一種增大放大器增益的方法

了解有源器件、晶體管的電學(xué)要求可以提高放大器的性能。上個(gè)月月刊的第二部分指出增加適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定化處理電路可以使二極管在任何條件下都穩(wěn)定，并且對(duì)于源極和負(fù)載電阻頻率的任何變化都不會(huì)產(chǎn)生震蕩。第三部分將要指出如何應(yīng)用單向增益設(shè)計(jì)方法通過(guò)調(diào)整晶體管的輸入和輸出來(lái)獲得更大的增益。

S參數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)可以用來(lái)搜集晶體管數(shù)據(jù)，然后用這些數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)性能，設(shè)計(jì)一個(gè)放大器電路。第一部分指出，與Z、Y、ABCD參數(shù)不同，S參數(shù)的取值不僅依靠晶體管的性能還依靠源極電路和負(fù)載電路。因?yàn)镾參數(shù)測(cè)量的是發(fā)射波和反射波，這種測(cè)量主要依靠晶體管、源極和負(fù)載電路。（圖1）

即使在裝置端口沒(méi)有真實(shí)的波導(dǎo)線，我們也可以應(yīng)用反射系數(shù)和移動(dòng)波的概念。假設(shè)輸入反射系數(shù)ΓIN等于S11，ΓOUT等于S22.由于反饋的存在，這些參數(shù)可以作如下修正：對(duì)于兩端網(wǎng)絡(luò)，普通傳感器的增益可用S21和S12表示，無(wú)論是不是晶體管都有如下表達(dá)式：


如果S12 = 0，則ΓIN = S11，ΓOUT = S22。此外，如果S12 = 0，則傳感器增益變?yōu)椋?br />
可以被分解為三個(gè)獨(dú)立的增益系數(shù)：




方程3中的單向增益(圖2)公式要求知道ΓS和ΓL值。最大化GS時(shí)，ΓS值選擇如下：
然后類似，最大化GL時(shí)，ΓL的值選擇如下：
然后
在單向假設(shè)的基礎(chǔ)下，S12 = 0，則從晶體管獲得的最大增益為：

這樣可以得到全部增益(dB)(圖3)：

這里可以認(rèn)為GS和GL增益（或損失率）是通過(guò)匹配（或故意的失配）輸入、輸出電路獲得的。如果實(shí)際晶體管中S12 ≠ 0，則前面計(jì)算增益的方程8和9就存在誤差。在這種情況下，增益GT的真實(shí)值就和計(jì)算的單向增益GTU有關(guān)了：

然后
由于U值取決于S參數(shù)和單向品質(zhì)因數(shù)，則U值隨頻率的變化而變化。對(duì)于晶體管2N6679A，應(yīng)用表10.1-1中所示的在1 GHz處的S參數(shù)值，U計(jì)算如下：

可見(jiàn)，在1 GHz處晶體管2N6679A可以應(yīng)用單向增益的近似值，誤差不大于1.4 dB.為了獲得最大增益應(yīng)用單向增益設(shè)計(jì)，50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆S = ZIN*，50Ω的負(fù)載電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆L = ZOUT*.由S參數(shù)可得：

規(guī)格化通過(guò)增加穩(wěn)定化處理單元，S參數(shù)可以得到修正。修正后的S參數(shù)必須可以用于穩(wěn)定的2N6679A晶體管電路中。這種修改是很難實(shí)現(xiàn)的，但應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件卻是容易實(shí)現(xiàn)的。修正的S參數(shù)如表1所示。


