低雑音増幅器(LNA)が動作している(電源が入っており、増幅動作をしている)状態でTDR(Time Domain Reflectometry)測定を行うと、停止時とは全く異なる複雑な反射波形が観測されます。これは、LNAの入力インピーダンスがバイアス条件や入力信号強度によって動的に変化するためです。
1. 動作状態でのTDR反射の特徴
LNA動作時には、単純な「OPEN」「SHORT」「50Ω」といったパッシブな反射ではなく、以下の要素が複合的に現れます。
入力整合回路(マッチング回路)の影響: LNAは通常、動作周波数においてソースインピーダンス(通常(50Ω))と共役整合するように設計されています。したがって、動作周波数帯域内では反射が最小(インピーダンスが(50Ω)に近づく)になる波形が期待されます。
能動素子(トランジスタ)のインピーダンス変化: 動作中、入力側の反射係数(S11))はトランジスタのバイアス状態や増幅器の負荷条件に依存します。TDRの高速パルス(広帯域信号)が入力されると、整合帯域外での高インピーダンスや容量性/誘導性成分が反射波として現れる場合があります。
非線形動作による波形の歪み: TDRのパルス電圧が大きい場合、LNAが飽和し、動作点が非線形領域に入るため、反射波形が入力電圧レベルに依存して変化します。
負性抵抗の可能性: コレクタ(またはドレイン)側の出力インピーダンスが安定していない場合、反射波形に負性抵抗成分(全反射以上、あるいは位相が反転した状態)が混ざることがあります。
2. 反射波形の解釈
TDRで観測される電圧反射係数ρは、以下の式で表されます。
動作時のLNA入力は、静的な50Ωマッチングとは異なり、周波数依存性が強いため、TDRのステップ状信号に対しては、不連続点から容量性(低下傾向)や誘導性(上昇傾向)への遷移が見られる場合が多いです。
3. 注意点
測定系の保護: LNAが動作している場合、DCバイアスや、LNAが発生させる信号がTDR計測器(サンプリングオシロスコープ)に入り込み、故障の原因となる可能性があるため、DCブロックが必要です。
解釈の難しさ: 動作中の能動回路における反射解析は、パッシブ回路に比べて複雑であり、Sパラメータ(S11)を基にしたシミュレーションと実測値の照合が不可欠です。
動作状態でのTDRは、特に電源投入時や信号入力時のLNAの入力インピーダンスの動的な変化を解析するのに有効です。
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