Inom området mikrovågsteknik och högfrekventa elektroniska system, är en av de största utmaningarna att hantera distorsion och icke-linjära effekter som uppstår i förstärkare och andra aktiva komponenter. För att uppnå hög prestanda och effektivitet i dessa system är det nödvändigt att noggrant förstå och hantera dessa fenomen. Linearisering är en teknik som används för att minska eller eliminera dessa icke-linjära effekter, vilket leder till förbättrad linjäritet och därmed högre kvalitet på signalöverföringen.

För att förstå hur linearisering fungerar, är det viktigt att granska de grundläggande mekanismerna bakom icke-linjäritet. När en förstärkare används i ett system för att förstärka en signal, kan den signalen inte alltid förstärkas på ett linjärt sätt. Detta beror på att förstärkarens karaktäristik kan vara beroende av flera faktorer, inklusive spänning, temperatur och processvariationer. I en ideal värld skulle förstärkarens utmatning vara direkt proportionell mot inmatningen, men i praktiken kan den inte alltid uppträda så. Denna avvikelse kallas för icke-linjäritet, och det kan resultera i betydande störningar i signalen, vilket försvårar användningen av systemet.

I elektroniska kretsar är förstärkare ofta baserade på MOSFET-teknologi (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), där signalen styrs genom en metall-oxid halvledarstruktur. Dessa komponenter har en inherent icke-linjär respons på de ingående signalerna. När man försöker optimera förstärkarens prestanda, så kan det vara nödvändigt att tillämpa olika tekniker för att åtgärda dessa problem. Här kommer linearisering in i bilden. Genom att använda tekniker som aktiv back-gate feedback, kan man förändra förstärkarens karakteristik för att få en mer linjär respons över ett större område av inmatningssignalens amplitud.

En typisk metod för att genomföra linearisering är att använda en aktiv back-gate feedback, där en extra styrsignal appliceras på back-gate-terminalen av en MOSFET. Detta kan drastiskt förändra förstärkarens respons och därmed minska distorsionen. Denna teknik är särskilt användbar i FD-SOI (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator) transistorer, där det är möjligt att skapa en mycket effektiv och stabil feedback-loop, vilket gör det möjligt att uppnå hög linjäritet även vid högre frekvenser.

För att implementera denna linearisering är det också viktigt att förstå de olika parametrarna som påverkar förstärkarens prestanda, såsom spänning, temperatur och processvariationer (PVT). Dessa faktorer kan ha en stor inverkan på linjäriteten, och genom att använda PVT-resilienta topologier kan man säkerställa att förstärkarens egenskaper förblir stabila under olika driftsförhållanden. En annan viktig aspekt är att beakta effekten av komponenternas storlek och konfiguration på linjäriteten. Till exempel, genom att justera fingerstorleken och kanalens längd i en MOSFET, kan man påverka både förstärkning och bandbredd, vilket kan ha en direkt inverkan på distorsionsnivån.

Det är också avgörande att förstå hur dessa tekniker påverkar den totala systemprestandan. Vid högre nivåer av linjäritet förbättras inte bara signalens kvalitet, utan också den övergripande effektiviteten och prestanda för systemet. En bra linjäritet leder till en högre signal-till-brus-förhållande (SNR), vilket i sin tur möjliggör för bättre mottagning och överföring av signaler i kommunikationssystem. Detta blir särskilt viktigt i applikationer som högfrekvent trådlös kommunikation och radarsystem, där signalens renhet och precision är avgörande för korrekt funktion.

Linearisering är inte en lösning som fungerar för alla typer av förstärkare eller system. I vissa fall kan det vara nödvändigt att använda alternativa tekniker som förvrängningskompensation eller särskilda förstärkartopologier för att uppnå önskad prestanda. Därför är det viktigt att noggrant välja vilken metod som ska tillämpas beroende på den specifika applikationen och de krav som ställs på systemet.

Förutom de tekniska detaljerna i själva lineariseringen, är det också viktigt att förstå de praktiska aspekterna av att implementera sådana tekniker i riktiga system. Dessa inkluderar frågor om kostnad, komplexitet, och strömförbrukning. Linearisering kan ofta kräva extra komponenter eller justeringar i systemets design, vilket kan leda till ökade kostnader eller ökad komplexitet. Dessutom är strömförbrukningen en viktig faktor i mobilapplikationer eller batteridrivna enheter, där energibesparing är en kritisk aspekt. Därför måste designingenjörer noggrant väga fördelarna med förbättrad linjäritet mot de potentiella nackdelarna med ökad strömförbrukning eller systemkomplexitet.

