Beim Studium des Designs von Mikrowellen-/Millimeterwellenverstärkern findet man oft Diskussionen über Stabilität. Stabilität bedeutet, dass der Verstärker selbst keine Signale erzeugt (außer Rauschen). Da wir bei Mikrowellenverstärkern häufig feststellen, dass es immer eine Art Rückkopplungspfad gibt, der zu Schwingungen führen kann (zusätzlich zu Eingangs- und Ausgangsreflexionen), ist die Berücksichtigung ihrer Auswirkungen ein wichtiger Teil des Designs.
Die Definitionen der beiden Arten von Stabilität gehen im Allgemeinen in die folgende Richtung:
Wir verfügen über mathematische Techniken zur Bestimmung der Stabilität, basierend auf Konzepten wie dem Rollett-Stabilitätsfaktor . Daraus können wir feststellen, ob ein Verstärker uneingeschränkt stabil ist. Beim Design von Verstärkern stellen wir diese bedingungslose Stabilität als Anforderung: Wir betrachten unser Design erst dann als abgeschlossen, wenn der Verstärker bedingungslos stabil ist. Wenn dies nicht der Fall ist, verwenden wir möglicherweise Designtechniken (wie das Hinzufügen von Gate-Widerständen oder dergleichen), um sicherzustellen, dass unser Verstärker bedingungslos stabil ist.
Nun um zu meiner Frage zu kommen:Warum? Wenn man einen Verstärker entwirft, weiß ich oft, an welche Impedanz ich mich anschließen werde. Wenn ich einen Verstärker für ein Funksystem baue, weiß ich wahrscheinlich, wie hoch die Impedanz in meiner Antenne ist. Wenn es für die Verteilung über Kabelnetze bestimmt ist, werden es wahrscheinlich 75 Ohm sein. Wenn es Teil eines ASIC ist, weiß ich wahrscheinlich genau, was die Lastimpedanz und die Quellenimpedanz sind, da ich oder meine Teamkollegen die vorhergehende und nächste Stufe oder die Leiterplatte, auf der es platziert ist, entwerfen werden! Warum sollte ich dann die Verstärkung opfern (da dies das Ergebnis vieler verwendeter Stabilisierungstechniken ist), um sicherzustellen, dass sie für alle Lasten stabil ist, wenn sie nur mit einer einzigen Lastimpedanz verwendet wird? Warum stellen Sie nicht einfach sicher, dass es für diese Lastimpedanz stabil ist (naja, der Impedanzbereich, den wir aufgrund von Produktionsfehlern und dergleichen erwarten können).
Wir tun gerne so, als seien Schaltungen wie Verstärker um einen bestimmten Arbeitspunkt herum im Wesentlichen linear, weil das ihre Analyse erheblich vereinfacht. Wie bei vielen Dingen in der Elektronik ist dies jedoch nur eine Annäherung.
Diese Annäherung versagt bis zu einem gewissen Grad bei großen Eingangssignalen und in einem größeren Ausmaß bei transienten Ereignissen wie Ein- und Ausschalten, was zu unerwünschtem Verhalten in realen Schaltungen führt. Daher verwenden wir in unseren Designs konservative Margen, einschließlich solcher Faustregeln, die bedingungslose Stabilität erfordern.
Für andere, die sich eventuell mit der Schaltung auseinandersetzen müssen, gilt wie immer das „ Prinzip der geringsten Überraschung “.
Zusätzlich zu den vorherigen Antworten müssen Sie die Robustheit des Designs gegenüber einer Vielzahl von Faktoren außerhalb Ihrer Kontrolle garantieren. Zu diesen Faktoren können thermische Schwankungen, Gerätealterung, unerwartete elektrostatische Entladung oder sogar unbeabsichtigter Missbrauch durch den Endbenutzer gehören. Diese Dinge führen manchmal dazu, dass Ihre Eingangs- / Ausgangsimpedanzen variieren, was zu Oszillationen führen kann, wenn das Design nicht unbedingt stabil ist.
Wenn Ihr Design für eine Massenproduktion vorgesehen ist, werden Sie außerdem eine gewisse Streuung der Geräte feststellen, die zu den oben genannten Faktoren beitragen kann.
Ich habe diese Frage einigen Leuten gestellt, die mm-Wellen-Verstärker-ICs entwerfen. Ihre Antwort lautete wie folgt:
Es ist wahr, dass unbedingte Stabilität eine übertriebene Anforderung sein könnte. Und manchmal werden tatsächlich Verstärker konstruiert und verwendet, die nicht unbedingt stabil sind. Der Grund, warum es nicht üblich ist, ist zweifach:
Selbst wenn Sie alle Stufen entwerfen und somit die Quellen- und Lastimpedanz kontrollieren können, müssen Sie dennoch sicherstellen, dass Ihr Design für diese spezifische Lastimpedanz stabil ist. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht häufig darin, sicherzustellen, dass es für alle Impedanzen stabil ist. Es ist sehr gut möglich, dass der Versuch, Stabilität für eine bestimmte Impedanz zu erreichen, nur zu bedingungsloser Stabilität führt – was bedeutet, dass Sie mehr Zeit für die Optimierung anderer Parameter Ihres Verstärkers wie Linearität oder PAE (Power-Added Efficiency) aufwenden können.
Außerdem ist der Verstärkungsvorteil, der dadurch entsteht, dass der Verstärker nicht bedingungslos stabil ist, gering. Ein Designer sagte mir, dass Sie normalerweise einen Verstärkungsverlust von etwa 1 dB sehen, wenn Sie von einem bedingt stabilen Verstärker mit hohem Stabilitätsvertrauen für Ihre Last (in Bezug auf die Herstellungsvariabilität) und demselben Verstärker mit einer gewissen Stabilisierung ausgehen, sodass er bedingungslos stabil ist.
Ein Designer verglich es auch mit einer ähnlichen Spezifikation, die häufig im Elektronikdesign zu finden ist: In der Vergangenheit hat fast niemand einen Operationsverstärker verkauft, der für die Rückkopplung mit der Verstärkung von Eins nicht stabil war (das sagt er zumindest, ich bin nicht alt genug, um dies zu überprüfen). Es war eine Art "Anforderung", die eigentlich keine Anforderung war. Heutzutage wird es immer üblicher, Operationsverstärker zu haben, die nicht rückkopplungsstabil sind. Dies kann den Designern die Freiheit geben, sich auf andere Spezifikationen, wie z. B. Leistung, zu konzentrieren.
glen_geek
Joren Väs
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