T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y2020 ,   pp .   179 ~ 190   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i1. 10120     179       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   N egat i ve  res i s t ance  am pl i f i er  ci rc ui t   usi ng    G aA s F E T   m odel l ed  s i ngl ME SF E T       Ol as u n k an m i   Oj e wand e ,   Charle s   Ndu j i u b a,   Ad e b iyi   A.   Adelak u n ,     S e gu n   I .   P op oola ,   Ader e m i   A.   At aye r o   D ep ar t men t   o E l ect r i cal   a n d   In f o rmat i o n   E n g i n eer i n g ,   Co v e n an t   U n i v er s i t y ,   O t a,   N i g eri a       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  M a 31 ,   20 18   R e vis e F e b   23 ,   20 1 9   Ac c e pted  M a r   1 2 ,   20 19       N eg a t i v res i s t an ce  d ev i ces   h av a t t rac t ed   m u ch   a t t e n t i o n   i n   t h w i re l es s   co mmu n i ca t i o n   i n d u s t ry   b ecau s o t h ei l o w   co s t ,   b et t er  p erfo rman ce,   h i g h   s p ee d ,   an d   red u ced   p o w er  re q u i remen t s .   A l t h o u g h   n eg at i v res i s t an ce   ci rcu i t s   are  n o n - l i n ear  ci rcu i t s ,   t h e y   are  as s o c i at e d   w i t h   d i s t o r t i o n ,   w h i c h   may   ei t h er  b amp l i t u d e - to - amp l i t u d d i s t o rt i o n   o amp l i t u d e - to - p h a s d i s t o r t i o n .   In   t h i s   p ap er,   u n i q u w a y   o rea l i z i n g   n e g at i v r es i s t a n ce  amp l i f i er  i s   p ro p o s ed   u s i n g   s i n g l met a l - s em i co n d u ct o fi el d - effec t   t ra n s i s t o r   (ME SFE T ).   In t ermo d u l at i o n   d i s t o rt i o n   t es t   (IMD i s   p erfo rmed   t o   ev al u at e     t h ch arac t eri s t i res p o n s e   o t h n e g at i v re s i s t a n ce   ci rcu i t   amp l i f i er  t o   d i ffere n t   b i a s   v o l t a g es   u s i n g   t h h arm o n i b al a n ce  (H B)  o t h ad v a n ced   d es i g n ed   s o f t w are   ( A D 2 0 1 6 ).   T h res u l t s   o b t a i n e d   a re  co mp are d   t o   t h o s e   o co n v en t i o n al   d i s t r i b u t e d   amp l i fi e r.   T h fi n d i n g s   o t h i s   s t u d y   s h o w e d   t h a t   t h n e g at i v re s i s t a n ce  amp l i f i er  s p rea d s   o v er  w i d er  freq u en c y   o u t p u t   w i t h   red u ce d   p o w er  req u i remen t s   w h i l t h co n v en t i o n a l   d i s t ri b u t ed   amp l i fi er  h a s   d i rec t   cu rre n t   ( D C)  o ffs e t   w i t h   o u t p u t   v o l t ag o 3 2 . 3 4   d Bm.   K e y w o r d s :   C onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ier   ( C DA )     I nter modul a ti on  dis tor ti on  ( I M D)     Ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   M e tal - s e mi c onduc tor     f ield - e f f e c tr a ns is tor   ( M E S F E T )   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Ola s unka nmi   Oje wa nde   De pa r tm e nt  of   E lec tr ica a nd   I nf o r mation  E nginee r ing,   C ove na nt  Unive r s it y,     Ota ,   Nige r ia.   E mail:   olas unka nmi . ojew a nde @s tu. c u. e du. ng       1.   I NT RODU C T I ON   W ir e les s   c omm unica ti on  indus tr ha s   c onti nue to  witnes s   e xpone nti a gr owth  due   to  r e c e nt  a dva nc e s   in  moder e lec tr onics   a nd  s e mi c onduc tor   tec hnologi e s   [1 - 4] .   T he r e f or e ,   a de qua te  c ons ider a ti on  mus be   given  to  high  qua li ty  pe r f o r manc e ,   low  po we r   c ons umpt ion,   c os t,   a nd  s ize   r e duc ti on  in  the  d e s ign  of   e lec tr o nic  c ir c uit s   o f   wi r e les s   c omm unica ti on  s ys tems   [ 5] .   A   pr a c ti c a l   os c il lator   s e r ve s   a s   e ne r gy  s our c e   in   mi c r owa ve   s ys tems ,   int e gr a ted  a ntenna s ,   R a dio  De tec ti on  a nd   R a nging  ( R AD AR ) ,   a nd   s a telli te  c omm unica ti on  s ys tems   [ 6] .   Voltage - co ntr oll e os c il lator s   ( VC Os )   is   c omm only  us e be c a us e   of     the  s igni f ica nt  r e duc ti on   in  e lec tr ica powe r   r e qui r e ments   in  moder c omm unica ti on   s ys tems   [7 - 9]   T he   c onc e pt  o f   ne ga ti ve   dif f e r e nti a r e s is tanc e   ( ND R )   is   mos tl a ppli e d   to   pr oduc e   os c il lation   in   wir e les s   c omm unica ti on  s ys tems   a a   de s ir e f r e que nc y   [ 10,   11 ] .   