Synthese von Frequenzgangskompensationsnetzwerken für integrierte Breitband-Signalverstärker

Krauße, Dominik GND

Modern communication systems are required to transmit a continuously increasing amount of data. Therefore, weak signals have to be detected and amplified. Today's signal amplifiers need to cover frequency ranges from zero to several hundred MHz, i.e. multiple decades. Simultaneously, due to high bandwidth requirement, stability of these amplifiers gets more and more problematic in circuit design. Stability implies that an arbitrarily stimulated amplifier is void of oscillation tendencies at its output port.Stability is usually achieved by compensation of the circuit's frequency response. Damping of the frequency range which tends to oscillate is one option to assure stability. Feedback from the output to the input of the circuit is reduced with this approach. However, the disadvantage of a frequency-response compensated amplifier is an immensely decreased bandwidth compared to the uncompensated circuit. The reason of this degradation lies in the fashion of the compensation methodology. Conventionally, the feedback loop is opened, and the frequency response is investigated. If the criterion for instability, known from control theory, becomes true within the frequency range of interest, the circuit is damped until the stability condition is met. Typical applications are video-signal amplifiers which need to provide a constant gain from 0 to several 100 MHz.Within this dissertation a methodological approach is presented which computer-aidedly synthesizes frequency-compensation networks for wideband-signal amplifiers. In contrast to the control-theory and open-loop based approaches, the methodology introduced in this work is based on eigenvalues and eigenvalue sensitivities, which are used to gain conclusions about sophisticated compensation networks that are to be inserted. Following, these networks are sized by means of mathematical optimization, and, subsequently, their frequency responses are tuned with modern circuit optimizers. The advantage of this method is that the final circuits are designed for their particular applications, and, therefore, bandwidths can be attained which are impossible to reach with conservative approaches.The synthesis scheme is totally autonomous and can be used without any expert knowledge about the circuits' properties. The methodology is demonstrated with entire design of an industrial signal amplifier for HDTV applications.

Die moderne Kommunikationstechnik unterliegt der Forderung, immer größere Datenmengen zu übertragen. Dabei werden z.B. von Sensoren sehr schwache Signale aufgenommen, die anschließend verstärkt werden müssen. Die Signalverstärker, die heutzutage dafür benötigt werden, müssen Frequenzbereiche von Null bis zu mehreren hundert MHz und damit mehrere Frequenzdekaden abdecken. Gleichzeitig wird aufgrund dieser Bandbreitenforderung die Stabilität von Verstärkerschaltungen mit zunehmender Frequenz zu einem Problem in der Schaltungstechnik. Stabilität bedeutet im weitesten Sinne, dass ein Verstärker bei beliebiger Anregung keine Schwingungsneigung am Ausgang zeigt.Üblicherweise wird Stabilität bei Verstärkern dadurch erreicht, indem man den Frequenzgang kompensiert. Das kann dadurch geschehen, dass der Frequenzbereich, in dem der Verstärker zu Schwingungen neigt, durch Kompensationsnetzwerke bedämpft wird und damit keine Anregung durch Rückkopplung auf den Eingang der Schaltung mehr vorhanden ist. Der Nachteil, der dadurch erkauft wird, ist, dass die Bandbreite eines frequenzgangskompensierten Verstärkers gegenüber der unkompensierten aber instabilen Schaltung sehr stark verringert wird. Der Grund dieser Verringerung liegt in der Art und Weise der Kompensationsmethodik.Im Rahmen dieser Arbeit soll ein methodischer Ansatz vorgestellt werden, der automatisch mit Hilfe des Rechners Frequenzgangskompensationsnetzwerke für Breitband-Signalverstärker synthetisiert. Diese Methodik basiert auf der Bestimmung von Eigenwerten und Eigenwertempfindlichkeiten, aus denen Schlussfolgerungen über einzubringende komplexe Kompensationsnetzwerke gezogen werden. Diese Kompensationsnetzwerke werden anschließend mit den Methoden der mathematischen Optimierung dimensioniert und nachträglich mit modernen Schaltungsoptimierern frequenzgangsoptimiert. Der Vorteil des Verfahrens, welches auch direkte Kompensation genannt wird, ist, dass die nun kompensierte Verstärkerschaltung genau für ihren speziellen Anwendungsfall konzipiert ist und somit Bandbreiten erreicht werden, die durch konservative Ansätze nicht möglich waren.Das Syntheseverfahren läuft vollautomatisch ab und kommt ohne Kenntnis der Eigenschaften der Verstärkerstrukturen und ohne Expertenwissen aus. Die gesamte Methodik wird anhand eines Komplettentwurfs eines industriell gefertigten Signalverstärkers für HD-TV-Anwendungen demonstriert.

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Krauße, Dominik: Synthese von Frequenzgangskompensationsnetzwerken für integrierte Breitband-Signalverstärker. 2012.

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