Geniş Bandtlı Verimli Güç Kuvvetlendiricilerin Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, geniş bantlı güç kuvvetlendiricilerin tasarımına yönelik yeni ve basit yaklaşımlarda bulunulmuştur. Tez kapsamında önerilen ve 0.35µm SiGe HBT, 0.25µm GaAs PHEMT ve ayrık GaN HEMT teknolojilerini kullanan dört ayrı kuvvetlendirici tümdevresi üretilerek test edilmiş ve ayrıca ayrık bir tasarımın başarımı benzetim ortamında gösterilmiştir. İlk olarak, klasik dağılmış parametreli kuvvetlendirici yapısında transistör sayısının bire indirgendiği ve giriş hattının korunup kayıplı bir şekilde kullanıldığı çekirdek bir hücre elde edilmiştir. Bu hücrenin çıkış hattı SiGe tasarımlarda klasik yük doğrusuna uydurularak ve çıkış sonlandırma empedansı kaldırılarak kullanılmıştır. Transistörde seri-seri geribeslemesi uygulanarak da bant genişliği bir dekatın üstüne çıkarılmıştır. Aynı hücreyi kullanan kaskat bir yapı da, çıkış katının paralellendiği bir durumda yeniden oluşturulmuş ve aynı bant aralığında gücün arttırılabildiği gösterilmiştir. Çalışmaların ikinci kısmında ise, yük taraması yöntemine dayalı grafik tabanlı bir empedans uydurma tekniği GaAs MMIC teknolojisinde gerçekleştirilen bir güç kuvvetlendiricisinde kullanılmıştır. Ardından, gene aynı teknolojide kaskat bir tasarım, büyük işaret büyüklüklerini kullanacak şekilde sistematik bir yöntemle önerilerek, tasarımın başarısı üretilen tümdevrede gösterilmiştir. Ayrıca, MMIC devrelerde kullanılmak üzere geniş bantlı bir RFC de tek ucu kısa devre edilmiş iletim hattı kullanılarak önerilmiştir. Son kısımda ise, ayrık GaN HEMT transistörün kılıf kökenli parazitiklerini karşılayan basit bir yapı, çıkıştaki empedans uydurma problemini görece düşük-Q değerli bir uydurma problemine indirgemiştir. Tasarıma ilişkin benzetim sonuçları, literatürde önerilen diğer devrelerle karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Sonuç olarak bu çalışmada, geniş bantlı güç kuvvetlendirici tasarımında kullanılacak şekilde; basitleştirilmiş topolojik yaklaşımları ve eleman sayısı azaltılmış çıkış katlarını sistemli ve kolay tasarlayan, iyileştirmeler ve yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemlerdeki başarı, karmaşık ve zorlu tasarım süreci gerektiren diğer yaklaşımların ulaştığı sonuçlarla kıyaslanır mertebededir.

In this study, some simple design techniques and approaches are proposed to design efficient wideband power amplifiers. Four different IC designs are fabricated in 0.35µm SiGe HBT and 0.25µm GaAs PHEMT technologies and GaN HEMT design is simulated in discrete package to show performance of the designs. Firstly, the number of devices in the classical distributed amplifier is reduced to only a single transistor where the input artificial-line is conserved and modified as lossy. This core design removes the terminating impedance at the output and uses load-line technique to implement output line elements in SiGe technology. By this way, the output power and the efficiency are improved. Series-series feedback is applied to transistor, which widens the frequency up to a decade bandwidth. Another amplifier is also designed as the cascaded version of the proposed core, where the input driver core feeds two another identical cores, which are in parallel configuration and their outputs are combined together to increase the output power by twofold. In the second phase of study, by switching to GaAs PHEMT, a new load-pull based graphical technique is proposed to design simple networks, which fulfil matching purpose over wideband. Additionally, a cascaded version of the GaAs design is proposed as the new design strategy, which offers a complete systematic to design both driver and power stages. In the last phase of the work, a systematic technique based on a susceptance minimizing concept is presented. By this way, a simplified output design could be obtained to relax computer aided optimizations. To sum up, this thesis study proposes some design techniques and modifications, which simplifies both the design procedures and circuit complexities. In this respect, output power and the efficiency is improved with the help of simple and reduced number of matching elements, in which both substrate and parasitic loss effects are compensated.