ND R   is   of ten  e mpl oye d   in   l ogic  a nd  memor c i r c uit s   [ 12 - 14] .   T he   r e s ona nc e   tunneling   diode   ( R T D )   ha s   ga ther e d   much   a tt e nti on   in   pr od u c ing  a n   ND R   c ha r a c ter is ti c   in  whic the  s lope  is   ne ga ti ve   in  the  I - c ur ve   [ 15 ] .   T he   c i r c uit   that   us e s   ne ga ti ve   dif f e r e nti a l   r e s is tanc e   de vice   c ir c uit s   ha s   h ig s pe e pa r ti c ular ly   whe n   R T D   is   int e gr a te d   with     he ter o - junction  bipol a r   tr a ns is tor s   ( HB T s ) .   C hoi  e a [ 6]   s howe that  a   ne ga ti ve   r e s is tanc e   de vice   that  is   e na bled  with  HB T s   will   de li ve r   high  s pe e in  mos pr a c ti c a monol it hic  mi c r owa ve   int e gr a ted   c ir c uit s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I S S N : 1693 - 6930   T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020:    179   -   190   180   ( M M I C s )   a s   obtaina ble  in  VC Os   a nd  mos c on ve r ter s ,   whe ther   a na logue  or   digi tal.   T he   c ur r e n t - volt a ge   pr ope r ty   of   a n   ND R   de vice   c a n   pr ovide   va r ious   s tea dy  s tate s   that  ha ve   the   c a pa c it to   incr e a s e   the   s witching  a nd  memor f unc ti ona li ty  pe r   de s ign  a nd  c i r c uit   r o bus tnes s   a nd  lowe r   powe r   c ons umpt ion   [ 16 - 18] .   Ne ga ti ve   r e s is tanc e   de v ice s   ( NR Ds )   pr e s e nt  a in ter e s ti ng  s olut ion  by  c ompens a ti ng  f o r   pa s s - ba nd   ins e r ti on  los s   in  ga in  e nha nc e r s   tunabl e   a ppli c a ti ons   [ 10,   19] .   T he   be ne f it s   of   lowe r   c os t,   s maller   s ize s   a nd   we ight   a uthentica te  the  de ve lopm e nt   of   f ul ly  in tegr a ted  M icr owa ve   s ys tems   a nd  R a dio  F r e que nc ( R F )   us ing   M M I C   tec hnologi e s   [ 20 - 22] .   T he   r e a li z a ti on  o f   N R Ds   us ing  a   dif f e r e nt   c onf igur a ti on   of   F E T   a nd  M OSF E T   is   pr opos e in   [ 23,   24] .   R F   a mpl if ier s   a r e   de s igned  to  incr e a s e   a   low  s ignal  to  a   pa r ti c ular   powe r   leve that  is   s uf f icie nt  in  c omm unica ti ng  f r om  a   t r a ns mi tt e r   t the  r e c e iver   thr ough  s pa c e .   T he   int r oduc ti on  o f   a   lar ge   s ignal  int a a na logue  s ys tem s   or   R F   powe r   a m pli f ier   is   us ua ll a c c ompanie by  dis tor ti on  whic c a e xhibi it s e lf   in  di f f e r e nt   f or ms   s uc a s   a mpl it u de   dis tor ti on,   pha s e   dis tor ti on   or   ga in  c omp r e s s ion  whe dr iven  by   a   s ingl e   s ignal   but   f or   a   two  tone   o r   mul ti p le  s ignal  it   a ppe a r s   a s   a n   in - ba nd  f r e que nc or   int e r modul a ti on  dis tor t ion   ( I M D) .   I nter modul a ti on   dis tor ti on   is   a n   im por tant   met r i c s   f or   mea s ur ing  li ne a r i ty  o f   a   wide   r a nge   R F   mi c r owa ve   c omponents   [ 25,   26] .   I de s c r ibes   the  r a ti be twe e the  powe r s   of   f unda menta tones   in  de c ibel  ( dB ) .   L inea r it is   c r uc ial   to   a ll   tele c omm unica ti on  de vice s   a s   it   c a n   e nha nc e   the  pe r f or manc e   of   a   wir e les s   c omm unica ti on  s ys tems .   F ur ther mor e ,   a   s ingl e   s ta ge   c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ier   is   a ls de s igned  us ing   our   de s igned  tool   a nd  the  c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ier   is   a ls model  a s   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   c ir c uit   a mpl if ier   by   us ing  the  s a me  ga ll ium   a r s e nide  f ield - e f f e c tr a ns is tor   ( Ga As F E T )   mo de f or     meta l s e mi c onduc tor   f ield - e f f e c t   T r a ns is tor   ( M E S F E T ) .   T he   ha r moni c   ba lanc e   is   us e to   pe r f o r m     the  r e quir e f r e que nc r e s pons e   of   both  de vice s   t mea s ur e   the  int e r modul a ti on  dis tor ti on  a t   a   f r e q ue nc of     GH z   to  6   GH z   a a   s tep  of   100   M Hz .   