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高增益高效驱动器
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用的工具之一。它们具有高输入阻抗、高增益，并在很宽的频率范围内工作。它们对几乎所有需要高阻抗宽带放大的应用都有帮助，并且经常用于射频电路中的调谐、调制和放大。
级联放大器也可以很好地用作驱动器。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
为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；一种称为差分信号的技术。级联放大器可以很容易地适应差分信号。图 1 显示了使用上拉电阻 (R L )实现的传统差分共源共栅放大器，代表放大器上的电阻负载。该放大器有两个特性使其非常适合用作驱动器：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电阻器的限制。
图 1：具有电阻上拉的级联放大器
参考图 1，放大器的电压增益由集电极 (IC) 上的晶体管电流和负载电阻 (R L ) 决定。对于中高放大器电流，R L两端的压降显着限制了互补输出、outp 和 outm 处的交流电压摆幅。由于静态点 V Q介于 V CC和 (2V CE + V CS ) 之间，当 V CE和 V CS最小时，峰值幅度被限制为 V CC /2 。此外，上拉电阻上的直流电源会丢失。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
为了提高增益并降低功率损耗，Intrinsix 的工程师开发了一种使用耦合电感器的技术。请参阅图 2，其中显示了带有电感上拉的共源共栅放大器。该放大器的静态点为 V CC - 是图 1 中所示放大器静态点的两倍。电感支持的动态电流变化 (dI C /dt) 允许电压摆幅高于 V CC，从而增加两倍在增益。此外，电感器上的直流电压降可以接近零，与带有电阻上拉的放大器相比，可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：具有电感上拉的级联放大器
但是，该驱动器的效率取决于电感器的品质因数 (Q)。Q 越高，电感器的电阻相对于其感抗越低。换句话说，Q越高，它就越接近理想电感。
为了增加 Q，电感的正负侧紧密耦合。这会增加每侧的电感，而不会增加 IC 的物理尺寸。通过以这种方式紧密耦合，电感可以增加 (1 + k) 倍，其中 k 是耦合系数。
这种方法有一个限制。与具有电阻上拉的共源共栅驱动器相比，电感加载驱动器具有更窄的带宽。这是因为负载电容、电感器和放大器的输出电容形成并联谐振电路，其通带由谐振频率决定。
为了解决这个问题，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。由于通带是电感的函数，因此可以通过改变电感来调整频率响应。通过以电子方式调整电感，可以将通带调整为信号频率，从而形成可以在多个频段上高效运行的驱动器电路。
使用这些技术，共源共栅驱动器的效率得到提高而不会损失带宽。
概括
通过使用电感而不是电阻上拉，共源共栅驱动器的效率可以加倍。Intrinsix 的模拟工程师开发了使用片上电感上拉的驱动器建模和实现技术。多年来，它们一直有效地用于在首次通过硅片上工作的 IC。