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

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。

設(shè)計(jì)過程的第二步將解決晶體管的穩(wěn)定問題。如前所述，可以通過在輸出端(晶體管的集電極或漏級(jí))和地之間并聯(lián)一個(gè)電阻的辦法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，改變這個(gè)電阻的阻值可以把K因子調(diào)節(jié)到1，使得線性參數(shù)尤其是S22和S11增大，從而使K因子增加。這種方法在性能上有得有失，因此需要仔細(xì)考慮。

LNA電路的ADS原理圖見圖3，調(diào)節(jié)輸出并聯(lián)電阻Rstab時(shí)的模擬結(jié)果如圖4，從中不難看出Rstab減小帶來的影響。圖中曲線對(duì)應(yīng)的Rstab從無窮大開始(紅線：結(jié)果同前)，然后從600Ω降至100Ω，步長是100Ω。

穩(wěn)定電阻Rstab減小時(shí)S21也減小。與此相反，K因子迅速增加。注意此時(shí)增益必須減小到一定幅度才能保證K因子位于大于1的“穩(wěn)定”區(qū)域。由于并聯(lián)電阻位于輸出端，輸出回?fù)p也受到影響。Rstab為300Ω時(shí)，增益(S21)減少了0.5dB，從17.2降至16.7dB。

有了穩(wěn)定電阻，K因子在所有頻率下都能保持在高于1的安全范圍，晶體管在此應(yīng)用中表現(xiàn)出無條件的穩(wěn)定性。噪聲系數(shù)僅僅略有變化(十分之一dB之內(nèi))。這些變化都可以忽略不計(jì)。另外，S11絲毫不受影響。

第三步中將得出包含Rstab的新S參數(shù)，從而完成設(shè)計(jì)過程。Rstab被歸結(jié)到晶體管的S參數(shù)之中，可以視之為一組新的S參數(shù)。然后通過窄帶集總元件設(shè)計(jì)法實(shí)現(xiàn)工作頻率上的輸入噪聲匹配和輸出端增益匹配 (圖5和圖6)。

匹配步驟與設(shè)計(jì)過程修正之前完全相同。首先計(jì)算負(fù)載阻抗(根據(jù)經(jīng)過“穩(wěn)定性”修正的S參數(shù)和基于噪聲參數(shù)的給定源負(fù)載)，然后用集總元件表示之。

精確計(jì)算得出的電容和電感數(shù)值并非標(biāo)稱值，因此還須借助實(shí)際無源器件模型加以規(guī)范。為了使得仿真結(jié)果更加有效，電容值尤其需要借助一系列容性阻抗模型標(biāo)準(zhǔn)化。這些工作在第四個(gè)設(shè)計(jì)步驟中完成，該步驟這里不再詳述。需要強(qiáng)調(diào)的主要一點(diǎn)是以上描述的技術(shù)能夠使K因子提高。這項(xiàng)技術(shù)還可以應(yīng)用到其它晶體管和不同規(guī)格的器件設(shè)計(jì)中。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)須考慮的問題

穩(wěn)定電阻Rstab可以有多種方法實(shí)現(xiàn)，如圖7a所示。為了清楚起見，本文以下部分都忽略了輸入和輸出端的匹配電路。用于相鄰級(jí)之間DC阻斷的電容也不作考慮。應(yīng)用例中顯示的是雙極型晶體管，注意該例也同樣適用于FET。

最常用的偏置方法是在設(shè)備的RF輸出端和DC源之間并聯(lián)一個(gè)電容(圖7b)，現(xiàn)在最主要的問題是如何接入穩(wěn)定電阻Rstab。圖7c是Rstab最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，該電阻直接與地相連，因此具有直流工作特性。這樣做的缺點(diǎn)是從電源引入了額外的直流電流I=Vcc/Rstab。整個(gè)系統(tǒng)不是由電池供電時(shí)這可能不會(huì)成為主要問題。

圖7d則正好與圖7c相反，Rstab并不引入任何直流分量，其頻率響應(yīng)由電容C決定。因?yàn)橹绷麟娫赐ǔ２⒙?lián)高值電容(uF量級(jí))，這樣做不會(huì)帶來什么麻煩。當(dāng)電源電壓直接偏置晶體管時(shí)，這樣配置的優(yōu)勢(shì)最為明顯。注意Rstab通過一個(gè)偏置電感Lc短路，因此直流情況下完全可以忽略。

如果電源電壓過高，則須采用圖7e和7f中的配置。Rstab被用于降低電壓。一旦集電極(漏級(jí))電流固定，電壓的下降幅度就可以定量計(jì)算。通過設(shè)置集電極(漏級(jí))電流就能借助Rstab使電壓下降預(yù)期的幅度，見圖7e。如果還要進(jìn)一步降低電壓，則可利用Rstab和R1共同實(shí)現(xiàn)所需要的阻值。注意兩電阻之間必須連接一個(gè)電容，使得Rstab在RF環(huán)境中有效地工作。