High gain and bandwidth current-mode amplifiers : study and implementation

摘要

Esta tese aborda o problema do projecto de amplificadores com grandes produtos de ganho por largura de banda. A aplicação final considerada consistiu no projecto de amplificadores adequados à recepção de sinais ópticos em sistemas de transmissão ópticos usando o espaço livre. Neste tipo de sistemas as maiores limitações de ganho e largura de banda surgem nos circuitos de entrada. O uso de detectores ópticos com grande área fotosensível é uma necessidade comum neste tipo de sistemas. Estes detectores apresentam grandes capacidades intrínsecas, o que em conjunto com a impedância de entrada apresentada pelo amplificador estabelece sérias restrições no produto do ganho pela largura de banda. As técnicas mais tradicionais para combater este problema recorrem ao uso de amplificadores com retroacção baseados em configurações de transimpedância. Estes amplificadores apresentam baixas impedâncias de entrada devido à acção da retroacção. Contudo, os amplificadores de transimpedância também apresentam uma relação directa entre o ganho e a impedância de entrada. Logo, diminuir a impedância de entrada implica diminuir o ganho. Esta tese propõe duas técnicas novas para combater os problemas referidos. A primeira técnica tem por base uma propriedade fundamental dos amplificadores com retroacção. Em geral, todos os circuitos electrónicos têm tempos de atraso associados, os amplificadores com retroacção não são uma excepção a esta regra. Os tempos de atraso são em geral reconhecidos como elementos instabilizadores neste tipos da amplificadores. Contudo, se usados judiciosamente, este tempos de atraso podem ser explorados como uma forma da aumentar a largura de banda em amplificadores com retroacção. Com base nestas ideias, esta tese apresenta o conceito geral de reatroacção com atraso, como um método de optimização de largura de banda em amplificadores com retroacção. O segundo método baseia-se na destruição da dualidade entre ganho e impedância de entrada existente nos amplificadores de transimpedância. O conceito de adaptação activa em modo de corrente é neste sentido uma forma adequada para separar o detector óptico da entrada do amplificador. De acordo com este conceito, emprega-se um elemento de adaptação em modo de corrente para isolar o detector óptico da entrada do amplificador. Desta forma as tradicionais limitações de ganho e largura de banda podem ser tratadas em separado. Esta tese defende o uso destas técnicas no desenho de amplificadores de transimpedância para sistemas de recepção de sinais ópticos em espaço livre.