穩定低噪聲放大器中晶體管工作點的設計方法(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劣的主要參數。本文討論了一種添加并聯電阻來穩定低噪聲放大電路中晶體管工作點的設計方法。

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，它不是一個絕對的數值，它與偏移量尤其是輸入匹配條件有關。

正如許多微波教科書中所描述的那樣，為特定的晶體管設計匹配網絡非常容易，工程師僅需了解該晶體管相關偏移點的S和噪聲參數即可。然而如果考慮穩定性就會出現問題。教科書中關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，沒有太多顧及晶體管工作點的穩定。穩定性的檢驗通常是在設計完成后才進行。

下面復述一下噪聲匹配設計的“傳統”方法。對于一個給定的晶體管，感興趣的偏移點上的一組S和噪聲參數Snm和N已經給出。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。這個過程里穩定性的問題被忽略了，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)。以下兩點需要強調：

1、由1式可以看出，從應用的角度來說，F僅由輸入阻抗TS 決定。FMIN, rn, 和ΓM 為晶體管所選的偏移點決定。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無關。

晶體管的穩定性可以由K因子表征，由下式計算：

許多教科書中都解釋了K>1意味著無條件的穩定性，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(IP3)，工作電壓和FMIN等，最后一個環節才驗證晶體管的穩定性。設計流程中可能只發現晶體管會發生振蕩，但這在生產流程中會被放大為破壞性的缺陷。

幸運的是，設計LNA時有可能做到“穩定”晶體管的工作點，總的原則是降低整個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，提高穩定性。但這會帶來下一級LNA的匹配問題，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。多數場合里可以利用一個電容來隔離相鄰級間不同的直流電平。由于該方案同時也改變了輸入參數，因此噪聲參數變化較大，需要進行一定的調整。

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

這項技術的第一個實例是NEC/CEL(www.cel.com) 的模型晶體管器件NE661M04的s2p文件，格式為Touchstone，其中包含噪聲參數。基于該實例的器件是一款硅材料雙極型晶體管，在設計LNA時能夠實現無條件的穩定。

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

頻率：2 GHz(窄帶設計)

增益(S21)：16 dB

噪聲系數：1.7 dB

穩定性：無條件穩定(任意頻率K>1)