對(duì)于放大器匹配問(wèn)題有很多處理方法。例如，可以應(yīng)用Q匹配方法。為了把一個(gè)電阻RH轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)更低的阻值RL，可以在該電阻上并聯(lián)一個(gè)值為RH/Q的電阻。串聯(lián)等效電路的等效電阻為RL = RH/（1 + Q2）。然后，用一個(gè)符號(hào)電阻與該串聯(lián)等效電阻諧振，則在1 GHz處輸入電阻變?yōu)椋?br />
有必要把50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆IN*，這樣
先把50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)?0.43 Ω：
把50 Ω的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦偷碾娮瑁▓D4），先在該50 Ω的電阻上并聯(lián)一個(gè)旁路電抗。因?yàn)樽罱K的轉(zhuǎn)化值ZS有感性部分，則該旁路電抗應(yīng)選擇一個(gè)電容器。當(dāng)Q為1.948時(shí)，則L1的電抗為+25.667 Ω。L1可以這樣得到：

正確的等效電路要求有10.43Ω的實(shí)部，由于電路的Q值不變，則虛部為+j20.32Ω。但是，電路中有一個(gè)+7.238Ω的電抗，所以這部分電抗可以用一個(gè)串聯(lián)電容器C2消除。電抗C2的大小是20.32 7.24 = 13.08 Ω。電容器C2值如下：

最后的電路和性能如圖5所示。

由于輸出的調(diào)整，增益S21在1 GHz處的值為18.4 dB，對(duì)比穩(wěn)定化（未調(diào)整）的單一晶體管（見(jiàn)第二部分）15.9 dB的增益，有2.5 dB的增益改進(jìn)。這樣穩(wěn)定后的晶體管就調(diào)整了2.5 dB的失諧誤差，S11的值為0.661（表1）。注意，S21是圖5所示的全部?jī)啥司W(wǎng)絡(luò)的增益。

同樣如表1所示，|S22| = 0.414.這就意味著由于輸出失諧損失了17%的功率。為了恢復(fù)這些損失，增益應(yīng)該再增加0.8 dB.調(diào)整輸出端口，由表2，在1 GHz處的輸出阻抗為（88.493 j46.646） Ω。50Ω的負(fù)載電阻就被轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閺?fù)雜的值或?yàn)椋?br />

使用Q匹配方法作用于回路，首先將50Ω這個(gè)較低電阻變換成較高的88.493Ω。這個(gè)過(guò)程起始于串聯(lián)電感回路，因此L2的選擇是任意的。電阻變比是88.493/50并且所需要的Q為0.877，因此L2的值為6.99 nH.并聯(lián)等效電路由88.493-Ω電阻所組成，并且這個(gè)電阻被一個(gè)值為88.493/0.877 = 100.86Ω的并聯(lián)感應(yīng)電阻所分路。再加上一個(gè)1.576pF的電容C2，這個(gè)并聯(lián)諧振頻率為1GHz.一個(gè)附加的+j46.646Ω的無(wú)功阻抗用來(lái)將50-Ω的負(fù)載轉(zhuǎn)換到等式22中的ZL，這齬　掏ü？。43nH的電感。L3而完成。具有單側(cè)調(diào)諧輸入輸出的穩(wěn)定的2N6977A放大器電路如圖5所示，并附帶其特性圖。

當(dāng)輸入輸出相匹配且頻率為1GHz時(shí)增益為20dB.這在所期望的最大增益19.2dB的1dB的范圍內(nèi)。檢索靈敏度系數(shù)分析顯示增益估計(jì)的誤差在1.18dB和1.37dB之間。20dB的增益是一個(gè)增加超過(guò)1.6 dB輸入匹配的例子。這比所期望提高0.8dB增加的更多。同時(shí)，從圖5中的S11和S22的曲線可以看出輸入輸出匹配并不理想。當(dāng)晶體管內(nèi)部反饋S12，忽略時(shí)，這些不準(zhǔn)確性出現(xiàn)在單側(cè)增益方法中是可以預(yù)見(jiàn)的。

為了最優(yōu)化性能，可能需要尋找電源和負(fù)載阻抗對(duì)，它們能在任何給定的頻率下與晶體管相匹配。這種方法（同步共軛匹配）將在下個(gè)月的后續(xù)文章的第四部分提到。

作者：Joseph F. White