利用阻性负载增强LNA稳定性(上)

本文提出了一个预测在放大器的输入和输出端口增加阻性负载以改善稳定性和噪声指数的新方法。该方法在宽广的频率范围内有效，能够用于低噪声放大器(LNA)和宽带放大器。

设计一个有效的低噪声放大器(LNA)需要高性能的晶体管。但大部分合适的器件在微波频率段存在着潜在的不稳定因素，导致振荡。幸运的是，晶体管输入或输出端的阻性负载可以预防所有无源和负载终端在目标频段上的振荡,而在其它频段上存在问题，带外震荡使可能的。

单独的稳定性参数?表示放大器的稳定性。对于无条件稳定放大器的性来说?>1是充分而必要的。这个参数可定义如下：
当：Δ=S11S22-S12S21时，?参数作为质量因数，随着?值的增加标志着稳定性也提高。例如，图1显示的?值是从Fujitsu半导体制造公司型号为FHR02X HEMT的放大器散射参数(S-参数)计算得到的。该图也显示出放大器无条件稳定以及可能不稳定的区域(覆盖其大部分的频段)。

为了理解在较宽频率段阻性稳定性的效果，必须决定包含晶体管和和稳定电阻的级联双口系统的等效传输参数。
图2提供一个例子，其中级连的第一个和最后一个双口网络各代表一个元件，串联或并联，或直通，中间的双口代表晶体管，其传输参数使由离散参数计算得到。该类网络的整体稳定性可由级连参数得到，从传输参数变换到离散参数，应用等式1决定整个配置的?值。一共有8种不同的输入输出组合可用来调查该技术，取决于电阻是否被串联或并联到一个或两个有源器件的端口(见表)。
一旦放大器是无条件稳定的，就可能测定换能器功率增益的最大值，G_tmax。G_tmax定义为一个放大器加载到负载的功率比放大器输入输出阻抗共轭匹配时能够从源吸收的功率，通常通过适当的设计输入输出匹配网络实现。表显示了八电阻组合在2GHz的计算值。加大稳定因子到1以上直接减少了最大跨导增益G_tmax。对于其它六种情况，稳定因子相同则功率增益相同。
图3显示了?作为从0.10到30GHz之间频率的函数，对应表中的9种情况：无、1和2个稳定电阻。网络中包含两个稳定电阻在该问题中引入了额外的自由度。结果，必须使用系统化的搜索算法寻找能够稳定晶体管的输入输出阻抗组合。典型的获取值的搜索算法采取一对嵌套的环，输入电阻值在外环而输出电阻值在内环。初试的电阻值递增或递减，取决于考虑的电阻时串联还是并联。如果该电阻对导致一个无条件稳定的放大器，也就是说，稳定因子?在任何考虑的频率大于1，程序报告?值最大处的电阻和频率值，并将绘出作为频率函数的结果(图3中的曲线6到9)。
在本文中，搜索算法设计成要寻找在整个频段上为晶体管提供稳定的电阻对，同时在2GHz处尽可能使稳定因子接近1(图3中的曲线6到9)。对于该特定的晶体管，程序证明对于并入串出(曲线6)、并入并出(曲线8)，在大约10GHz范围内将?值调到最小是可能的。?最小值对于串入并出(曲线7)、串入串出(曲线9)是不可调的。

图3显示带并入串出(曲线6)、并入并出(曲线8)稳定电阻的放大器在整个频率范围内稳定，在2GHz处没有增益损失，比较而言其它四种全部串联或并联的组合只能在有限的频率范围内提供稳定性。

本节显示对于FHR02X HEMT的特定情况，所有八种阻性网络都能至少在有限频率范围内稳定放大器。为了在更一般的情况下使用该技术，考察了一系列其它阻性加载的微波放大器所有八种阻性下的网络稳定性，应用了本节呈现的技术和不同厂家晶体管的离散参数。八种阻性网络的大多数结果与图3显示的类似。然而，部分晶体管在某些情况下，对于一或两种阻性网络，找不到在所有频率上使整个放大器的?值大于1的单个或配对电阻。因此，阻性负载对稳定性的改进强烈地依赖于具体晶体管的特性，以及电阻本身。