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(biāo)準(zhǔn)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)S_nm和N已經(jīng)給出。工作頻率上的噪聲匹配指數(shù)Γ_M(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)Γ_L(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Γ_L 之后加以驗證。在通常的Γ_S(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r_n = R_n/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T_S 決定。F_MIN, r_n, 和Γ_M 為晶體管所選的偏移點決定。為了得到最小的噪聲系數(shù)F_MIN, Γ_S應(yīng)與Γ_M相等。

2、F與負載阻抗Γ_L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(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F_MIN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(biāo)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(biāo)的情況：

頻率：2 GHz(窄帶設(shè)計)
增益(S21)：16 dB
噪聲系數(shù)：<1.7>
穩(wěn)定性：無條件穩(wěn)定(任意頻率K>1)

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(dāng)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(biāo)，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。

設(shè)計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)和地之間并聯(lián)一個電阻的辦法實現(xiàn)穩(wěn)定，改變這個電阻的阻值可以把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S21也減小。與此相反，K因子迅速增加。注意此時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，輸出回損也受到影響。Rstab為300Ω時，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。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)計法實現(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)計過程修正之前完全相同。首先計算負載阻抗(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)的給定源負載)，然后用集總元件表示之。

精確計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。這些工作在第四個設(shè)計步驟中完成，該步驟這里不再詳述。需要強調(diào)的主要一點是以上描述的技術(shù)能夠使K因子提高。這項技術(shù)還可以應(yīng)用到其它晶體管和不同規(guī)格的器件設(shè)計中。

穩(wěn)定電阻Rstab可以有多種方法實現(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最簡單的實現(xiàn)方式，該電阻直接與地相連，因此具有直流工作特性。這樣做的缺點是從電源引入了額外的直流電流I=Vcc/Rstab。整個系統(tǒng)不是由電池供電時這可能不會成為主要問題。

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。因為直流電源通常并聯(lián)高值電容(uF量級)，這樣做不會帶來什么麻煩。當(dāng)電源電壓直接偏置晶體管時，這樣配置的優(yōu)勢最為明顯。注意Rstab通過一個偏置電感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)電流固定，電壓的下降幅度就可以定量計算。通過設(shè)置集電極(漏級)電流就能借助Rstab使電壓下降預(yù)期的幅度，見圖7e。如果還要進一步降低電壓，則可利用Rstab和R1共同實現(xiàn)所需要的阻值。注意兩電阻之間必須連接一個電容，使得Rstab在RF環(huán)境中有效地工作。