고주파에서의 증폭기 안정성과 잔류 커패시턴스

증폭기는 무선 통신부터 전력 전자기기에 이르기까지 현대 생활을 가능하게 하는 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 이러한 제품들이 제대로 작동하려면 증폭기가 안정적이고 예측 가능한 방식으로 작동해야 합니다. 안정성 분석은 물리학과 공학에서 제가 가장 좋아하는 주제 중 하나이며, 예상치 못한 곳에서 자주 등장하는 경향이 있습니다. 그 중 하나가 바로 증폭기입니다.

피드백과 이득을 가진 시간 의존적 물리 시스템은 시스템이 안정된 동작에 도달할 조건을 가집니다. 증폭기 안정성은 이 개념을 증폭기에 확장한 것으로, 시스템 출력이 의도하지 않은 피드백으로 인해 원치 않는 포화 상태로 커질 수 있습니다. 올바른 설계 및 시뮬레이션 도구를 사용하면 레이아웃을 생성하기 전에 회로 모델에서 잠재적 불안정성을 쉽게 고려할 수 있습니다.

RF 증폭기 안정성에 미치는 잔류 커패시턴스의 영향

증폭기 회로와 증폭기 IC의 입력 및 출력 포트 사이에서 불안정성의 원인은 기생 커패시턴스입니다. 이 기생 커패시턴스는 증폭기에 연결된 트레이스 사이에 존재합니다. 기생 커패시턴스는 긴 트레이스(즉, 전송선)의 임피던스를 특정 값으로 설정하는 데 중요합니다. 그러나 기생 커패시턴스는 또한 출력 및 입력 포트 사이에 의도하지 않은 피드백 경로를 제공합니다.

이 피드백 경로는 용량성이므로 입력/출력 신호 주파수가 높을 때 임피던스가 낮습니다. 요즘에는 일반적으로 칩 수준에서 이 문제를 해결하지만, 더 많은 RF 증폭기가 점점 더 높은 주파수에서 작동함에 따라 PCB 트레이스와 패드의 기여도가 더 중요해질 것입니다. 몇 pF의 기생 커패시턴스만으로도 증폭기가 작동 중에 불안정해질 수 있습니다.

보드 수준에서, 입력에서의 잔류 커패시턴스는 대역폭 제한 효과를 가지며, 대역폭은 (1 + 이득) 요소로 감소됩니다. 해결책은 증폭기 포트에서 트레이스와 패드를 최소한의 기생 커패시턴스를 가지도록 설계하거나, 피드백 루프에 일부 보상 커패시턴스를 추가하는 것입니다. 고 GHz 영역(예: mmWave 주파수)에서는 구성 요소 간의 간격이 중요 길이보다 크기 때문에 임피던스 제어 라우팅을 사용해야 합니다. 일부 구성 요소를 SoC로 통합하는 것이 이 문제를 해결하는 데 도움이 되고 있지만, 다가오는 장치용 많은 RF 증폭기는 여전히 개별 구성 요소로 패키징되고 있습니다. mmWave 애플리케이션용 새로운 전력 증폭기가 좋은 예입니다.

증폭기 안정성을 평가하는 전형적인 방법은 제조업체의 평가 보드를 사용하여 직접적인 일시적 행동을 측정하는 것입니다. 다른 옵션은 증폭기에 연결된 입력 및 출력 트레이스의 기생 커패시턴스를 결정하고 이를 시뮬레이션에 포함시키는 것입니다. 이러한 시뮬레이션은 또한 기생 커패시턴스를 상쇄하기 위해 증폭기의 피드백 루프에 보상 커패시터를 실험해 볼 수 있게 합니다.

시뮬레이션에서 누설 커패시턴스를 고려하는 방법

회로도는 완벽한 회로의 2D 그림에 불과합니다. 시스템 어디에도 누설 커패시티브 요소를 포함하고 있지 않으며 PCB의 실제 동작을 정확하게 반영하지 않습니다. 그럼에도 불구하고, 올바른 설계 도구를 사용하면 PCB에 기생성분을 쉽게 포함시킬 수 있습니다. 수동 부품의 자체 공진을 시뮬레이션하려는 경우이든 시스템의 다른 부분에서 누설 커패시턴스를 시뮬레이션하려는 경우이든, 전략적 위치에 회로도에 커패시터를 추가해야 합니다.

증폭기 입력에 누설 용량을 시뮬레이션하려면, 적절한 크기의 커패시터와 AC 소스를 증폭기 입력에 단순히 추가하면 됩니다. 커패시터는 증폭기의 입력 및 출력 포트에 공통 접지 연결에 연결된(즉, 쇼트 요소로) 배치됩니다. 또한, 기생 용량의 존재에서 증폭기의 동작을 파악하기 위해 검증된 증폭기 구성요소 모델을 사용해야 합니다. 쇼트 용량성 요소는 기판의 입력/출력 트레이스와 접지 사이의 결합을 모델링할 것입니다.

그런 다음 두 가지 유형의 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다: 과도 분석 및 극-영점 분석.

예상 과도 분석 결과

과도 분석을 통해, 증폭기가 작동하는 동안 신호가 불안정해지고 시간이 지남에 따라 포화 상태로 증가하는지 여부를 확인할 수 있습니다. 아래 그래프는 큰 기생 용량으로 인해 강한 불안정성을 보이는 100 GHz 신호에 대한 예시 결과를 보여줍니다. 여기서, 출력에서의 과도 전압은 의도치 않은 강한 피드백과 높은 입력 신호 레벨로 인해 2V의 포화 값에 도달합니다.

위의 피드백 예에서 손실이 고려되지 않았음을 유의하십시오. 기판의 손실은 의도하지 않은 피드백 루프에서의 이득을 보상함으로써 그렇지 않으면 불안정한 장치를 안정적으로 만들 수 있다는 것이 알려져 있습니다.

예상되는 극-영점 분석 결과

극-영점 분석 결과에서는 시뮬레이션 출력에서 두 개의 극을 보게 될 것으로 예상합니다. 하나는 안정적인 피드백 루프를 나타내는 안정된 극이 될 것입니다. 이 극의 고유값은 음의 실수 부분을 가집니다. 회로가 불안정한 경우, 양의 실수 부분을 가진 두 번째 고유값으로 다른 극이 나타나야 합니다. 이는 기생 커패시턴스를 통한 피드백으로 인한 불안정한 증가하는 진동에 해당합니다. 이 페이지에서

일부 극-영점 분석 결과 예를 볼 수 있습니다. 또 다른 유형의 안정성은 감쇠된 안정된 진동, 또한 제한 사이클로 알려져 있습니다. 이 감쇠하는 과도 현상은 입력에 직렬 저항이 없는 차동기 구성에서 사용되는 증폭기에서 볼 수 있는 것과 유사한 안정적인 진동 행동을 초래할 수 있습니다. 극-영점 분석 결과에서 고유값의 실수 부분인 감쇠 상수와 과도 진동 주파수를 비교함으로써 이러한 행동을 식별할 수 있습니다.

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