transistor stabilization

S t a b i l i z a t i o n o fMi cro wa ve A m p l i f i ersS a d i a N a wa z , S t u d en t Mem b er, IEEEH a l eem a Mehm o o dF i n a l - Y ea r S t u d en t s , D ep a rt m en t o f El ect ri ca l En g i n eeri n g ,U n i vers i t y o f En g i n eeri n g &T echn o l o g y , L a ho res i m p l y 2 s m a rt @ g g m a i l .co m ,n a n ha l eem @ ho t m a i l . co mA b s t ra ctIn t hi s p a p er t he co n cep t o fs t a b i l i t y , i n t he d es i g no f m i cro wa ve t ra n s i s t o r a m p l i f i ers i s d i s cu s s ed a l o n gwi t h va ri o u s m et ho d s o f s t a b i l i z i n g t he p o t en t i a l l yu n s t a b l e d evi ce. T he va ri o u s t echn i q u es a re t heni l l u s t ra t ed wi t h t he hel p o f a d es i g n ex a m p l e u t i l i z i n gt he p a ra m et ers o f a t y p i ca l s m a l l s i g n a l m i cro wa veBJT1 . In t ro d u ct i o nIn t he d es i g n o f m i cro wa ve a m p l i f i ers , s t a b i l i t y i sa m a j o r co n cern . S t a b i l i t y o f a d evi ce i s i t s res i s t a n cet o o s ci l l a t e. T he d evi ce s ho u l d n o t o n l y b e s t a b l e i n t hed es i red f req u en cy ra n g e b u t i t m u s t a l s o p o s s es s o u t o fb a n d s t a b i l i t y t o a vo i d u n d es i red o s ci l l a t i o n s i n o u t p u tres p o n s e.S t a b i l i t y o f a d evi ce ca n ea s i l y b e d et erm i n ed b yi t s S p a ra m et ers ; whi ch a re ef f ect i ve f o r s m a l l - s i g n a ld es i g n i n l i n ea r, cl a s s A a m p l i f i ers . S p a ra m et ers ca nb e u t i l i z ed f o r a m p l i f i ers ru n n i n g u n d er 1 wa t t o fp o wer [1 ].A s f a r a s t he d evi ce i s co n cern ed i t m a y b eu n co n d i t i o n a l l y s t a b l e o r p o t en t i a l l y u n s t a b l e [2 ]. T hem a j o r rea s o n f o r i n s t a b i l i t y i s t he n eg a t i ve res i s t a n ce a tt he i n p u t o r t he o u t p u t p o rt . A n eg a t i ve res i s t a n cei m p l i es a ref l ect i o n co - ef f i ci en t ha vi n g a m a g n i t u d eg rea t er t ha n o n e. C o n d i t i o n s f o r u n co n d i t i o n a l s t a b i l i t ya t a g i ven f req u en cy a re[2 ]:IF IN IIF O U T I= IIF s l OT he f o l l o wi n g m et ho d s ca n b e u s ed t o a t t a i n s t a b i l i t y :2 . 3 . 1 . In p u t R es i s t i ve L o a d i n g . A n i n p u t ( b a s e o rg a t e) s eri es o r s hu n t res i s t a n ce ca n b e u s ed t o ca n celo u t t he n eg a t i ve res i s t a n ce p a rt ; i t wi l l s t a b i l i z e t het ra n s i s t o r b u t a t t he ex p en s e o f s i g n i f i ca n t g a i nred u ct i o n a n d i n crea s ed n o i s e f i g u re. H en ce t hi st echn i q u e ca n n o t b e u s ed i n d es i g n s where n o i s e i s am a j o r co n cern .2 . 3 . 