I nter modul a ti on  Dis tor ti on   ( I M D)   is   a   ve r us e f ul  metr ics   f or   l inea r it of   a   wide   r a nge   c omm unica ti on  de vice s .   T he   ope r a ti ons   o f   I M i s   pe r f or med  by   the  int r oduc ti on  o f   a   two - tone  s ig na int   the  de vice s - unde r - tes ( DU T )   s uc a s   a mpl i f ier s   or   pr e - a mpl if ier s   s pe c if ica ti ons   [ 27] .   li ne a r   a mpl if ier   a lwa ys   pr oduc e s   a output   s ignal  that  would  be   t wo  tones   of   the  e xa c s a me  f r e que nc s im il a r   to  the  input   s ignal.   I thi s   pa pe r ,   a   unique   wa of   r e a li z ing  a   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   p r opos e us ing  a   s ingl e     meta l - s e mi c ondu c tor   f ield - e f f e c tr a ns is tor   ( M E S F E T ) .   I M is   pe r f or med  to   e va luate   the  c ha r a c ter is ti c   r e s pons e   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   c ir c uit   a mpl i f ier   to  d if f e r e nt   bias   volt a ge s   us ing  the  ha r moni c   ba lanc e   ( HB )   of   the  a dva nc e de s igned  s of twa r e   ( AD S   2016) .   T he   r e s ult s   obt a ined  a r e   c ompar e to   th os e   of   a   c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ie r .       2.   M AT E R I AL S   AN M E T HO DS   T he r e   a r e   dif f e r e nt  methods   of   li ne a r izing  a n   R F   powe r   a mpl if ier   a nd  the  be s method  f o r   li ne a r iza ti on  of   a n   R F   powe r   a mpl i f ier   is   the  p r e - dis tor ti on  method .   T his   method   is   mor e   pr omi ne nt   due   to   it s   r e duc ti on  in  c os a nd  it   a ls of f e r s   a   wide r   r a n ge   of   ba ndwidth  s ince   it   ha s   a ope loop  s tr uc tur e   a nd  f ur ther mor e   it   ha s   a   low - powe r   c ons umpt ion  [ 28 - 30] .   T he   li ne a r it pe r f or manc e   of   a R F   powe r   a mpl if ier   a lwa ys   de pe nds   on   the  nonli ne a r   pr ope r ty  of   the  a mpl if ier .   T he   nonli ne a r it be ha vio r   of   a a mpl i f ier   f or   a   memor y - les s   s y s tem  c a be   pr e dicte by  mea s ur ing  the  a mpl it ude - to - a mpl it ude   modul a ti on  a nd    a mpl it ude - to - pha s e   modul a ti on.   T he   int r oduc ti on  of   a   two - tone  s ignal  int o   a R F - powe r   a mpl i f ie r   i s   us ua ll mea s ur e dir e c tl by  the  de s igner   a nd  the  mea s ur e da ta  is   then  us e to  de ter mi ne   the  li ne a r it of     the  a mpl if ier .   T he   int e r modul a ti on   dis tor ti on  mag nit ude   is   mea s ur e by  a   s pe c tr um  a na lyze r   a nd  th e   I M D’ s   c omponent  is   us ua ll mea s ur e dir e c tl y   by    t he   dif f e r e nc e   be twe e the  pha s e   a nd  the  f und a menta l   int e r modul a ti on  c omponents   [ 31] .   T a ble  p r e s e nts   the  mea s ur e   of   int e r modul a ti on   dis tor ti on   of   two     dif f e r e nt  f r e que nc ies .         T a ble  1.   I nter modu lation  dis tor ti on   f r e que nc ies   O r de r   F r e que nc y ( w 1)   F r e que nc y ( w 2)   F r e que nc y 1 ( kH z )   F r e que nc y 2 ( kH z )   F ir s t   w 1   w2   300   301   S e c ond   w 1 +w 2   w2 - w1   601   1   T hi r d   2w 1 - w 2   2w 2 - w1   299   302   F if th   3w 1 - w 2   3w 2 - 2w 1   599   303   S e ve nt h   4w 1 - 3w 2   4w 2 - 3w 1   297   304   N in th   5w 1 - 4w 2   5w 2 - 4w 1   296   305       L e the  tone - input   s ignal  of   a R F - powe r   a mpl i f ier   be   modelled  a s   given   by  ( 1 ) :      ( ) =   1 ( ) +   2 ( )             ( 1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol         N e gati v e   r e s i s tance   amplif ier   c ir c uit   us ing  GaA s F E T   mode ll e s ingl e   M E S F E T … ( Olas unk anmi  Oje w ande )   181   w 1 <   w2,       w -   w 1   =   w      ( ) = 2 ( 2 1 ) 2 . ( 2 + 1 ) 2             ( 2)     he r e   f r e que nc ( w2 - w1) /2  is   the  modul a ti ng  f r e q   W m,   whic is   ha lf   of   the  f r e que nc s pa c ing  be twe e two  tones .   ( w2+ w1) /2  t   is   the   R F   c e nter   f r e que nc y.   