Det är också viktigt att inse att linjära förstärkare inte alltid är optimala för alla tillämpningar. I vissa fall kan en icke-linjär förstärkare vara mer lämplig, särskilt i applikationer som kräver hög effekt eller när det är möjligt att tolerera viss distorsion för att uppnå andra fördelar som högre effektivitet eller enklare design. En noggrann analys och förståelse av systemets krav är avgörande för att göra rätt val av teknik och arkitektur.

Hur optimerar man prestandan hos en 160 GHz-dubblare och ett cascode LNA-steg?

I de senaste åren har utvecklingen av högfrekventa kiselbaserade elektroniska komponenter, såsom varaktorer och dubblerare, blivit avgörande för att uppnå förbättrad prestanda i kommunikationssystem. I detta avseende spelar styrningen av bakgrindspänningar en central roll för att optimera både linjära och icke-linjära egenskaper hos dessa komponenter, särskilt vid extremt höga frekvenser som 160 GHz.

För att förstå hur bakgrindskontrollen påverkar den övergripande prestandan måste man beakta de grundläggande mekanismerna bakom negativa resistansgeneratorer och hur fasbrus i VCO (Voltage Controlled Oscillator) förbättras genom att justera bakgrindens framspänning. När bakgrinden blir mer framspänd ökar strömens densitet i generatorn och flyttar laddningscentroiden bort från topplådans kanalgränssnitt. Denna effekt resulterar i en minskning av fasbruset, vilket gör oscillatorn mer stabil och precis.

Vid användning av varaktorer för att justera oscillatorns egenskaper kan man notera att spänningsregleringen via bakgrind och topplåda gör det möjligt att finjustera den önskade spänningskarakteristiken för oscillatorn. Denna funktion är särskilt användbar när VCO:n är en del av en faslåsloop (PLL), vilket ger möjlighet att kontrollera och optimera fasbruset över ett brett frekvensspektrum.

Vid vidare design och optimering av komponenter som 160 GHz-dubblerare, där bakgrindsspänningar justeras för att maximera effekten och den tillagda effekten vid andra harmoniska frekvenser, beaktas ofta olika arbetslägen. För en 22-nm FDSOI-dubblare från 80 GHz till 160 GHz justeras bakgrindspänningarna för att maximera linjära förstärkningsnivåer samtidigt som man beaktar optimala konduktionsvinklar för att maximera både effekt och effektivitet vid andra harmoniska. Denna typ av design gör det möjligt att skapa dubblerare med mycket hög precision och prestanda.

En ytterligare aspekt är användningen av cascode-förstärkare, där icke-linjäriteter i MOSFET-transistorer hanteras genom att sätta arbetspunkter på höga strömdensiteter. För att uppnå bästa resultat i designen av lågbrusiga förstärkare (LNA) på millimetervågsfrekvenser är det avgörande att hålla MOSFETs i en djup mättnadsregion. Genom att noggrant kontrollera VDS (dräneringsspänning) och VGS (gatespänning) kan man säkerställa maximal linjärt utspänningsområde utan att offra brusfiguren eller gain.

Ett specifikt exempel på detta är ett cascode LNA-design vid 28 GHz, där en detaljerad algoritm används för att välja rätt transistorkonfiguration och bias-punkter. Genom att finjustera transistorns gate-bias och bakgrindspänningar kan man optimera brusfiguren samtidigt som man behåller hög prestanda över ett stort frekvensområde. Detta gör det möjligt att uppnå en stabil och högkvalitativ signalförstärkning, även i en komplex krets där olika komponenter arbetar samtidigt.

En av de största utmaningarna vid designen av dessa avancerade kretsar är att uppnå balans mellan olika krav som brusminimering, linjäritet och effektivitet. För att uppnå optimala resultat är det inte bara viktigt att ställa in rätt spänningar och dimensioner för transistorerna, utan även att beakta hur dessa inställningar påverkar den totala kretsens respons på högfrekventa signaler.

Förutom de tekniska detaljerna kring komponenter och spänningstuning är det viktigt att förstå hur dessa tekniker tillämpas i praktiken. När VCO:er och dubblerare integreras i större system som PLL:s, blir den totala stabiliteten och prestandan i dessa system avgörande för deras funktion. Därför krävs en noggrann balans mellan olika designparametrar för att uppnå både låg fasbrus och hög effekt samtidigt som man bevarar systemets integritet och noggrannhet.

Hur bedöms riskfaktorer för folkhälsan? En översikt av metoder och verktyg för att förstå hälsobördan
Hur bestäms den bästa marginalfördelningen och kopulafunktionen i statistisk modellering?
Hur fungerar Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) för optimering av järnvägsplacering?
Hur påverkar bilens dämpning och andra parametrar resultatet vid inspektion av brofrekvenser?