2 . O u t p u t R es i s t i ve L o a d i n g . A d d i n g a l o w va l u es eri es res i s t o r a t t he o u t p u t ( co l l ect o r o r d ra i n ) f o rcess t a b i l i t y o ver a wi d e b a n d o f f req u en ci es . T he hi g hert he res i s t o r va l u e t he b et t er t he s t a b i l i t y . It a l s o red u cest he g a i n o f t he d evi ce b u t t o a n a ccep t a b l e l evel . T heef f ect o n n o i s e f i g u re i s m i n u t e. V a l u es o f res i s t o r u p t o2 0Q ca n s a f el y b e u s ed . T hi s i s t he m o s t f req u en t l yu s ed t echn i q u e f o r a t t a i n i n g wi d eb a n d s t a b i l i t y .O u t p u t s hu n t res i s t a n ce ca n a l s o b e u s ed t o ca n celt he n eg a t i ve res i s t a n ce a t t he o u t p u t t erm i n a l .H o wever, t hi s t echn i q u e i s n o t a s ef f ect i ve a s s eri esres i s t i ve l o a d i n g a t t he o u t p u t . It a l s o red u ces t he g a i no ft he d evi ce.A s eri es t ra n s m i s s i o n l i n e m a y a l s o b e a d d edb ef o re t he s eri es res i s t a n ce. It s ef f ect i s , ho wever,d evi ce d ep en d en t . In a d d i t i o n t o p ro vi d i n g s t a b i l i t y , i tca n ; i n s o m e ca s es ; a l s o i m p ro ve t he g a i n .2 . 3 . 3 . R es i s t a n ce i n Bi a s L i n e. F o r b i a s s u p p l yd eco u p l i n g , u s u a l l y a n i n d u ct o r o r cho k e i s u s ed . T hi si n d u ct o r o r cho k e rep res en t s a n o p en ci rcu i t a t t hed es i g n ed f req u en cy b u t a s t he f req u en cy va ri es ; i td evi a t es f ro m i t s i d ea l o p en ci rcu i t b eha vi o r. T hi sd evi a t i o n ca n crea t e i n s t a b i l i t y a t l o w f req u en ci es . Ino rd er t o a vo i d i t ; we p u t a s m a l l va l u e res i s t o r i n t heb i a s s u p p l y l i n e ( a b o ve t he d i s t ri b u t ed / l u m p ed cho k e) .T hi s a d d ed res i s t o r ha s n o ef f ect o n ci rcu i tp erf o rm a n ce a t a n d a ro u n d t he cen t er f req u en cy . A tl o w f req u en ci es , ho wever, i t hel p s i n s t a b i l i z i n g t hed evi ce. T hi s m et ho d i s a p p l i ed when o u r d evi ce i ss u f f i ci en t l y s t a b l e a t hi g h f req u en ci es a n d o n l y t he l o wf req u en cy s t a b i l i t y i s a p ro b l em .It s ho u l d b e n o t ed here t ha t t he vo l t a g e d ro pca u s ed b y t hi s res i s t o r i n t he b i a s l i n e m u s t b ea cco u n t ed f o rwhen d es i g n i n g t he b i a s i n g ci rcu i t .2 . 4 C o m m o n T erm i n a l In d u ct a n ceA n y i n d u ct a n ce a t t he co m m o n t erm i n a l ( em i t t ero r s o u rce) i n crea s es s t a b i l i t y a t t he co s t o f g a i nred u ct i o n . T hi s a d d ed i n d u ct a n ce a l s o hel p s t o i m p ro vet he i n p u t V S WR a n d n o i s e f i g u re.C a re s ho u l d b e t a k en t ha t t he a m o u n t o fi n d u ct a n ce a d d ed i s very l o w b eca u s e ex ces s i ve s o