I ( 2 )   c a be   w r it ten  in   the  f or m   of   ( 3) :      ( ) = 2  (  ) (  )             ( 3)     thi s   two - tone  s ignal  is   r e c ognize   a s   a   double   s ide  ba nd s   s uppr e s s e c a r r ier   s ignal  ha ving  a   c a r r ie r   f r e que nc y   w c e n   a nd   modul a ti ng   f r e que nc w m .   W he the   s ig na is   a ppli e to   a   powe r   a mpl i f ier   the  output   s ign a c a be   e xpr e s s e a s   given  by  ( 4) :     Z o ( t)   =                0 [ V( t) C os w 1 +   V( t) C os w 2 t ]   ( 4 )           ( 4)     s im p li f ying  in   ( 4 )   will   a lwa ys   r e s ult   in   ne w   f r e que nc c omponents   whic r e ve a ls   the   non - li ne a r it of     the  de vice   known  a s   the  int e r modul a ti on  dis tor t ion .   F o r   a   two   tone  s ignal  the   I M c a be   ob taine us ing  ( 5) :     W ne = [ ±  1 ±  2     whe r e   a nd  q   a r e   int e ge r s   a r e   pos it ive  z e r inclus ive.   +   =   de notes   the  o r de r   o f   the   I M D.   T he   int e r modul a ti on  pr oduc f or   two  f r e que nc ies   ( w1  a nd  w2)   f or   di f f e r e nt  o r de r   c a be   obtaine   a s   f oll ows :     ( w1+ w2)   is   the  s e c ond  or de r     ( 2w1 - w2)   is   the  thi r d   or de r     ( 3w1 - 2w2)   is   the  f i f th  o r de r   given  the  two  f r e que nc ies   ( w1  a nd  w2 )   a s   300  kHz   a nd  301  kHz   r e s pe c ti ve ly,   whic a r e   kHz   a pa r t .   T he   odd   or de r   p r oduc ts   a r e   ne a r e r   or   c los e s to   the  f unda m e ntal  f r e que nc y   w1  a nd   w2.   T he   one - thi r d   or de r   i s   kHz   lowe r   a bove   w2  a nd  2   kHz   a bove   w 1.   typi c a ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   s hown   in  F igur e   1 .   T he   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit   wa s   de s igned  a nd  modelled  us ing  a   ga ll iu a r s e nide  f ield - e f f e c t   tr a ns is tor   ( Ga As F E T )   on  t he   AD S   s im ulation  s of twa r e .   T he   dr a in  o f   the  M E S F E T   is   pr ope r ly  g r ounde while  the   s our c e   a nd  ga te  a r e   lum pe with  c omponent  of   r e s is tor s   a nd  c a pa c it or s   a nd  in duc tor ,   T he   s our c e   R 2   is   us e to  bias   the  c ir c uit   in   other   to  s e the  DC   ope r a ti ng  point ,   by  pr ovidi ng  a a utom a ti c   tr a ns ient  pr otec ti on  a nd  a ls to  r e duc e   t he   va r i a ti on  of   the  e f f e c ts   o f   the  dr a in   c ur r e nt  I ds   a nd   the  tempe r a tur e .   T he   c a pa c it or   C 2   is   us e a s   a   c a pa c it ive  s e r ial   f e e dba c k.   T he   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   bias e with  a   volt a ge   of   20 . Vdc .             F igur e   1.   Ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I S S N : 1693 - 6930   T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020:    179   -   190   182   2. 1.   S m all   s ign al  an a lys is   of   n e gat ive  r e s is t an c e   am p li f ier   c irc u i t   u s in g   M E S F E T   m od e l   T he   de s igned  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   wa s   d e ve loped  us ing  M E S F E T   model,   a nd  the  ge ne r a l   pa r a mete r s   a r e   given  a s   li s ted  be low  a nd  r e pr e s e nt e in  th e   F igur e   2.   T he   im pe da nc e   a na lys is   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   de s c r ibed  in  F igur e   3.   T he   i nput  im pe da nc e   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit   is   given  by  ( 13 ) .     I in   =   I 1   +   I 2                   ( 5)     I  / ( 1 + 1 )                 ( 6)           F igur e   2.   M E S F E T   model           F igur e   3.   Ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit       T he   im pe da nc e   a c r os s   L 1// C 1 ,     Z =   jwL 1  1 / ( 1 2 1 1 ) =  1             ( 7)     t he   volt a ge   V 1   is   de ve loped  a c r os s   the  ga te  to   s our c e   c a pa c it a nc e :     1 = 2 =  1 + 1               ( 8)     V 2   =   ( 2 +  ) 2 =  (  1 + 1 )             ( 9)     Io   1 + 2 +  3  = ( 1  + 2 ) /  3           ( 10)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol         N e gati v e   r e s i s tance   amplif ier   c ir c uit   us ing  GaA s F E T   mode ll e s ingl e   M E S F E T … ( Olas unk anmi  Oje w ande )   183   2 = 2 ( ( ( 1 + 1 ) ) (  3 +   ) ) ( 1 + 1 ) (  3 2 )             ( 11)     =  (  1 + 1 )                  ( 12)      =                            ( 13)       2 = ( 2 2 2 2 ) / ( 1 2 C 2 2 R 2 =   -   jX 2           ( 14)     3 = 3 ( 3 2 2 3 3 ) 3 ( 1 ^ 2 3 ( 2 + 3 )   =   jX 3               ( 15)     Z in   =  ( ) +  ( ) =  +                ( 16)     R s         =   Ohmic  s our c e   r e s is tanc e   R       =   Ohmic  dr a in  r e s is tanc e   R       =   Ohmic  ga te  r e s is tanc e   R         =   S e mi c onduc tor   r e s is tanc e   C ds       =   Dr a in - to - s our c e   c a pa c it a n c e   C gs   =   Ga te - to - s our c e   c a pa c it a nc e   Id   =   L inea r   c ur r e nt  s our c e   Vgs   =   E xter na ga te - to - s our c e   volt a ge .   Vx   =   I nter na c ha nne vol tage s   f or   d r a in  a nd   s our c e   Vds   =   E xter na d r a in - to - s our c e   volt a ge   Vgd   =   E xter na ga te - to - dr a in  volt a ge     2. 2.   S im u la t ion   of   n e gat ive  r e s is t an c e   am p li f ier   T he   N - type  Ga As F E T   M E S F E T   is   us e to   r e a l ize   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit ,   whic h   is   a   one   por ne twor a nd  in   or de r   to   s im ulate   the  b e ha vior   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   a nd  t he   I M D.     T he   f oll owing  s teps   a r e   us e to  r e a li z e   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   us ing  AD S   a s   s hown   in  F igur e   4.   F ir s tl y,   the  de s igned  a mpl if ier   is   a   one   por ne twor a nd  in  other   to  be   a ble  to  s im ulate   a c c or dingl us ing    the  AD S   it   ha s   to   be   c onve r ted  to   a   por t   ne twor a s   s hown  in  F igur e   5,   the  d r a in  of   the  a mpl if ier   is   pr ope r ly   gr ounde d,   the  ga te  is   a ls lum pe with   a   s e r ies   inductor   a nd  in  pa r a ll e l   with  r e s is tor   a nd  c a pa c it or   wi th  va lue   be e s e lec ted  c a r e f ull y.           F igur e   4.   Ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   de s ign  us ing  AD S   =   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I S S N : 1693 - 6930   T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020:    179   -   190   184   S e c ondly,   F igu r e   5   wa s   c onve r ted   to  a   box   type  ne ga ti ve   r e s is tanc e   NR _1  c oupled  with     the  c ir c ulator   in  the  AD S   s of twa r e .   T he   c i r c ulator   e nha nc e s   a   los s les s   powe r   matc f or   c oupli ng  the  s ignal  a nd  in  li ke   manne r   pr ov ides   a input   a nd  a out put  ter mi na f o r   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c ir c uit .     T he   s e c ond  por of   the  c ir c ulator   is   c onne c ted  with  the  s our c e   input   s a the  P _ntone  s ignal  c oupl e with  a   c ur r e nt  p r obe   while   por t   th r e e   is   a ls c onne c ted  t a nother   c ur r e nt   pr obe   a nd   ter mi na ted   with   a   50 Ω  r e s i s tor   tr a ns mi s s ion  li ne ,   a nd  then   gr ounde a c c or dingl y .   T he   nth - or de r   de ter m ine  the  numbe r   of   the  inp ut  s ignal  whic is   e it he r   a   s ingl e   tone  s ignal  or   a   two - tone  s i gna l .           F igur e   5.   P or c onve r s ion       I ntr oduc ing  a   p_ntone   s ignal  int the  de s igned  os c il lator   or   a mpl if ier   whic s e r ve s   a s   the  s our c e   to  the  a mpl if ier ,   a   p r obe   is   c onne c ted  to  va r the  input   s ignal  while  the  s e c ond  ter mi na of   the  pr obe   is   c onne c ted  to  po r t   one   o f   the  c i r c ulator   to   s e r ve   a s   t he   s our c e   input   s ign a l,   then   the   de s igned  one   por t   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   c onne c ted  to   the  s e c ond  po r of   the   c ir c ulator .   