensioni di alimentazione più ampie di quelle solitamente usate come standard (+/- 5 volt) negli apparati di telecomunicazione.

Scopo della presente invenzione è quello di provvedere amplificatori in grado di ovviare in modo estremamente soddisfacente agli inconvenienti presentati dalle soluzioni finora conosciute e precedentemente citati. In particolare gli amplificatori secondo il trovato, presentano vantaggiosamente: elevato prodotto GB, alto valore della resistenza di retroazione e quindi minimizzazione dei contributi di rumore, eliminazione della potenziale instabilità, uso di tensioni di alimentazione standard indipendentemente dalla particolare tecnologia monolitica a disposizione.

Secondo l'aspetto principale del trovato, gli amplificatori secondo l'invenzione sono caratterizzati da una compensazione tipo feed-forward implementata da un doppio cammino del segnale di ingresso che è iniettato sulla porta di un primo FET ed è reiniettato su una pseudo porta a massa di un FET a valle.

Le ulteriori caratteristiche degli amplificatori secondo l'invenzione sono recitate nelle rivendicazioni in calce, che si ritengono qui incorporate. I diversi aspetti e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione delle forme di realizzazione rappresentate nei disegni nei quali:

- La fig. 3 è uno schema circuitale del dispositivo monostadio, dove in uscita si osservano due stadi ad inseguitore di source per ottenere l'adattamento del circuito ad un'impedenza caratteristica di 50 ohm. - La fig. 3a è un diagramma che ha sulla sinistra il modulo del guadagno di tensione e sulla destra il coefficiente di riflessione in ingresso, entrambi espressi in decibel, per il circuito di fig. 3. Dal paragone con la fig. 2a si osserva la scomparsa della potenziale instabilità e l'incremento del prodotto guadagno banda.

- La fig. 3b è un'altro diagramma espresso in dB ohm che è la funzione di trasferimento di transimpedenza calcolata ipotizzando per il generatore di corrente in ingresso una capacità parassita di 0.5 picofarad verso massa.

- La fig. 4 è uno schema circuitale del dispositivo a due stadi.

- La fig. 4a è il diagramma della funzione di trasferimento del circuito di fig. 4. Si osserva sulla scala di sinistra il guadagno di tensione per alcuni valori della resistenza differenziale del FET di controllo AJ.

- Le figure 5 e 6 sono i layout o forme di realizzazione dei circuiti delle figure 3 e 4.

La configurazione circuitale secondo l'invenzione, denominata FFT (feedforward transimpedenza), è riportata in fig. 3 e si caratterizza per:

- avere inserito uno stadio tampone (BUFFER) (racchiuso nel rettangolo tratteggiato), fra il FET con il source a massa ed il pseudo-gate a massa M5, con lo scopo di disaccoppiare i due FET MI e M5 e quindi sfruttare appieno tutto il guadagno di tensione del primo FET MI, inoltre, ciò consente di spostare i livelli di polarizzazione in funzione della tensione di alimentazione e della tecnologia a disposizione;

- una compensazione di tipo feed-forward riconoscibile dal doppio cammino del segnale d'ingresso INI e IN2, ed in grado di eliminare la potenziale instabilità riscontrata per il circuito la cui configurazione circuitale è riportata in fig. 2. Il meccanismo compensativo si può spiegare con l'uso di una semplice somma vettoriale fra le due funzioni di trasferimento, viste da ciascuno dei due cammini paralleli INI e IN2, del segnale in ingresso verso l'uscita dell'amplificatore.

Tale soluzione circuitale può essere utilizzata sia in configurazione singolo stadio che come stadio multiplo:

- Come singolo stadio trova, in particolare, applicazione alle interfacce ottiche-elettriche nei sistemi di comunicazione ad alta velocità come preamplificatore a basso rumore di tipo a transimpedenza, in grado cioè di ricevere in ingresso un segnale di corrente e disporre in uscita di un segnale di tensione.

- L'amplificatore ottenuto dalla cascata di uno o più stadi quasi identici, e in particolare cosi disposti, FFT-BUFFER1-FFT-BUFFER2, è riportato in fig. 4. Questo amplificatore può essere utilizzato in particolare come preamplificatore con controllo di guadagno, con alto prodotto guadagno banda ed adattato sia in ingresso che in uscita. Il controllo di guadagno è localizzato nello stadio BUFFER1, e la regolazione è ottenibile variando la tensione sulla porta del FET denominato AJ.

Più in generale gli amplificatori pluristadio comportano stadi tipo FFTFFT 8UFFER2 o FFT-BUFFER1-FFT-BUFFER2 o FFT-BUFFER1-FFT-BUFFER1-BUFFER2 in cascata, in particolare utilizzati o come preampiificatori a guadagno variabile, o come amplificatori di uso generico.

Questo si distingue per la cascata di due FFT in grado così di ottenere prodotti guadagno banda non già ottenuti e riportati in letteratura. Inoltre si distingue per aver adottato come stadio a variazione di guadagno lo stadio BUFFER1 (fig. 4) e la variazione di guadagno si ottiene variando la tensione Vagc, ovviamente il trovato è suscettibile di tutte quelle varianti che per essere a portata di mano del tecnico del ramo, sono da considerare come naturalmente ricadenti nell'ambito e nello spirito dell'invenzione.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Amplificatori analogici con banda dell'ordine di alcuni gigahertz partendo dalla continua comprendenti elementi circuitali quali FET, diodi, nonché elementi passivi monolitici, caratterizzati da una compensazione tipo feed-forward implementata da un doppio cammino del segnale d'ingresso che è iniettato sulla porta di un primo FET ed è reiniettato su una pseudo porta a massa dì un altro FET a valle del detto primo FET.
2. 2) Amplificatori secondo la rivendicazione 1, caratterizzati anche da uno stadio tampone (buffer) localizzato tra la sorgente a massa del primo FET e la pseudo porta a massa del FET a valle, formando così un circuito FFT (feed-forward transimpedance).
3. 3) Amplificatori secondo le rivendicazioni precedenti consistenti di un solo stadio FFT ed utilizzati in particolare come preamplificatori a basso rumore per strumentazione elettronica in genere e per interfacce di ricezione nei sistemi di comunicazione con velocità dell'ordine di alcuni gigabit al secondo.
4. 4) Amplificatori secondo le rivendicazioni 1 e 2, comportanti stadi tipo FFT-FFT BUFFER2 o FFT-BUFFER1-FFT-BUFFER2 o FFT-BUFFER1-FFT-BUFFER1-BUFFER2 in cascata, in particolare utilizzati sia come preamplificatori a guadagno variabile, o come amplificatori di uso generico.
5. 5) Amplificatori secondo la rivendicazione 4, in cui la cascata di FFT serve ad ottenere prodotti guadagno banda superiori a quelli convenzionali.
6. 6) Amplificatori secondo la rivendicazione 4, in cui il BUFFER1 serve da stadio a variazione di guadagno ed è costituito da un inseguitore di source, un FET senza polarizzazione ed un'altro inseguitore di source disposti in cascata.