利用阻性負載增強LNA穩定性(中)
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本文提出了一個(gè)預測在放大器的輸入和輸出端口增加阻性負載以改善穩定性和噪聲指數的新方法。該方法在寬廣的頻率范圍內有效，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(gè)關(guān)鍵因素。當噪聲不可回避時(shí)，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(lái)顯著(zhù)的不同影響。由于這個(gè)原因，為了在放大器穩定性、增益和噪聲性能間取得設計折中，預測各種阻性穩定技術(shù)對整個(gè)放大器噪聲指數的影響非常重要。帶離散參數的網(wǎng)絡(luò )方法是現實(shí)可行的，因為有源器件的噪聲性能被描述為系統反射因子。這在圖4中說(shuō)明，其中將電阻構模成級聯(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果，放大器噪聲隨著(zhù)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轉換成合適的源反射系數ΓS，輸出匹配網(wǎng)絡(luò )(OMN)將負載阻抗ZL轉換成合適的負載反射系數ΓL。這些偏僻配網(wǎng)絡(luò )設計用來(lái)提供合適的阻抗變換，以實(shí)現最大跨導增益、最小噪聲指數，或滿(mǎn)足系統需求的其它放大器規格要求。
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對于離散參數描述的雙口，通?？紤]50Ω，其各自的輸入輸出反射系數，ΓIN 和 ΓOUT,由下式?jīng)Q定：
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這里：ΓS= 向雙口網(wǎng)絡(luò )的源端觀(guān)察到的反射系數；ΓL= 向雙口網(wǎng)絡(luò )的負載端觀(guān)察到反射系數。
參見(jiàn)圖4，從右到左順序地應用等式2和ΓL及離散參數[S3]，可以計算第m個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò )的輸入反射系數，這里m等于1到3。類(lèi)似地，在圖4中從左到右順序地應用等式3，從ΓS及離散參數[S1]開(kāi)始，可以計算第m個(gè)雙口網(wǎng)絡(luò )的輸出反射系數，這里m等于1到3。因此，順序地應用等式2和3能夠決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有輸入和輸出反射系數。
許多作者提供了有源和無(wú)源器件的噪聲指數表達式。對于有源源器件，數字Fmin、RN、和Γopt是作為特定晶體管特征的噪聲參數，而Z0是系統阻抗，通常是50Ω。借助這些參數晶體管的噪聲指數表達為：
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這里：Fmin = 該器件的最小噪聲指數；RN = 該器件的等效噪聲阻抗；Γopt= 該晶體管的最佳源反射系數；ΓS2 (圖 4) 導致最小噪聲指數。
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。數學(xué)上，這可表示為：
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值得注意的是除了取決于雙口網(wǎng)絡(luò )的離散參數，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看的反射系數。
有損雙口網(wǎng)絡(luò )的噪聲指數可歸結為工作溫度T的函數：
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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等于網(wǎng)絡(luò )的功率損耗因子，LA或：
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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，取決于網(wǎng)絡(luò )的阻抗失配。
一旦可得到獨立雙口網(wǎng)絡(luò )的噪聲指數，即可通過(guò)應用Friis的噪聲方程得到整個(gè)穩定放大器的噪聲指數：
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在這種情況下，下標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1和3代表晶體管前后的有損雙口網(wǎng)絡(luò )噪聲指數和增益(圖4)，下標2代表晶體管本身的噪聲指數和可用增益。特別地，F1是帶離散參數[S1]和反射系數ΓS1及 ΓOUT1的第一個(gè)阻性網(wǎng)絡(luò )從等式6得到的噪聲指數，GA1從等式5得到。噪聲指數F3是帶離散參數[S3]和反射系數ΓS3及 ΓOUT3的最后一個(gè)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[S2]和反射系數ΓS2及 ΓOUT2。
表中的最后兩行，GT和Ftotal，為穩定放大器預測跨導增益和總噪聲指數，匹配網(wǎng)絡(luò )設計成晶體管輸入反射系數ΓS2等于最佳反射系數Γopt。例如FHR02X HEMT的例子，該最小噪聲成分在2GHz時(shí)是0.33dB。
這些結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。并聯(lián)輸入輸出配置(情況8)在整個(gè)頻率范圍內穩定，與串聯(lián)輸出相比提供了1.23dB的增益改善，僅有0.30dB的噪聲指數劣化。這些比較表明，對于給定的應用為放大器提供可選的穩定網(wǎng)絡(luò )，在增益、噪聲和穩定性之間取得折中是可能的。
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