u rceo r em i t t er i n d u ct a n ce ca n a ct a d vers el y t o ca u s ei n s t a b i l i t y a n d g a i n p ea k i n g . T he s m a l l va l u e o fi n d u ct a n ce req u i red ca n b e i n t ro d u ced i n t he f o rm o fs l i g ht l y l o n g er s o u rce l ea d s o r vi a ho l es t o g ro u n d .N O T E: It s ho u l d b e n o t ed t ha t t he el em en t s u s ed f o ra t t a i n i n g s t a b i l i t y m a y b e t rea t ed a s a p a rt o f t hed evi ce, f o r f u rt her d es i g n i n g o ft he a m p l i f i er.3 . D es i g n Ex a m p l eIn t hi s d es i g n a l o w n o i s e BJT i . e. , In f i n eo n ' s BF P47 0f i s u s ed . T he s i m u l a t i o n res u l t s a re o b t a i n ed b yu s i n g A g i l en t ' s A D S s o f t wa re. We a re i l l u s t ra t i n gd i f f eren t m et ho d s o f s t a b i l i z i n g t he t ra n s i s t o r o ver awi d e b a n d o f f req u en ci es wi t h t he hel p o f s i m u l a t edres u l t s a n d p res en t i n g t hem i n t a b u l a r f o rm . S p eci a lem p ha s i s i s p a i d t o t he n o i s e f i g u re o ft he d evi ce.A f t er cho o s i n g a p ro p er t ra n s i s t o r, t he n ex t s t ep i st o s el ect a n a p p ro p ri a t e b i a s p o i n t . S i n ce t he Sp a ra m et ers o f a n y d evi ce a re d i rect l y rel a t ed wi t h Qp o i n t , s o s t a b i l i t y i s a l s o d ep en d en t u p o n i t . T herel a t i o n s hi p b et ween t he t wo va ri es f ro m d evi ce t od evi ce. A s f a r a s o u r cho s en d evi ce i s co n cern ed ,s t a b i l i t y i m p ro ves a s t he b i a s cu rren t i s i n crea s ed .S o t here i s a t ra d eo f f b et ween s t a b i l i t y a n d p o werreq u i rem en t . In o u r d es i g n ex a m p l e, we ha ve cho s en ab i a s p o i n t o f 2 . 5 V a n d 2 0m A .T he s i m u l a t ed res u l t s f o r t he s t a b i l i t y f a ct o r K, t hem a x i m u m g a i n a n d t he m i n i m u m n o i s e- f i g u re a reg i ven .T a b l e 1 . T ra n s i s t o r wi t h 5 0. 0 t erm i n a t i o n sf req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 1 41 3 2 . 5 8 3 0. 41 91 . O O O G H z 0. 2 7 3 2 9 . 5 44 0. 5 081 . 5 00G H z 0. 3 9 2 2 7 . 7 2 5 0. 5 9 72 . 000G H z 0. 5 2 7 2 6 . 41 3 0. 6 7 02 . 5 00G H z 0. 6 3 9 2 5 . 3 1 4 0. 7 1 43 . 000G H z 0. 7 3 9 2 4. 3 3 7 0. 7 3 63 . 5 00G H z 0. 8 2 5 2 3 . 5 5 9 0. 7 5 84. 000G H z 0. 8 9 8 2 2 . 8 09 0. 7 8 04. 5 00G H z 0. 9 5 7 2 2 . 1 3 7 0. 8 005 . 000G H z 1 . 06 1 2 0. 000 0. 8 2 05 . 5 00G H z 1 . 07 9 1 9 . 07 8 0. 8 6 56 . 000G H z 1 . 1 02 1 8 . 1 9 2 0. 9 1 0T a b l e 2 . Wi t h 3 . 3 . 0s eri es res i s t o ra t i n p u tT a b l e 3 . Wi t h47 . 0 s hu n t res i s t o r a t i n p u tA s evi d en t f ro m t he a b o ve g i ven res u l t s , ares i s t a n ce co n n ect ed a t i n p u t hel p s i n s t a b i l i z i n g t hed evi ce b u t t he co s t p a i d i s g a i n red u ct i o n a n d n o i s ef i g u re d et eri o ra t i o n .T a b l e 4. Wi t h 1 8 . 