穩定低噪聲放大器中晶體管工作點(diǎn)的設計方法(上)

多數情況下有用信號都是非常微弱的，在這些應用中噪聲系數成了表征晶體管性能優(yōu)劣的主要參數。本文討論了一種添加并聯(lián)電阻來(lái)穩定低噪聲放大電路中晶體管工作點(diǎn)的設計方法。

幾乎所有通信系統的接收電路的輸入級都要用到低噪聲放大器(LNA)，作用是放大有用信號的同時(shí)避免惡化信噪比。多數情況下有用信號都是非常微弱的，在這些應用中噪聲系數成了表征晶體管性能優(yōu)劣的主要參數。噪聲系數反映了晶體管引入噪聲的最小值，它不是一個(gè)絕對的數值，它與偏移量尤其是輸入匹配條件有關(guān)。

正如許多微波教科書(shū)中所描述的那樣，為特定的晶體管設計匹配網(wǎng)絡(luò )非常容易，工程師僅需了解該晶體管相關(guān)偏移點(diǎn)的S和噪聲參數即可。然而如果考慮穩定性就會(huì )出現問(wèn)題。教科書(shū)中關(guān)于噪聲匹配的標準設計步驟是設置輸入噪聲與輸出增益匹配，沒(méi)有太多顧及晶體管工作點(diǎn)的穩定。穩定性的檢驗通常是在設計完成后才進(jìn)行。

下面復述一下噪聲匹配設計的“傳統”方法。對于一個(gè)給定的晶體管，感興趣的偏移點(diǎn)上的一組S和噪聲參數Snm和N已經(jīng)給出。工作頻率上的噪聲匹配指數ΓM(M表示最小噪聲)可以由噪聲參數N得出，最大增益下的負載匹配指數ΓL(L 代表負載)也能計算得到。這個(gè)過(guò)程里穩定性的問(wèn)題被忽略了，只能在得出ΓL 之后加以驗證。在通常的ΓS(S代表源，即晶體管的輸入端) 參數下，噪聲系數F通過(guò)下式計算：

其中rn = Rn/Z0。注意Z0 為晶體管的特征阻抗(通常為50Ω)。以下兩點(diǎn)需要強調：

1、由1式可以看出，從應用的角度來(lái)說(shuō)，F僅由輸入阻抗TS 決定。FMIN, rn, 和ΓM 為晶體管所選的偏移點(diǎn)決定。為了得到最小的噪聲系數FMIN, ΓS應與ΓM相等。

2、F與負載阻抗ΓL無(wú)關(guān)。

晶體管的穩定性可以由K因子表征，由下式計算：

許多教科書(shū)中都解釋了K>1意味著(zhù)無(wú)條件的穩定性，這里不再贅述。按照上述設計步驟，如果晶體管在任何頻率下都無(wú)條件穩定工作當然最好，可惜很多設備中情況并非如此。在許多應用中，電路設計師通常根據手冊里提供的參數選擇晶體管，例如可用增益，三階截取點(diǎn)(IP3)，工作電壓和FMIN等，最后一個(gè)環(huán)節才驗證晶體管的穩定性。設計流程中可能只發(fā)現晶體管會(huì )發(fā)生振蕩，但這在生產(chǎn)流程中會(huì )被放大為破壞性的缺陷。

幸運的是，設計LNA時(shí)有可能做到“穩定”晶體管的工作點(diǎn)，總的原則是降低整個(gè)LNA的增益，這將有助于提高K因子從而穩定LNA。從電路設計的角度來(lái)看，這樣做存在著(zhù)以下的可能性：

1、輸出失配。該方案將降低增益，提高穩定性。但這會(huì )帶來(lái)下一級LNA的匹配問(wèn)題，S22也有可能惡化。觀(guān)察2式的分子部分容易看出，這種方法并不一定真正能增大K因子。

2、引入一定量的電阻反饋。通常的發(fā)射/源電路中，反饋一般用在基極/柵級和集電極/漏級之間。多數場(chǎng)合里可以利用一個(gè)電容來(lái)隔離相鄰級間不同的直流電平。由于該方案同時(shí)也改變了輸入參數，因此噪聲參數變化較大，需要進(jìn)行一定的調整。

3、輸出級(集電極/漏級) 通過(guò)電阻與地相連，這會(huì )帶來(lái)很多好處。比如增益會(huì )有所減小，如果阻性負載在一個(gè)合適的范圍之內則能提高S22。這兩種效果都會(huì )導致K因子增大。另外，該方案易于與輸出偏置電路協(xié)同工作。

這項技術(shù)的第一個(gè)實(shí)例是NEC/CEL(www.cel.com) 的模型晶體管器件NE661M04的s2p文件，格式為T(mén)ouchstone，其中包含噪聲參數?；谠搶?shí)例的器件是一款硅材料雙極型晶體管，在設計LNA時(shí)能夠實(shí)現無(wú)條件的穩定。

設計LNA時(shí)必須首先定義目標規格。由于該實(shí)例要體現設計階段考慮穩定性，因而僅考慮小信號線(xiàn)性目標的情況：

頻率：2 GHz(窄帶設計)

增益(S21)：16 dB

噪聲系數：1.7 dB

穩定性：無(wú)條件穩定(任意頻率K>1)