利用阻性負載增強LNA穩(wěn)定性(上)

本文提出了一個預測在放大器的輸入和輸出端口增加阻性負載以改善穩(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。

設計一個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，導致振蕩。幸運的是，晶體管輸入或輸出端的阻性負載可以預防所有無源和負載終端在目標頻段上的振蕩,而在其它頻段上存在問題，帶外震蕩使可能的。

單獨的穩(wěn)定性參數(shù)?表示放大器的穩(wěn)定性。對于無條件穩(wěn)定放大器的性來說?>1是充分而必要的。這個參數(shù)可定義如下：
當：Δ=S11S22-S12S21時，?參數(shù)作為質(zhì)量因數(shù)，隨著?值的增加標志著穩(wěn)定性也提高。例如，圖1顯示的?值是從Fujitsu半導體制造公司型號為FHR02X HEMT的放大器散射參數(shù)(S-參數(shù))計算得到的。該圖也顯示出放大器無條件穩(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)定電阻的級聯(lián)雙口系統(tǒng)的等效傳輸參數(shù)。
圖2提供一個例子，其中級連的第一個和最后一個雙口網(wǎng)絡各代表一個元件，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)計算得到。該類網(wǎng)絡的整體穩(wěn)定性可由級連參數(shù)得到，從傳輸參數(shù)變換到離散參數(shù)，應用等式1決定整個配置的?值。一共有8種不同的輸入輸出組合可用來調(diào)查該技術，取決于電阻是否被串聯(lián)或并聯(lián)到一個或兩個有源器件的端口(見表)。
一旦放大器是無條件穩(wěn)定的，就可能測定換能器功率增益的最大值，G_tmax。G_tmax定義為一個放大器加載到負載的功率比放大器輸入輸出阻抗共軛匹配時能夠從源吸收的功率，通常通過適當?shù)脑O計輸入輸出匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)。表顯示了八電阻組合在2GHz的計算值。加大穩(wěn)定因子到1以上直接減少了最大跨導增益G_tmax。對于其它六種情況，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)，對應表中的9種情況：無、1和2個穩(wěn)定電阻。網(wǎng)絡中包含兩個穩(wěn)定電阻在該問題中引入了額外的自由度。結果，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串聯(lián)還是并聯(lián)。如果該電阻對導致一個無條件穩(wěn)定的放大器，也就是說，穩(wěn)定因子?在任何考慮的頻率大于1，程序報告?值最大處的電阻和頻率值，并將繪出作為頻率函數(shù)的結果(圖3中的曲線6到9)。
在本文中，搜索算法設計成要尋找在整個頻段上為晶體管提供穩(wěn)定的電阻對，同時在2GHz處盡可能使穩(wěn)定因子接近1(圖3中的曲線6到9)。對于該特定的晶體管，程序證明對于并入串出(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頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，在2GHz處沒有增益損失，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)顯示對于FHR02X HEMT的特定情況，所有八種阻性網(wǎng)絡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，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)絡穩(wěn)定性，應用了本節(jié)呈現(xiàn)的技術和不同廠家晶體管的離散參數(shù)。八種阻性網(wǎng)絡的大多數(shù)結果與圖3顯示的類似。然而，部分晶體管在某些情況下，對于一或兩種阻性網(wǎng)絡，找不到在所有頻率上使整個放大器的?值大于1的單個或配對電阻。因此，阻性負載對穩(wěn)定性的改進強烈地依賴于具體晶體管的特性，以及電阻本身。