T he   por t   th r e e   of   the  c i r c ulator   is   us e d   a s   the  output   por t   whe r e   a   p r obe   is   c onne c ted  a nd  is   ter mi na ted  with   a   50Ω   r e s is tanc e   a s   the  tr a n s mi s s ion   li ne   c ons tant,   T he   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   i nput  a nd  the  output   por t   is   labe led  a s   Vin  a nd  V out  with   r e s pe c to  the  ter mi na l   of   the  pr obe   to  be   us e in  v a r ying  the  input   a nd  the   output   s ignal.     As   f or   the  input   s ignal  to  the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier ,   r e pr e s e nts   the  number   of   input   s ignal,   whe n   is   s e to  one   it   r e pr e s e nts   s ingl e   tone   a nd   whe n   is   s e to  2 ,   it   is   c a ll e two   tone   s ignals .   T he   AD S   ha ve   a   s pe c ial  wa of   s e tt ing  the  input   powe r   whic c a be   c onve r ted  e it he r   to   polar   f or m   in   d B o r   to  W a tt ,     the  us e   o f   dbm   to   wa tt   is   be e n   e mpl oye d.   T he   ha r moni c   r e p r e s e ntation  in   HB   that   is   e mbedde d   in   t he   AD S   tool   is   us e to  obtain  the   s tea dy  s tate   r e s pons e   of   the  f r e que nc c omponents   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier ,   it   is   c omm only   us e th a the   tr a dit ional   ti me  domain   methods .   T he   f r e que nc s teps   a r e   a l s s e a s   s hown  in  T a ble  1.   T he   HB   is   a ls us e to  mea s ur e   the  int e r modul a ti on  dis tor ti on   of   the  ne ga ti ve     the  r e s is tanc e   a mpl if ier   whic de ter mi ne   the  a mpl i f ier   li ne a r i ty.   T he   de s igned  c onv e nti ona dis tr ibut e a mpl i f ier   i s   s hown  in  the  F igu r e   with   the  Ga As   M E S F E T   model  s im il a r   to   that   of   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   ha ving   two  d if f e r e nt   p r obe s   to   c ontr ol   t he   input   s ignal  of   the  c onve nti ona l   dis tr ibut e a mpl i f ier ,   i is   bias e in  a   s ta ble  s tate   ha ving  a   ter m ination   of   50Ω   im pe da nc e   without   whic h   ther e   wil be   no   r e s pons e   f or   bo th  c onve nti ona l   a mpl if ier s   a nd  th e   NR A.     p_ntone   s ignal  is   a tt a c he to   the  input   of   the  a mpl if ier   in  or de r   to  de te r mi ne   the  r e s pons e   of   the  output   s ignal  whe a   s ingl e   tone  s ignal  is   int r oduc e int the  C DA   by  s e tt ing  the  va lue  o f   n   to  e it he r   on e   or   two     the  e mphas is   he r e   is   two   tone  s ignals .   T he n   the  o utput   of   the   s ignal  c a then   be   ve r i f ying   a nd  c om pa r e to   that  of   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol         N e gati v e   r e s i s tance   amplif ier   c ir c uit   us ing  GaA s F E T   mode ll e s ingl e   M E S F E T … ( Olas unk anmi  Oje w ande )   185   T he   de s igne c onve nti ona dis tr ibut e a mpl i f ier   i s   s hown  in  the  F igu r e   with   the  Ga As   M E S F E T   model  s im il a r   to   that   of   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   ha ving   two  d if f e r e nt   p r obe s   to   c ontr ol   t he   input   s ignal  of   the  c onve nti ona l   dis tr ibut e a mpl i f ier ,   i is   bias e in   a   s table   s tate   ha ving  a   ter m ination   of   50Ω   im pe da nc e   without   whic h   ther e   wil be   no   r e s pons e   f or   bo th  c onve nti ona l   a mpl if ier s   a nd  th e   NR A.     p_ntone   s ignal  is   a tt a c he to   the  input   of   the  a mpl if ier   in  or de r   to  de te r mi ne   the  r e s pons e   of   the  output   s ignal  whe a   s ingl e   tone  s ignal  is   int r oduc e int the  C DA   by  s e tt ing  the  va lue  o f   n   to  e it he r   on e   or   two     the  e mphas is   he r e   is   two   tone  s ignals .   T he n   the  o utput   of   the   s ignal  c a then   be   ve r i f ying   a nd  c om pa r e to   that  of   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier .           F igur e   6.   S c he matic  de s ign  f or   a   c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ier   us ing   ADS       3.   RE S UL T S   A ND  DI S CU S S I ONS   T he   de s igned  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   be ha v iour   is   obtaine d   a nd  s hown   in   the  F igur e   7   us ing    the  AD S   s im ulation  tool ,   the  f r e que nc r a nge   tha is   us e r a nge s   f r o ( 4 . 