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(yù)測性能，設(shè)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(fù)載電路。因?yàn)镾參數(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(fù)載電路。(圖1)
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即使在裝置端口沒有真實(shí)的波導(dǎo)線，我們也可以應(yīng)用反射系數(shù)和移動波的概念。假設(shè)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(luò)，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(dá)式：
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如果S12 = 0，則ΓIN = S11，ΓOUT = S22。此外，如果S12 = 0，則傳感器增益變?yōu)椋?
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可以被分解為三個獨(dú)立的增益系數(shù)：
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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：
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然后
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類似，最大化GL時，ΓL的值選擇如下：
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然后
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在單向假設(shè)的基礎(chǔ)下，S12 = 0，則從晶體管獲得的最大增益為：
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這樣可以得到全部增益(dB)(圖3)：
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這里可以認(rèn)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(shí)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(shí)值就和計算的單向增益GTU有關(guān)了：
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這里：
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由于U值取決于S參數(shù)和單向品質(zhì)因數(shù)，則U值隨頻率的變化而變化。對于晶體管2N6679A，應(yīng)用表10.1-1中所示的在1 GHz處的S參數(shù)值，U計算如下：
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可見，在1 GHz處晶體管2N6679A可以應(yīng)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(yīng)用單向增益設(shè)計，50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆S = ZIN*，50Ω的負(fù)載電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆L = ZOUT*。由S參數(shù)可得：
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規(guī)格化：
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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(shí)現(xiàn)的，但應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件卻是容易實(shí)現(xiàn)的。修正的S參數(shù)如表1所示。
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對于放大器匹配問題有很多處理方法。例如，可以應(yīng)用Q匹配方法。為了把一個電阻RH轉(zhuǎn)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?
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有必要把50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)閆IN*，這樣：
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先把50Ω的源極電阻轉(zhuǎn)變?yōu)?0.43 Ω：
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把50 Ω的電阻轉(zhuǎn)變?yōu)楦偷碾娮?圖4)，先在該50 Ω的電阻上并聯(lián)一個旁路電抗。因?yàn)樽罱K的轉(zhuǎn)化值ZS有感性部分，則該旁路電抗應(yīng)選擇一個電容器。當(dāng)Q為1.948時，則L1的電抗為+25.667 Ω。L1可以這樣得到：
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正確的等效電路要求有10.43Ω的實(shí)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：
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最后的電路和性能如圖5所示。
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由于輸出的調(diào)整，增益S21在1 GHz處的值為18.4 dB，對比穩(wěn)定化(未調(diào)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(jìn)。這樣穩(wěn)定后的晶體管就調(diào)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(luò)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(fù)這些損失，增益應(yīng)該再增加0.8 dB。調(diào)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(fù)載電阻就被轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閺?fù)雜的值或?yàn)椋?
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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(yīng)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(fù)載轉(zhuǎn)換到等式22中的ZL，這個過程通過7.43nH的電感.L3而完成。具有單側(cè)調(diào)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(dāng)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(dāng)晶體管內(nèi)部反饋S12,忽略時，這些不準(zhǔn)確性出現(xiàn)在單側(cè)增益方法中是可以預(yù)見的。
為了最優(yōu)化性能，可能需要尋找電源和負(fù)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
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