穩(wěn)定低噪聲放大器中晶體管工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法(上)

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

幾乎所有通信系統(tǒng)的接收電路的輸入級(jí)都要用到低噪聲放大器(LNA)，作用是放大有用信號(hào)的同時(shí)避免惡化信噪比。多數(shù)情況下有用信號(hào)都是非常微弱的，在這些應(yīng)用中噪聲系數(shù)成了表征晶體管性能優(yōu)劣的主要參數(shù)。噪聲系數(shù)反映了晶體管引入噪聲的最小值，它不是一個(gè)絕對(duì)的數(shù)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(shè)計(jì)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(shù)即可。然而如果考慮穩(wěn)定性就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。教科書(shū)中關(guān)于噪聲匹配的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)步驟是設(shè)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(wěn)定。穩(wěn)定性的檢驗(yàn)通常是在設(shè)計(jì)完成后才進(jìn)行。

下面復(fù)述一下噪聲匹配設(shè)計(jì)的“傳統(tǒng)”方法。對(duì)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(shù)Snm和N已經(jīng)給出。工作頻率上的噪聲匹配指數(shù)ΓM(M表示最小噪聲)可以由噪聲參數(shù)N得出，最大增益下的負(fù)載匹配指數(shù)ΓL(L 代表負(fù)載)也能計(jì)算得到。這個(gè)過(guò)程里穩(wěn)定性的問(wèn)題被忽略了，只能在得出ΓL 之后加以驗(yàn)證。在通常的ΓS(S代表源，即晶體管的輸入端) 參數(shù)下，噪聲系數(shù)F通過(guò)下式計(jì)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(qiáng)調(diào)：

1、由1式可以看出，從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，F(xiàn)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(shù)FMIN, ΓS應(yīng)與ΓM相等。

2、F與負(fù)載阻抗ΓL無(wú)關(guān)。

晶體管的穩(wěn)定性可以由K因子表征，由下式計(jì)算：

許多教科書(shū)中都解釋了K>1意味著無(wú)條件的穩(wěn)定性，這里不再贅述。按照上述設(shè)計(jì)步驟，如果晶體管在任何頻率下都無(wú)條件穩(wěn)定工作當(dāng)然最好，可惜很多設(shè)備中情況并非如此。在許多應(yīng)用中，電路設(shè)計(jì)師通常根據(jù)手冊(cè)里提供的參數(shù)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(jié)才驗(yàn)證晶體管的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)流程中可能只發(fā)現(xiàn)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(yùn)的是，設(shè)計(jì)LNA時(shí)有可能做到“穩(wěn)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(wěn)定LNA。從電路設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這樣做存在著以下的可能性：

1、輸出失配。該方案將降低增益，提高穩(wěn)定性。但這會(huì)帶來(lái)下一級(jí)LNA的匹配問(wèn)題，S22也有可能惡化。觀察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(jí)和集電極/漏級(jí)之間。多數(shù)場(chǎng)合里可以利用一個(gè)電容來(lái)隔離相鄰級(jí)間不同的直流電平。由于該方案同時(shí)也改變了輸入?yún)?shù)，因此噪聲參數(shù)變化較大，需要進(jìn)行一定的調(diào)整。

3、輸出級(jí)(集電極/漏級(jí)) 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(fù)載在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)則能提高S22。這兩種效果都會(huì)導(dǎo)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(xiàng)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(shù)。基于該實(shí)例的器件是一款硅材料雙極型晶體管，在設(shè)計(jì)LNA時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)條件的穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)LNA時(shí)必須首先定義目標(biāo)規(guī)格。由于該實(shí)例要體現(xiàn)設(shè)計(jì)階段考慮穩(wěn)定性，因而僅考慮小信號(hào)線性目標(biāo)的情況：

頻率：2 GHz(窄帶設(shè)計(jì))

增益(S21)：16 dB

噪聲系數(shù)：1.7 dB

穩(wěn)定性：無(wú)條件穩(wěn)定(任意頻率K>1)