0 s eri es o u t p u t res i s t a n ceIt ca n b e s een f ro m t he t a b l e t ha t t he o u t p u t s eri esres i s t a n ce ha s m o re ef f ect a t el eva t ed f req u en ci es . Inco n t ra s t t o t he i n p u t res i s t a n ce m et ho d , t he d eg ra d a t i o no fn o i s e f i g u re i s n eg l i g i b l e.T ab l e 5 . Wi t h 1 8 m m ( 5 0. 0) t ra n s m i s s i o n l i n ea n ds eri es 1 8 . 0 res i s t o rT he t ra n s m i s s i o n l i n e hel p s i n i m p ro vi n g t he s t a b i l i t ya s wel l a s t he g a i n . T he n o i s e f i g u re, ho wever, i s o n l ys l i g ht l y a f f ect ed .T a b l e 6 . Wi t h 1 8 m m ( 5 0. 0) t ra n s m i s s i o n l i n e,s eri es 1 8 . 0 res i s t o r a n d vi a sT he a d d i t i o n o f vi a s ha s f u rt her i m p ro ved s t a b i l i t ya n d d ecrea s ed t he g a i n .f req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 1 5 0 3 2 . 5 8 3 0. 41 91 . O O O G H z 0. 2 9 4 2 9 . 5 44 0. 5 091 . 5 00G H z 0. 42 6 2 7 . 7 2 5 0. 5 9 92 . 000G H z 0. 5 8 5 2 6 . 41 3 0. 6 7 42 . 5 00G H z 0. 7 09 2 5 . 3 1 4 0. 7 2 23 . 000G H z 0. 8 2 8 2 4. 3 3 7 0. 7 473 . 5 00G H z 0. 9 3 2 2 3 . 5 5 9 0. 7 7 34. 000G H z 1 . 01 6 2 2 . 03 2 0. 8 024. 5 00G H z 1 . 08 8 2 0. 3 3 2 0. 8 2 95 . 000G H z 1 . 2 03 1 8 . 7 8 3 0. 8 5 55 . 5 00G H z 1 . 2 1 5 1 7 . 9 9 2 0. 9 036 . 000G H z 1 . 2 2 3 1 7 . 2 8 8 0. 9 42f req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 3 47 3 2 . 5 8 3 0. 42 01 . O O O G H z 0. 6 5 5 2 9 . 5 44 0. 5 1 11 . 5 00G H z 0. 8 9 3 2 7 . 7 2 5 0. 6 032 . 000G H z 1 . 07 6 2 4. 7 3 2 0. 6 8 02 . 5 00G H z 1 . 1 5 9 2 2 . 8 9 3 0. 7 2 73 . 000G H z 1 . 1 7 2 2 1 . 8 2 8 0. 7 5 03 . 5 00G H z 1 . 1 3 3 2 1 . 3 45 0. 7 7 44. 000G H z 1 . 06 9 2 1 . 2 06 0. 7 9 74. 5 00G H z 1 . 01 5 2 1 . 3 7 5 0. 8 1 95 . 000G H z 1 . 09 4 1 9 . 6 3 9 0. 8 455 . 5 00G H z 1 . 1 1 9 1 8 . 6 9 9 0. 8 9 76 . 000G H z 1 . 2 1 0 1 7 . 3 6 9 0. 9 41f req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 1 7 3 3 2 . 5 8 3 0. 6 2 51 . O O O G H z 0. 3 40 2 9 . 5 44 0. 7 2 61 . 5 00G H z 0. 49 3 2 7 . 7 2 5 0. 8 3 92 . 000G H z 0. 6 6 5 2 6 . 41 3 0. 9 422 . 5 00G H z 0. 8 1 2 2 5 . 3 1 4 0. 9 6 93 . 000G H z 0. 9 42 2 4. 3 3 7 1 . 0033 . 5 00G H z 1 . 05 5 2 2 . 1 2 1 1 . 01 74. 000G H z 1 . 1 5 5 2 0. 42 1 1 . 0094. 5 00G H z 1 . 2 3 5 1 9 . 2 1 7 1 . 01 85 . 000G H z 1 . 3 5 3 1 7 . 9 5 3 1 . 03 35 . 5 00G H z 1 . 3 7 6 1 7 . 1 3 5 1 . 1 1 16 . 000G H z 1 . 407 1 6 . 3 3 9 1 . 2 46f req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 1 8 1 3 2 . 5 8 3 2 . 7 7 71 . O O O G H z 0. 2 8 4 2 9 . 5 44 2 . 7 7 51 . 5 00G H z 0. 404 2 7 . 7 2 5 2 . 7 5 22 . 000G H z 0. 5 6 6 2 6 . 41 3 2 . 6 8 82 . 5 00G H z 0. 7 08 2 5 . 3 1 4 2 . 7 003 . 000G H z 0. 8 3 0 2 4. 3 3 7 2 . 7 5 43 . 