一種增大放大器增益的方法

了解有源器件、晶體管的電學要求可以提高放大器的性能。上個月月刊的第二部分指出增加適當?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，并且對于源極和負載電阻頻率的任何變化都不會產(chǎn)生震蕩。第三部分將要指出如何應用單向增益設計方法通過調整晶體管的輸入和輸出來獲得更大的增益。

S參數(shù)是一個重要參數(shù)，該參數(shù)可以用來搜集晶體管數(shù)據(jù)，然后用這些數(shù)據(jù)預測性能，設計一個放大器電路。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載電路。因為S參數(shù)測量的是發(fā)射波和反射波，這種測量主要依靠晶體管、源極和負載電路。（圖1）

即使在裝置端口沒有真實的波導線，我們也可以應用反射系數(shù)和移動波的概念。假設輸入反射系數(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：對于兩端網(wǎng)絡，普通傳感器的增益可用S21和S12表示，無論是不是晶體管都有如下表達式：


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 />
可以被分解為三個獨立的增益系數(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，ΓS值選擇如下：
然后類似，最大化GL時，ΓL的值選擇如下：
然后
在單向假設的基礎下，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)：

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

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

可見，在1 GHz處晶體管2N6679A可以應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用單向增益設計，50Ω的源極電阻轉變?yōu)閆S = ZIN*，50Ω的負載電阻轉變?yōu)閆L = ZOUT*.由S參數(shù)可得：

規(guī)格化通過增加穩(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。這種修改是很難實現(xiàn)的，但應用網(wǎng)絡模擬軟件卻是容易實現(xiàn)的。修正的S參數(shù)如表1所示。


對于放大器匹配問題有很多處理方法。例如，可以應用Q匹配方法。為了把一個電阻RH轉變?yōu)橐粋€更低的阻值RL，可以在該電阻上并聯(lián)一個值為RH/Q的電阻。串聯(lián)等效電路的等效電阻為RL = RH/（1 + Q2）。然后，用一個符號電阻與該串聯(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的源極電阻轉變?yōu)閆IN*，這樣
先把50Ω的源極電阻轉變?yōu)?0.43 Ω：
把50 Ω的電阻轉變?yōu)楦偷碾娮瑁▓D4），先在該50 Ω的電阻上并聯(lián)一個旁路電抗。因為最終的轉化值ZS有感性部分，則該旁路電抗應選擇一個電容器。當Q為1.948時，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的實部，由于電路的Q值不變，則虛部為+j20.32Ω。但是，電路中有一個+7.238Ω的電抗，所以這部分電抗可以用一個串聯(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。

由于輸出的調整，增益S21在1 GHz處的值為18.4 dB，對比穩(wěn)定化（未調整）的單一晶體管（見第二部分）15.9 dB的增益，有2.5 dB的增益改進。這樣穩(wěn)定后的晶體管就調整了2.5 dB的失諧誤差，S11的值為0.661（表1）。注意，S21是圖5所示的全部兩端網(wǎng)絡的增益。

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。為了恢復這些損失，增益應該再增加0.8 dB.調整輸出端口，由表2，在1 GHz處的輸出阻抗為（88.493 j46.646） Ω。50Ω的負載電阻就被轉變?yōu)楦鼮閺碗s的值或為：


使用Q匹配方法作用于回路，首先將50Ω這個較低電阻變換成較高的88.493Ω。這個過程起始于串聯(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，并且這個電阻被一個值為88.493/0.877 = 100.86Ω的并聯(lián)感應電阻所分路。再加上一個1.576pF的電容C2，這個并聯(lián)諧振頻率為1GHz.一個附加的+j46.646Ω的無功阻抗用來將50-Ω的負載轉換到等式22中的ZL，這齬　掏ü？。43nH的電感。L3而完成。具有單側調諧輸入輸出的穩(wěn)定的2N6977A放大器電路如圖5所示，并附帶其特性圖。

當輸入輸出相匹配且頻率為1GHz時增益為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)分析顯示增益估計的誤差在1.18dB和1.37dB之間。20dB的增益是一個增加超過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，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。當晶體管內(nèi)部反饋S12，忽略時，這些不準確性出現(xiàn)在單側增益方法中是可以預見的。

為了最優(yōu)化性能，可能需要尋找電源和負載阻抗對，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）將在下個月的后續(xù)文章的第四部分提到。

作者：Joseph F. White