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MPC-WORKSHOP FEBRUAR 2013
Abbildung 1: Kaskodeschaltung in Testbench in Cadence.
der Einfluss des Rauschens der nachfolgenden Stufen
minimiert wird. Zur Abdeckung des kompletten Frequenzbereiches
sind nach Tabelle 1 mindestens 9 GHz
notwendig. Zusätzlich wird jeweils 1 GHz zusätzliche
Bandbreite zur Kompensation möglicher auftretender
Prozessschwankungen am unteren und oberen Ende
des Frequenzbereiches einkalkuliert. Das Rauschmaß
des Vorverstärkers soll ein Maximum von 7,5 dB
nicht überschreiten. Bei einer Verlustleistung von
40 mW mit der Versorgungsspannung VSupply = 3 V ist
die Stromaufnahme auf 13,3 mA beschränkt. Keiner
der Vorverstärker aus Tabelle 2 erreicht all diese Parameter
gleichzeitig. Ziel dieser Arbeit war es daher,
einen Vorverstärker zu entwerfen, der alle Punkte der
Spezifikation erfüllt.
III. VERSTÄRKERENTWURF
Wie im vorigen Abschnitt gezeigt, kommen verschiedene
Verstärkertopologien für die Realisierung in
Frage. Zuerst wurden zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit
einstufige Verstärkerschaltungen untersucht.
Dazu zählen Emitter-, Basis- und Kaskodeschaltung,
sowie ein Differenzverstärker mit und ohne
Kaskodetransistor. Mit einer Simulationsumgebung
wurden das minimale Rauschmaß NFmin und die verfügbare
Verstärkung GA in Abhängigkeit vom Kollektorstrom
IC ermittelt. In Abbildung 1 ist eine solche
Simulationsumgebung am Beispiel der Kaskodeschaltung
dargestellt.
In Tabelle 4 sind die Ergebnisse für NFmin und GA
aufgelistet. Die verwendeten Transistoren haben einen
maximalen Kollektorstrom IC,max = 8 mA. Die Werte
sind bei einem Kollektorstrom IC = 4 mA bei
f = 60 GHz ermittelt. Mit dem Kollektorstrom
IC = 4 mA wird ein Kompromiss zwischen Rauschmaß
und Verstärkung getroffen, wobei ein kleines
Rauschmaß bei angemessener Verstärkung angestrebt
wurde.
Keiner der einstufigen Verstärker in Tabelle 2 erreicht
die geforderte Verstärkung von 20 dB. Diese
Gesamtverstärkung ist nur durch mehrstufige Topologien
erreichbar. Ein zweistufiger Verstärker kann
Tabelle 4: NFmin und GA für die einzelnen Verstärkerschaltungen bei
einem Kollektorstrom von 4 mA.
NFmin GA
Emitterschaltung 4,7 dB 6,7 dB
Basisschaltung 5,0 dB 7,8 dB
Kaskodeschaltung 5,5 dB 18,5 dB
Differenzverstärker 4,7 dB 6,8 dB
Differenzverstärker
mit Kaskodetransistor
5,5 dB 17,4 dB
aus einer Emitter- oder Basisschaltung mit nachfolgender
Kaskodeschaltung bestehen. Durch Verwendung
der Basisschaltung verringert sich durch Unterdrückung
des Miller-Effekts die Rückwirkung vom
Ausgang auf den Eingang. Das reduziert die Gefahr,
dass der Verstärker instabil wird. Außerdem verringert
sich mit der Basisschaltung der Eingangswiderstand
der Gesamtschaltung, was oft eine einfachere Anpassung
an die Systemimpedanz von 50 Ω zur Folge hat.
Eine zweistufige Kaskodeschaltung stellt eine weitere
mögliche Verstärkertopologie dar. Die Kaskodeschaltung
hat ein höheres Rauschmaß als die anderen
Verstärker, was sich auf die größere Anzahl Transistoren
zurückführen lässt. Vorteile der Kaskodeschaltung
liegen dagegen in der geringen Rückwirkung und
einer hohen Verstärkung. Kombiniert man reine Basis-
und Emitterschaltungen, benötigt man mindestens drei
Stufen, um die gewünschte Verstärkung zu erreichen.
Dies erhöht, ebenso wie die Verwendung von mehreren
Differenzverstärkern, den Strombedarf erheblich.
Für Differenzverstärker wird der doppelte Strom für
das Erreichen vergleichbarer Werte für Rauschmaß
und Verstärkung im Verhältnis zu massebezogenen
Verstärkern benötigt.
Wegen ihrer hohen Verstärkung und großen Rückwirkungsfreiheit
wird eine zweifache Kaskodeschaltung
als erfolgversprechendste Verstärkertopologie
ausgewählt. Das höhere Rauschmaß wird zu Gunsten
der großen Verstärkung in Kauf genommen.
Im folgenden Abschnitt wird auf die zweistufige
Kaskodeschaltung und ihre Umsetzung in ein Layout,
sowie die erzielten Simulationsergebnisse eingegangen.
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