5 00G H z 0. 9 43 2 3 . 5 5 9 2 . 8 474. 000G H z 1 . 03 2 2 1 . 7 1 7 2 . 9 7 44. 5 00G H z 1 . 1 09 2 0. 1 2 6 3 . 05 15 . 000G H z 1 . 2 42 1 8 . 5 43 3 . 1 1 85 . 5 00G H z 1 . 2 46 1 7 . 8 05 2 . 9 8 46 . 000G H z 1 . 2 3 8 1 7 . 1 9 6 2 . 7 2 4f req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 0. 3 7 9 3 2 . 5 6 1 0. 42 01 . O O O G H z 0. 7 1 8 2 9 . 46 8 0. 5 1 11 . 5 00G H z 0. 9 8 3 2 7 . 5 6 0 0. 6 042 . 000G H z 1 . 1 8 8 2 3 . 5 1 4 0. 6 8 02 . 5 00G H z 1 . 2 8 3 2 1 . 7 1 0 0. 7 2 83 . 000G H z 1 . 3 02 2 0. 5 2 0 0. 7 5 23 . 5 00G H z 1 . 2 6 1 1 9 . 8 44 0. 7 7 64. 000G H z 1 . 1 8 4 1 9 . 46 0 0. 7 9 94. 5 00G H z 1 . 1 1 1 1 9 . 2 8 2 0. 8 2 15 . 000G H z 1 . 1 3 0 1 8 . 3 7 2 0. 8 455 . 5 00G H z 1 . 1 2 3 1 7 . 6 7 8 0. 8 9 66 . 000G H z 1 . 1 8 1 1 6 . 5 2 7 0. 9 3 9T a b l e 7 . Wi t h 1 8 m m ( 5 0. 0) t ra n s m i s s i o n l i n e,s eri es 1 8 . 0 res i s t o r, vi a s a n d 3 3 . 0 res i s t o r a b o veco l l ect o r cho k ef req S t a b F a ct l Ma x G a i n l N F m i n5 00. 0MH z 2 . 08 4 2 6 . 6 3 8 0. 43 71 . O O O G H z 1 . 2 48 2 6 . 47 0 0. 5 2 31 . 5 00G H z 1 . 2 3 9 2 4. 6 1 3 0. 6 1 12 . 000G H z 1 . 3 9 8 2 2 . 3 8 3 0. 6 8 62 . 5 00G H z 1 . 5 1 8 2 0. 6 5 5 0. 7 3 43 . 000G H z 1 . 5 7 4 1 9 . 3 6 1 0. 7 6 13 . 5 00G H z 1 . 5 5 7 1 8 . 5 2 1 0. 7 8 84. 000G H z 1 . 49 2 1 7 . 9 09 0. 8 1 64. 5 00G H z 1 . 45 2 1 7 . 3 1 8 0. 8 435 . 000G H z 1 . 5 9 1 1 6 . 049 0. 8 7 95 . 5 00G H z 1 . 8 1 0 1 4. 6 04 0. 9 5 46 . 000G H z 2 . 2 5 9 1 2 . 7 8 5 1 . 03 3F i n a l l y wi t h t he a d d i t i o n o f a 3 3 Q res i s t o r i n t heb i a s l i n e, s t a b i l i t y o vert he en t i re ra n g e i s a chi eved .4. C o n cl u s i o nA t ho ro u g h s t u d y o f va ri o u s m et ho d s o f s t a b i l i z i n ga m i cro wa ve t ra n s i s t o r ha s b een p res en t ed . T he d es i g nex a m p l e i l l u s t ra t es a s t ep b y s t ep p ro ces s o f t ra n s i s t o rs t a b i l i z a t i o n . Ef f ect s o n n o i s e f i g u re a n d g a i n ha ve a l s ob een d i s cu s s ed .5 . A ck n o wl ed g em en t sWewi s h t o ex p res s o u r m o s t s i n cere g ra t i t u d e a n da p p reci a t i o n t o o u r a d vi s o r, D r. R a n a In a m El a hi f o rhi s i n va l u a b l e s u p p o rt a n d g u i d a n ce d u ri n g o u rwo rk .We a l s o wi s h t o a ck n o wl ed g e Mr. Mu ha m m a dA hm a d ' s hel p .6 . R ef eren ces[1 ] C o t t er W. S a y re, C o m p l et e Wi rel es s D es i g n .McG ra w- H i l l .[2 ] G . G o n z a l ez , Mi cro wa ve T ra n s i s t o rA m p l i f i ers , A n a l y s i s a n d D es i g n . Pren t i ceH a l l , U p p er S a d d l e R i ver, N J, 1 9 9 7 .[3 ] R o y H ej ha l l , "R F S m a l l S i g n a l D es i g nU s i n g T wo Po rt Pa ra m et ers , " F rees ca l eS em i co n d u ct o r, In c, 1 9 9 3 , R ev 0.D o cu m en t : A N 2 1 5 A .