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标题: 稳定低噪声放大器中晶体管工作点的设计方法(下) [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 15:09
标题: 稳定低噪声放大器中晶体管工作点的设计方法(下)
多数情况下有用信号都是非常微弱的，在这些应用中噪声系数成了表征晶体管性能优劣的主要参数。本文讨论了一种添加并联电阻来稳定低噪声放大电路中晶体管工作点的设计方法。
设计过程的第二步将解决晶体管的稳定问题。如前所述，可以通过在输出端(晶体管的集电极或漏级)和地之间并联一个电阻的办法实现稳定，改变这个电阻的阻值可以把K因子调节到1，使得线性参数尤其是S22和S11增大，从而使K因子增加。这种方法在性能上有得有失，因此需要仔细考虑。

LNA电路的ADS原理图见图3，调节输出并联电阻Rstab时的模拟结果如图4，从中不难看出Rstab减小带来的影响。图中曲线对应的Rstab从无穷大开始(红线：结果同前)，然后从600Ω降至100Ω，步长是100Ω。

稳定电阻Rstab减小时S21也减小。与此相反，K因子迅速增加。注意此时增益必须减小到一定幅度才能保证K因子位于大于1的“稳定”区域。由于并联电阻位于输出端，输出回损也受到影响。Rstab为300Ω时，增益(S21)减少了0.5dB，从17.2降至16.7dB。

有了稳定电阻，K因子在所有频率下都能保持在高于1的安全范围，晶体管在此应用中表现出无条件的稳定性。噪声系数仅仅略有变化(十分之一dB之内)。这些变化都可以忽略不计。另外，S11丝毫不受影响。

第三步中将得出包含Rstab的新S参数，从而完成设计过程。Rstab被归结到晶体管的S参数之中，可以视之为一组新的S参数。然后通过窄带集总元件设计法实现工作频率上的输入噪声匹配和输出端增益匹配 (图5和图6)。

      匹配步骤与设计过程修正之前完全相同。首先计算负载阻抗(根据经过“稳定性”修正的S参数和基于噪声参数的给定源负载)，然后用集总元件表示之。

      精确计算得出的电容和电感数值并非标称值，因此还须借助实际无源器件模型加以规范。为了使得仿真结果更加有效，电容值尤其需要借助一系列容性阻抗模型标准化。这些工作在第四个设计步骤中完成，该步骤这里不再详述。需要强调的主要一点是以上描述的技术能够使K因子提高。这项技术还可以应用到其它晶体管和不同规格的器件设计中。

实际应用时须考虑的问题

      稳定电阻Rstab可以有多种方法实现，如图7a所示。为了清楚起见，本文以下部分都忽略了输入和输出端的匹配电路。用于相邻级之间DC阻断的电容也不作考虑。应用例中显示的是双极型晶体管，注意该例也同样适用于FET。

      最常用的偏置方法是在设备的RF输出端和DC源之间并联一个电容(图7b)，现在最主要的问题是如何接入稳定电阻Rstab。图7c是Rstab最简单的实现方式，该电阻直接与地相连，因此具有直流工作特性。这样做的缺点是从电源引入了额外的直流电流I=Vcc/Rstab。整个系统不是由电池供电时这可能不会成为主要问题。

图7d则正好与图7c相反，Rstab并不引入任何直流分量，其频率响应由电容C决定。因为直流电源通常并联高值电容(uF量级)，这样做不会带来什么麻烦。当电源电压直接偏置晶体管时，这样配置的优势最为明显。注意Rstab通过一个偏置电感Lc短路，因此直流情况下完全可以忽略。

如果电源电压过高，则须采用图7e和7f中的配置。Rstab被用于降低电压。一旦集电极(漏级)电流固定，电压的下降幅度就可以定量计算。通过设置集电极(漏级)电流就能借助Rstab使电压下降预期的幅度，见图7e。如果还要进一步降低电压，则可利用Rstab和R1共同实现所需要的阻值。注意两电阻之间必须连接一个电容，使得Rstab在RF环境中有效地工作。

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