利用阻性負(fù)載增強(qiáng)LNA穩(wěn)定性(中)

本文提出了一個預(yù)測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。

對于微波放大器噪聲性能經(jīng)常是一個關(guān)鍵因素。當(dāng)噪聲不可回避時，給放大器增加阻抗不可避免地降低了輸出信噪比，不同的阻性網(wǎng)絡(luò)配置能夠給噪聲性能帶來顯著的不同影響。由于這個原因，為了在放大器穩(wěn)定性、增益和噪聲性能間取得設(shè)計折中，預(yù)測各種阻性穩(wěn)定技術(shù)對整個放大器噪聲指數(shù)的影響非常重要。帶離散參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)方法是現(xiàn)實可行的，因為有源器件的噪聲性能被描述為系統(tǒng)反射因子。這在圖4中說明，其中將電阻構(gòu)模成級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的有損失配雙口元件。作為級聯(lián)雙口間衰減和阻抗失配的結(jié)果，放大器噪聲隨著阻性雙口元件的增加而增加。

在圖4中，考慮信號向右傳播，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(IMN)將源阻抗Zg轉(zhuǎn)換成合適的源反射系數(shù)Γ_S，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(OMN)將負(fù)載阻抗ZL轉(zhuǎn)換成合適的負(fù)載反射系數(shù)Γ_L。這些偏僻配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計用來提供合適的阻抗變換，以實現(xiàn)最大跨導(dǎo)增益、最小噪聲指數(shù)，或滿足系統(tǒng)需求的其它放大器規(guī)格要求。對于離散參數(shù)描述的雙口，通?？紤]50Ω，其各自的輸入輸出反射系數(shù)，Γ_IN 和 Γ_OUT,由下式?jīng)Q定：

這里：Γ_S= 向雙口網(wǎng)絡(luò)的源端觀察到的反射系數(shù)；Γ_L= 向雙口網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載端觀察到反射系數(shù)。

參見圖4，從右到左順序地應(yīng)用等式2和Γ_L及離散參數(shù)[S₃]，可以計算第m個雙口網(wǎng)絡(luò)的輸入反射系數(shù)，這里m等于1到3。類似地，在圖4中從左到右順序地應(yīng)用等式3，從Γ_S及離散參數(shù)[S₁]開始，可以計算第m個雙口網(wǎng)絡(luò)的輸出反射系數(shù)，這里m等于1到3。因此，順序地應(yīng)用等式2和3能夠決定整個網(wǎng)絡(luò)的所有輸入和輸出反射系數(shù)。

許多作者提供了有源和無源器件的噪聲指數(shù)表達(dá)式。對于有源源器件，數(shù)字F_min、R_N、和Γ_opt是作為特定晶體管特征的噪聲參數(shù)，而Z0是系統(tǒng)阻抗，通常是50Ω。借助這些參數(shù)晶體管的噪聲指數(shù)表達(dá)為：

這里：F_min = 該器件的最小噪聲指數(shù)；R_N = 該器件的等效噪聲阻抗；Γ_opt= 該晶體管的最佳源反射系數(shù)；Γ_S2 (圖 4) 導(dǎo)致最小噪聲指數(shù)。

雙口網(wǎng)絡(luò)的可用功率增益定義為從雙口網(wǎng)絡(luò)可用的功率比從源可用的功率。數(shù)學(xué)上，這可表示為：
值得注意的是除了取決于雙口網(wǎng)絡(luò)的離散參數(shù)，可用功率增益取決于雙口網(wǎng)絡(luò)輸入端口向外看以及輸出端口向內(nèi)看的反射系數(shù)。

有損雙口網(wǎng)絡(luò)的噪聲指數(shù)可歸結(jié)為工作溫度T的函數(shù)：
這里：T₀ = 290 K,T₀ = 290 K,GA = 可用功率增益。注意在室溫下噪聲指數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的功率損耗因子，L_A或：

這樣如果雙口網(wǎng)絡(luò)包含有損元件，例如串聯(lián)或并聯(lián)電阻，器件的噪聲指數(shù)就等于損耗。因此，可能增加或減少等式5的可用功率增益，以及等式6的噪聲指數(shù)，取決于網(wǎng)絡(luò)的阻抗失配。

一旦可得到獨(dú)立雙口網(wǎng)絡(luò)的噪聲指數(shù)，即可通過應(yīng)用Friis的噪聲方程得到整個穩(wěn)定放大器的噪聲指數(shù)：

在這種情況下，下標(biāo)1、2、3分別代表[S₁]、[S₂]和[S₃]表示的雙口(圖4)。另外，在等式8中，下標(biāo)1和3代表晶體管前后的有損雙口網(wǎng)絡(luò)噪聲指數(shù)和增益(圖4)，下標(biāo)2代表晶體管本身的噪聲指數(shù)和可用增益。特別地，F(xiàn)₁是帶離散參數(shù)[S₁]和反射系數(shù)Γ_S1及 Γ_OUT1的第一個阻性網(wǎng)絡(luò)從等式6得到的噪聲指數(shù)，GA1從等式5得到。噪聲指數(shù)F3是帶離散參數(shù)[S₃]和反射系數(shù)Γ_S3及 Γ_OUT3的最后一個阻性網(wǎng)絡(luò)從等式6得到的，GA1從等式5得到。最后，晶體管本身的噪聲指數(shù)F2由等式4得到，晶體管可用增益GA2從等式5得到，使用離散參數(shù)[S₂]和反射系數(shù)Γ_S2及 Γ_OUT2。

表中的最后兩行，GT和Ftotal，為穩(wěn)定放大器預(yù)測跨導(dǎo)增益和總噪聲指數(shù)，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成晶體管輸入反射系數(shù)Γ_S2等于最佳反射系數(shù)Γ_opt。例如FHR02X HEMT的例子，該最小噪聲成分在2GHz時是0.33dB。

這些結(jié)果中的特別有趣的是串聯(lián)輸出(情況4)與并聯(lián)輸出(情況5)相比比較提供了2dB額外的增益和好于0.1dB的噪聲指數(shù)。并聯(lián)輸入輸出配置(情況8)在整個頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定，與串聯(lián)輸出相比提供了1.23dB的增益改善，僅有0.30dB的噪聲指數(shù)劣化。這些比較表明，對于給定的應(yīng)用為放大器提供可選的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，在增益、噪聲和穩(wěn)定性之間取得折中是可能的。