利用阻性負(fù)載增強(qiáng)LNA穩(wěn)定性(上)

本文提出了一個(gè)預(yù)測(cè)在放大器的輸入和輸出端口增加阻性負(fù)載以改善穩(wěn)定性和噪聲指數(shù)的新方法。該方法在寬廣的頻率范圍內(nèi)有效，能夠用于低噪聲放大器(LNA)和寬帶放大器。

設(shè)計(jì)一個(gè)有效的低噪聲放大器(LNA)需要高性能的晶體管。但大部分合適的器件在微波頻率段存在著潛在的不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致振蕩。幸運(yùn)的是，晶體管輸入或輸出端的阻性負(fù)載可以預(yù)防所有無(wú)源和負(fù)載終端在目標(biāo)頻段上的振蕩,而在其它頻段上存在問(wèn)題，帶外震蕩使可能的。

單獨(dú)的穩(wěn)定性參數(shù)?表示放大器的穩(wěn)定性。對(duì)于無(wú)條件穩(wěn)定放大器的性來(lái)說(shuō)?>1是充分而必要的。這個(gè)參數(shù)可定義如下：

當(dāng)：Δ=S11S22-S12S21時(shí)，?參數(shù)作為質(zhì)量因數(shù)，隨著?值的增加標(biāo)志著穩(wěn)定性也提高。例如，圖1顯示的?值是從Fujitsu半導(dǎo)體制造公司型號(hào)為FHR02X HEMT的放大器散射參數(shù)(S-參數(shù))計(jì)算得到的。該圖也顯示出放大器無(wú)條件穩(wěn)定以及可能不穩(wěn)定的區(qū)域(覆蓋其大部分的頻段)。

為了理解在較寬頻率段阻性穩(wěn)定性的效果，必須決定包含晶體管和和穩(wěn)定電阻的級(jí)聯(lián)雙口系統(tǒng)的等效傳輸參數(shù)。

圖2提供一個(gè)例子，其中級(jí)連的第一個(gè)和最后一個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)各代表一個(gè)元件，串聯(lián)或并聯(lián)，或直通，中間的雙口代表晶體管，其傳輸參數(shù)使由離散參數(shù)計(jì)算得到。該類網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性可由級(jí)連參數(shù)得到，從傳輸參數(shù)變換到離散參數(shù)，應(yīng)用等式1決定整個(gè)配置的?值。一共有8種不同的輸入輸出組合可用來(lái)調(diào)查該技術(shù)，取決于電阻是否被串聯(lián)或并聯(lián)到一個(gè)或兩個(gè)有源器件的端口(見表)。

一旦放大器是無(wú)條件穩(wěn)定的，就可能測(cè)定換能器功率增益的最大值，G_tmax。G_tmax定義為一個(gè)放大器加載到負(fù)載的功率比放大器輸入輸出阻抗共軛匹配時(shí)能夠從源吸收的功率，通常通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。表顯示了八電阻組合在2GHz的計(jì)算值。加大穩(wěn)定因子到1以上直接減少了最大跨導(dǎo)增益G_tmax。對(duì)于其它六種情況，穩(wěn)定因子相同則功率增益相同。

圖3顯示了?作為從0.10到30GHz之間頻率的函數(shù)，對(duì)應(yīng)表中的9種情況：無(wú)、1和2個(gè)穩(wěn)定電阻。網(wǎng)絡(luò)中包含兩個(gè)穩(wěn)定電阻在該問(wèn)題中引入了額外的自由度。結(jié)果，必須使用系統(tǒng)化的搜索算法尋找能夠穩(wěn)定晶體管的輸入輸出阻抗組合。典型的獲取值的搜索算法采取一對(duì)嵌套的環(huán)，輸入電阻值在外環(huán)而輸出電阻值在內(nèi)環(huán)。初試的電阻值遞增或遞減，取決于考慮的電阻時(shí)串聯(lián)還是并聯(lián)。如果該電阻對(duì)導(dǎo)致一個(gè)無(wú)條件穩(wěn)定的放大器，也就是說(shuō)，穩(wěn)定因子?在任何考慮的頻率大于1，程序報(bào)告?值最大處的電阻和頻率值，并將繪出作為頻率函數(shù)的結(jié)果(圖3中的曲線6到9)。

在本文中，搜索算法設(shè)計(jì)成要尋找在整個(gè)頻段上為晶體管提供穩(wěn)定的電阻對(duì)，同時(shí)在2GHz處盡可能使穩(wěn)定因子接近1(圖3中的曲線6到9)。對(duì)于該特定的晶體管，程序證明對(duì)于并入串出(曲線6)、并入并出(曲線8)，在大約10GHz范圍內(nèi)將?值調(diào)到最小是可能的。?最小值對(duì)于串入并出(曲線7)、串入串出(曲線9)是不可調(diào)的。

圖3顯示帶并入串出(曲線6)、并入并出(曲線8)穩(wěn)定電阻的放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，在2GHz處沒(méi)有增益損失，比較而言其它四種全部串聯(lián)或并聯(lián)的組合只能在有限的頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性。

本節(jié)顯示對(duì)于FHR02X HEMT的特定情況，所有八種阻性網(wǎng)絡(luò)都能至少在有限頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定放大器。為了在更一般的情況下使用該技術(shù)，考察了一系列其它阻性加載的微波放大器所有八種阻性下的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，應(yīng)用了本節(jié)呈現(xiàn)的技術(shù)和不同廠家晶體管的離散參數(shù)。八種阻性網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)結(jié)果與圖3顯示的類似。然而，部分晶體管在某些情況下，對(duì)于一或兩種阻性網(wǎng)絡(luò)，找不到在所有頻率上使整個(gè)放大器的?值大于1的單個(gè)或配對(duì)電阻。因此，阻性負(fù)載對(duì)穩(wěn)定性的改進(jìn)強(qiáng)烈地依賴于具體晶體管的特性，以及電阻本身。