穩(wěn)定低噪聲放大器中晶體管工作點的設(shè)計方法(上)

多數(shù)情況下有用信號都是非常微弱的，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的設(shè)計方法。

幾乎所有通信系統(tǒng)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(shù)情況下有用信號都是非常微弱的，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，它不是一個絕對的數(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中所描述的那樣，為特定的晶體管設(shè)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)偏移點的S和噪聲參數(shù)即可。然而如果考慮穩(wěn)定性就會出現(xiàn)問題。教科書中關(guān)于噪聲匹配的標準設(shè)計步驟是設(shè)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(wěn)定。穩(wěn)定性的檢驗通常是在設(shè)計完成后才進行。

下面復(fù)述一下噪聲匹配設(shè)計的“傳統(tǒng)”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(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，最大增益下的負載匹配指數(shù)ΓL(L 代表負載)也能計算得到。這個過程里穩(wěn)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(shù)下，噪聲系數(shù)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(diào)：

1、由1式可以看出，從應(yīng)用的角度來說，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與負載阻抗ΓL無關(guān)。

晶體管的穩(wěn)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(wěn)定性，這里不再贅述。按照上述設(shè)計步驟，如果晶體管在任何頻率下都無條件穩(wěn)定工作當然最好，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)計師通常根據(jù)手冊里提供的參數(shù)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(huán)節(jié)才驗證晶體管的穩(wěn)定性。設(shè)計流程中可能只發(fā)現(xiàn)晶體管會發(fā)生振蕩，但這在生產(chǎn)流程中會被放大為破壞性的缺陷。

幸運的是，設(shè)計LNA時有可能做到“穩(wěn)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(wěn)定LNA。從電路設(shè)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(wěn)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(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(shù)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?yún)?shù)，因此噪聲參數(shù)變化較大，需要進行一定的調(diào)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(nèi)則能提高S22。這兩種效果都會導(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。

這項技術(shù)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(shù)?；谠搶嵗钠骷且豢罟璨牧想p極型晶體管，在設(shè)計LNA時能夠?qū)崿F(xiàn)無條件的穩(wěn)定。

設(shè)計LNA時必須首先定義目標規(guī)格。由于該實例要體現(xiàn)設(shè)計階段考慮穩(wěn)定性，因而僅考慮小信號線性目標的情況：

頻率：2 GHz(窄帶設(shè)計)

增益(S21)：16 dB

噪聲系數(shù)：<1.7 dB

穩(wěn)定性：無條件穩(wěn)定(任意頻率K>1)[!--empirenews.page--]

通過與中心設(shè)計頻率比較，在第一步中通過初步檢查就能發(fā)現(xiàn)頻率高時K因子小于1。這時如果按照傳統(tǒng)設(shè)計步驟，僅僅設(shè)置輸入端噪聲匹配和輸出端增益匹配，晶體管將不能穩(wěn)定工作。圖1和圖2分別示出了ADS線性測試臺和數(shù)據(jù)顯示。

圖2表示了四個S參數(shù)，噪聲系數(shù)和K因子(圖中右下)與頻率的對應(yīng)關(guān)系。接近2.5GHz時K因子小于1，預(yù)期工作頻率2GHz處同樣如此。此時晶體管具有潛在的不穩(wěn)定性。

這樣的特性可能導(dǎo)致LNA工作出現(xiàn)問題。如果該LNA用作第一級信號放大器，直接與天線相連，其輸入阻抗就可能與天線引入的負載有關(guān)。用手觸摸小型移動電話，LNB喇叭上的積雪等改變天線調(diào)諧狀態(tài)、降低天線性能的舉動可能影響LNA的源阻抗。當然，阻抗特性可以通過穩(wěn)定性回路法驗證，可是倘若LNA不是在所有頻率下都能保持無條件穩(wěn)定，這些環(huán)境交感將不止降低噪聲指標，還有可能造成晶體管振蕩，改變偏移點(多數(shù)情況下能耗增加)，甚至損壞器件。于是確認LNA能否穩(wěn)定工作就與整個產(chǎn)品的質(zhì)量控制有關(guān)了。