PROGETTO DELL’AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE

Il progetto dell’amplificatore differenziale, come già stato detto nel Capitolo 4, è stato implementato principalmente in vista della possibilità di eliminare il balun. Essendo il balun un dispositivo notoriamente caratterizzato da una banda piuttosto ridotta, la sua eliminazione apre la strada alla possibilità di realizzare sistemi di ricezione a banda larga.

In virtù del fatto che l’amplificatore differenziale ha due ingressi, è infatti possibile pensare di connetterlo direttamente ad una struttura bilanciata come i singoli dipoli o la loro linea di alimentazione/somma a monte dei balun.

Naturalmente, ciò non significa che l’applicazione di un tale tipo di dispositivo sia immediatamente attuabile. Bisogna infatti ricordare che una forte limitazione alla possibilità di allargare la banda è fornita innanzitutto dai dipoli stessi che, oltre ad essere caratterizzati da una banda piuttosto ridotta, sono comunque soggetti alle interferenze causate dai segnali radio e televisivi (vedi Paragrafo 6.2.1).

Il progetto avrà comunque come obbiettivo quello di realizzare un amplificatore differenziale con buone prestazioni da 300MHz a 700MHz. È anche in vista di questa larghezza di banda che la NF di 0.9dB (contro quella attuale di 0.4dB) del dispositivo MBC13916, scelto per il progetto, è considerata accettabile.

6.5 CONSIDERAZIONI GENERALI

La configurazione differenziale non è mai stata studiata nell’ambito di applicazioni relative alla Croce del Nord. Inoltre, non sono stati trovati riferimenti bibliografici riguardanti una sua possibile implementazione in tecnologia ibrida. Per questo motivo, prima di affrontare il progetto si sono dovute prendere in esame alcune problematiche riguardanti:

• L’impedenza di progetto

• Le simulazioni con Microwave Office

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6.5.1 L’Impedenza di Progetto

(Ref.[6], Ref.[7], Ref.[8], Ref[9], Ref.[10])

Nel progetto di un qualunque dispositivo di tipo single-ended,

l’adattamento di ingresso e di uscita si misura in termini di S_{1 1} e

S2 2, con impedenza di normalizzazione tipicamente di 50Ohm.

Nel caso dell’amplificatore differenziale, per quanto riguarda

l’adattamento di uscita, questo viene misurato in termini di S_{3 3}, con

impedenza di normalizzazione di 50Ohm.

L’adattamento di ingresso, invece, necessita di considerazioni più approfondite.

Quello che si vuole ottimizzare è il guadagno di modo differenziale, cioè il guadagno che si ottiene quando sugli ingressi è presente un segnale differenziale.

Nel caso specifico che si sta considerando nell’ambito di questa tesi, essendo gli ingressi dell’amplificatore differenziale collegati alla linea di alimentazione dei dipoli, il segnale differenziale è costituito dal modo dispari (odd mode).

A questo punto diventa quindi necessario trovare un collegamento tra l’impedenza di modo dispari, Zodd, e l’impedenza differenziale dell’amplificatore (Zdiff).

Per comprendere meglio il problema si consideri una coppia di conduttori, come illustrato in Fig.6.37.

Figura 6.37. Il modo dispari e il modo pari

Si definiscono:

• Impedenza di modo dispari (Zodd): è l’impedenza tra un conduttore e la massa quando i conduttori sono guidati in modo differenziale.

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• Impedenza di modo pari (Zeven): è l’impedenza tra un conduttore e la massa quando i conduttore sono guidati con segnali aventi uguale polarità.

L’impedenza differenziale è per definizione la combinazione in serie di due impedenze di modo dispari. Si ha cioè:

Zdiff=2Zodd (6.6)

La tipica rappresentazione della Zodd viene effettuata considerando una resistenza tra la linea e massa, mentre, quella della Zdiff è di una resistenza tra le due linee con massa virtuale posta in posizione centrale.

L’adattamento di ingresso dell’amplificatore differenziale, quindi, non deve più essere fatto prendendo come riferimento una impedenza di normalizzazione di 50Ohm.

Si deve invece fare in modo di avere una impedenza differenziale uguale all’impedenza differenziale della linea bilanciata di alimentazione dei dipoli.

Nel progetto, per fare sì che la Zdiff della linea e dell’amplificatore coincidano, sarà sufficiente che la Zodd tra i due ingressi sia uguale alla Zodd della linea stessa. Questo è possibile anche in virtù del fatto i due rami di ingresso dell’amplificatore sono completamente simmetrici.

Data la mancanza di documentazione tecnica relativa al periodo di costruzione della Croce, la Zodd dei dipoli è tuttora in fase di valutazione. Sono stati svolti studi approfonditi relativamente alle caratteristiche di impedenza della Croce. Tali studi hanno rivelato una impedenza di modo dispari di 41.9Ohm. Anche se questo non è un valore definitivo, è presumibile che non sia comunque molto distante da quello reale. (Ref.[11])

6.5.2 Le Simulazioni con Microwave Office

Il primo passo dello sviluppo dell’amplificatore bilanciato era stato quello di progettare gli amplificatori a singolo stadio. In un secondo momento, tali amplificatori erano stati collegati tramite gli splitter per creare la struttura complessiva. Ciò era stato però possibile grazie alle particolari proprietà dell’amplificatore bilanciato, il quale mantiene lo stesso guadagno e la stessa NF

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degli amplificatori a singolo stadio (a meno delle perdite introdotte dagli splitter).

Nel caso del progetto dell’amplificatore differenziale, una scelta di questo tipo non è possibile. Le prestazioni della struttura complessiva infatti, sono molto diverse da quelle del dispositivo a singolo stadio nonostante la necessità di perfetta simmetria tra i due amplificatori che lo costituiscono. Si è verificato che tale diversità si manifesta in termini di guadagno, adattamento e noise figure. Per questo motivo, si è reso necessario sviluppare fin dall’inizio le simulazioni sulla struttura differenziale complessiva.

A questo punto, dovendo lavorare su di un dispositivo con due porte di ingresso, si è presentato il problema delle simulazioni della NF e della stabilità. Questo tipo di misure infatti possono essere fatte soltanto su dispositivi ad ingresso ed uscita singoli.

Il problema è stato risolto utilizzando per le simulazioni di queste grandezze lo stesso circuito che viene utilizzato per il guadagno e l’adattamento, dove, però, i due ingressi vengono collegati con un trasformatore a presa centrale.

Ciò non conduce a risultati fuorvianti in quanto in Microwave Office il modello del trasformatore è completamente ideale.

Gli schemi a blocchi delle due versioni del differenziale utilizzate nelle simulazioni vengono presentati in Fig.6.38 e 6.39.

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Figura 6.39