0   to  6 . GH z )   while  a t   f r e que nc a bove   GH z   is   s hown  in   F igur e   8.   T he   two  f igur e s   s how  the  r e a a nd   the  im a ginar y   of   the  im pe da nc e   plot   to   the  s e lec ted  f r e que nc y.   T he   Ga As F E T   M E S F E T   is   us ua ll r e quir e f or   higher   f r e que nc ies   a nd  it   pe r f or ms   e xc e ll e ntl a a bove   5   GH z   [ 13] .   F igur e   9   s hows   the  ga in   s tabili ty   of   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier .     T he   ga in  of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   is   plot ted  a ga ins a   wide r   r a nge   o f   R F   inpu powe r   in  d B m.   T he   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   mor e   s table   than   that  o f   the   c onve nti ona a mpl i f ier .   T he   c onve nti ona l   a mpl if i e r   is   a ls de s igned  a nd  modele in  a   s im il a r   wa a s   that  of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   us ing  a   s ingl e   s tage   Ga As F E T   M E S F E T .   F igur e   10   s hows   the  be ha vi or   o f   a   c onve nti ona l   dis tr ibut e d   a mpl if ier   ga in   a g a ins the  R F   input   powe r the  gr a ph  a ppe a r s   to   ha ve   a   r ip ple  a R F   input   f r om   - 90. 000  to   - 100. 000  dbm  a a   ga in     of   - 18. 37857.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I S S N : 1693 - 6930   T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020:    179   -   190   186       F igur e   7.   P lot   of   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c i r c uit   r e s pons e   a GH z               F igur e   8.   P lot   of   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   c i r c uit   r e s pons e   a bove   GH z           F igur e   9.   Ga in  s tabili ty   of   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   a ga ins R F   input   powe r       W he the  p_ntone   s ignal  is   s e to  e it he r   a   s in gle  tone  or   a   two - tone  s ignal  a nd  is   f e int o     the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier ,   the  output   r e s po ns e   is   s hown  in  F igur e   11  f or   s ingl e   tone  while  F igur e   12  s hows   that  of   the  two - tone  s ignal  ha ving   di f f e r e nt  f unda menta f r e que n c a nd   a   DC   of f s e t.   T h e   y - a xis   r e pr e s e nts   the  powe r   output   in   dbm   ( Vout)   while   t he   x - a xis   r e pr e s e nts   the   f r e que nc y   in   GH z   o f   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier .   T he   ha r moni c   ba lanc e   is   us e to  obtain  the  f r e que nc c omponents   of   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl i f ier ,   e ight   ha r moni c s   a ppe a r s   wi th  di f f e r e nt   s pe c tr a l ine.   AD S   mar ke r   is   us e t obtain     the  magnitude  of   the  output   powe r   in  dbm .   T he   s i ngle  tone  input   s ignal  is   a c hieve whe the  p_n to ne   s ignal   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol         N e gati v e   r e s i s tance   amplif ier   c ir c uit   us ing  GaA s F E T   mode ll e s ingl e   M E S F E T … ( Olas unk anmi  Oje w ande )   187   is   s e to   n   va lue  o f   1 ,   the   output   of   the   s ignal  dis pl a s e ve ( 7)   di f f e r e nt   ha r moni c s ,   ha ving   a   dc   of f s e of   z e r o   a nd  a   Voutput  of   35. 56  dB whic ha ve   s igni f ica nt   e f f e c on  the  pe r f o r manc e   of   a ny  wir e les s   or   c omm unica ti on  de vice   a s   s hown  in  F igur e   11 .   T he   two  tone  s ignal  is   a c hieve whe the  p_ntone   s ignal  is   in tr oduc e to  the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier ,   the   n - va lue  of   the  s ignal  is   s e to  2,   a nd  the  ha r moni c   ba lanc e   pr e s e nts   the  f r e que nc c omponents   a s   s hown  in   t he   diagr a m,   a bout  e ight e e d if f e r e nt   ha r moni c s   a ppe a r s   in  the  T a ble  2   ha ving  no   DC   of f s e t.           Fi gur e   10.   Ga in  s tabili ty   of   c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if ier           F igur e   11.   