利用阻性負(fù)載增強(qiáng)LNA穩(wěn)定性(下)

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。

后續(xù)小節(jié)中的結(jié)果可從Friis噪聲方程來理解(等式8)。例如，案例4、5和8的導(dǎo)致最低噪聲疊加，4和5小于8。這是因?yàn)榫w管帶來的衰減，如等式8所示，來自最后那個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò)的噪聲成分的影響被相對(duì)較大的放大器增益所減小。

在案例8的例子中，總噪聲指數(shù)略差于4和5，這是因?yàn)樗p是應(yīng)用于放大器輸入端，如等式8所示。該雙口網(wǎng)絡(luò)的總噪聲分量體現(xiàn)在全噪聲指數(shù)Ftotal中。然而，衰減器對(duì)于加性噪聲是相對(duì)無效的，因?yàn)椴⒙?lián)5kΩ電阻產(chǎn)生的衰減和失配與其它案例相比失非常小的。因此，輸入和輸出端口上的衰減器對(duì)整個(gè)放大器噪聲指數(shù)的影響并不相同，當(dāng)然劣化程度也取決于特定衰減器的衰減和失配，除了位置。

實(shí)現(xiàn)了4種微波放大器測(cè)試電路以為實(shí)際的放大器確定穩(wěn)定理論和噪聲預(yù)測(cè)的有效性。有源器件是FHR02X HEMT，也在前面小節(jié)作為例子。晶體管靠引腳固定到底板上，如圖5種例子所示，嵌入式電阻并聯(lián)到三個(gè)放大器的輸入輸出端。

從實(shí)現(xiàn)角度看并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)便于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴迦氪?lián)隔直電容會(huì)影響晶體管的偏置。構(gòu)造了三個(gè)放大器，其穩(wěn)定電阻設(shè)計(jì)為200Ω但測(cè)出來大約是160Ω的范圍，用來研究8種不同的阻性穩(wěn)定組合，對(duì)于于案例3、 5、和8，但具體值不同。分別是僅并聯(lián)輸入、僅并聯(lián)輸出、并聯(lián)輸入輸出。選擇了200Ω的設(shè)計(jì)值是因?yàn)橛?jì)算表明該值將帶來三種案例的清晰差異。第四個(gè)放大器不帶穩(wěn)定電阻是用來測(cè)量晶體管本身的離散參數(shù)的。同樣的偏置T頭連接放大器到網(wǎng)絡(luò)分析儀，為每個(gè)晶體管提供工作電流(圖6)。

由于實(shí)際原因不可能在每個(gè)測(cè)試電路中使用同一個(gè)晶體管，因此四個(gè)配置采用不同的具體樣品。由于器件到器件離散和噪聲參數(shù)的離散性，這在測(cè)量和預(yù)測(cè)的比較中引入了參數(shù)誤差。

圖7顯示的測(cè)量穩(wěn)定性參數(shù)是利用測(cè)量的S參數(shù)，應(yīng)用到圖6顯示的三個(gè)穩(wěn)定放大器，使用等式1計(jì)算得到的。圖7顯示的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性參數(shù)是利用圖2所示的方法和測(cè)量阻抗值得到的。在輸入和輸出端帶并聯(lián)電阻的穩(wěn)定放大器測(cè)量和預(yù)測(cè)穩(wěn)定參數(shù)值之間的差異至少在10GHz處在幾個(gè)百分點(diǎn)之內(nèi)。

為了驗(yàn)證前節(jié)所述噪聲預(yù)測(cè)部分，測(cè)量了兩個(gè)FHR02X HEMT微波放大器的噪聲指數(shù)。這通過在測(cè)試平臺(tái)(圖6)以Agilent公司(Santa Rosa, CA)的Agilent N8975A噪聲指數(shù)表替代網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成的，由Agilent N4002A噪聲源驅(qū)動(dòng)(圖8)。

其它測(cè)試條件保持如圖6所示。

圖9和10顯示兩個(gè)電路到26GHz的測(cè)量和預(yù)測(cè)的放大器增益和噪聲指數(shù)。圖9顯示帶輸出阻性穩(wěn)定的FHR02X HEMT測(cè)量增益，由Agilent E8361獲得，以及由Agilent N8975A噪聲指數(shù)表得到的測(cè)量增益和噪聲。噪聲指數(shù)表數(shù)據(jù)的波紋是由于必須插入噪聲指數(shù)表的電纜和連接器之間的輕微失配造成的。另方面看，兩種增益測(cè)量吻合非常好。預(yù)測(cè)增益失通過圖2顯示的過程獲得的，用以決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的離散參數(shù)。測(cè)量和預(yù)測(cè)放大器增益之間的一致性直到26GHz都在十分之幾dB范圍內(nèi)。

圖9也顯示同一放大器的測(cè)量噪聲指數(shù)，以及數(shù)據(jù)的最小均方最佳擬合以便與理論值比較。預(yù)測(cè)噪聲指數(shù)是通過應(yīng)用前節(jié)所述的過程到測(cè)量的放大器離散參數(shù)獲得的，以及廠家提供的晶體管噪聲參數(shù)。在10GHz處測(cè)量和計(jì)算噪聲指數(shù)之間的不一致在十分之幾dB范圍內(nèi)。 在10GHz之上，在兩個(gè)結(jié)果之間出現(xiàn)了隨頻率增加的系統(tǒng)偏移。需要額外的研究以決定這一差異的來源。

圖10比較了測(cè)量和測(cè)量的帶輸入阻性穩(wěn)定FHR02X HEMT放大器的噪聲指數(shù)以及增益。該圖顯示與第一個(gè)放大器相比在放大器輸入端配置電阻使得噪聲性能惡化大約2dB。兩個(gè)測(cè)量和預(yù)測(cè)值之間的一致都與前面獲得的結(jié)果相似。

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。該途徑在寬廣的頻率范圍內(nèi)有效，能夠用于LNA和寬帶放大器，直到10GHz，預(yù)測(cè)值都在測(cè)量值的十分之幾dB范圍內(nèi)。