S ingl e   tone  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   us ing  AD S           F igur e   12.   T wo - tone  input   s ignal  f o r   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I S S N : 1693 - 6930   T E L KO M NI KA T e lec omm un   C omput   E l   C ontr ol Vol.   18 ,   No.   1 F e br ua r y   2020:    179   -   190   188   T he   two  ( 2 )   tone  input   s ignal  f or   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   ha ve   a   f unda menta f r e que nc of   500   M Hz   the  powe r   output   f o r   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   ha s   no  DC   output   of f s e s ince     the  f unda menta f r e que nc be gins   wi th  500   M Hz   a nd  the   output   powe r   be gins   a a   powe r   ou tput   r a nging   f r om   - 368. 56 3   dB to   the  pe a k   va lue   of   10. 10   GH z   a a   powe r   outpu o f   - 318. 689   dbm T he   th ir o r de r   int e r modul a ti on   f or   the   NR a ppe a r s   to  ha ve   a   f r e que nc y   of   4 . 300   GH z   with   a ou tput   p owe r   of     330. 028   dB m T he   f unda menta l   f r e que nc f o r   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   de vice   is   not  wide ly  s pa c e a s   c ompar e to  the   c onve nti ona dis tr ibut e d   a mpl if ie r   ha s   thi s   make s   the   ne ga ti ve   r e s is tanc e   de vice   to  be   mor e   li ne a r   than  the  c onve nti ona dis tr ibut e a mpl if i e r .   T a ble  2   a ls s hows   the  output   powe r   in  d B f or     the  va r ious   f r e que nc ies .     F igur e   13   s hows   the  two  tone   input   s ignal  f or   th e   c onve nti ona dis tr ibut e d   a mpl i f ier the   two - tone  s ignal  output   ha s   a   dc   o f f s e a s   s hown  in  T a b le  3,   the  dc   o f f s e ha s   a   powe r   output   o f   32 . 3 d B m,     the  f unda menta f r e que nc ( w1 )   is   a 500  M Hz   a nd  the  s e c ond  f r e que nc s hif ha s   a   two  tone  s ignal  of     2. GH z   a nd  2. GH z   both  is   ha ving  a   mar ke d   powe r   output   of   50  dbm  r e s pe c ti ve ly.     T he   thi r or de r   int e r modul a ti on  dis tor ti on  f or   C DA   a t   f r e que nc of   4 , 300  M Hz   ha s   a   dB outpu powe r   of   ( - 20. 0 dB m) .   T he s e   dis c r e pa nc ies   be twe e the  output   dB o f   t he   C DA   a nd  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   is   a s   a   r e s ult   of   the  bias   volt a ge s   f o r   the  ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier .   T he   dis tanc e   be twe e the   f unda menta l   f r e que nc ies   f or   c onve nti ona dis tr ibut e d   a mpl if ie r   a r e   wide ly   s pa c e d.   T he   powe r   output   f or   the   s e c ond  o r de r   int e r mo dulation  dis tor ti on  e xis a t   a   f r e que nc y   of   2 . 100   GH z   a nd  2 . 600   GH z   ha ppe ns   to   ha ve   a   powe r   o utput   in     50 . 000  dB r e s pe c ti ve ly.             F igur e   13.   T w o - tone  s ignal  f o r   the   c onve nti ona di s tr ibut e a mpl if ier   us ing  AD S       T a ble  2.   T wo - tone  s ignal  output   f or   ne ga ti ve   r e s is tanc e   a mpl if ier   output   S /No   D e s c r ip ti on   F r e que nc y ( m1)   D bm ( V out )   1   F unda me nt a l   500.0 M H z   - 368.563   2   F ir s or de r   1 . 000 G H z   - 337.557   3   S e c ond or de r   1 . 650 G H z   - 325.329   4   S e c ond or de r   2 . 150 G H z   - 95.933   5   S e c ond or de r   2 . 650 G H z   - 91.061   6   S e c ond or de r   3 . 150 G H Z   - 315.144   7   T hi r d or de r   3 . 800 G H z   - 318.087   8   T hi r d or de r   4 . 300 G H z   - 330.028   9   T hi r d or de r   4 . 800 G H z   - 320.171   10   T hi r d or de r   5 . 300 G H z   - 320.538   11   T hi r d or de r   5 . 800 G H z   - 320.535   12   F our th  or de r   6 . 450 G H z   - 312.606   13   F our th  or de r   6 . 950 G H z   - 322.249   14   F our th  or de r   7 . 450 G H z   - 308.127   15   F our th  or de r   7 . 950 G H z   - 324.627   16   F if th  or de r   9 . 100 G H z   - 317.609   17   F if th  or de r   9 . 600 G H z   - 306.750   18   F if th  or de r   10 . 100 G H z   - 318.689       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.