解析低噪声信号放大器共源共栅拓扑结构在反向隔离度上优于单级共源结构的原因

在现代通信系统和各类电子设备中，低噪声信号放大器（LNA）是至关重要的组件，其性能直接影响到整个系统对微弱信号的处理能力。在 LNA 的设计中，拓扑结构的选择对放大器的各项性能指标起着决定性作用。其中，共源共栅拓扑结构相较于单级共源结构，在反向隔离度方面展现出显著优势，这背后蕴含着深刻的电路原理和物理机制。

国商技术HTOOL HT004A信号放大器

基本结构与工作原理

单级共源结构

单级共源放大器是一种基础的放大器结构，由一个场效应晶体管（FET）构成。输入信号施加在 FET 的栅极，输出信号取自漏极，源极通常接地或连接到一个固定电位。在这种结构中，信号从栅极输入，经过 FET 的放大作用后从漏极输出。然而，由于 FET 内部存在寄生电容，特别是栅漏电容（Cgd），当信号从漏极输出时，部分信号会通过 Cgd 反馈到栅极，这就导致了反向信号传输，从而降低了反向隔离度。

共源共栅拓扑结构

共源共栅拓扑结构由两个 FET 组成，通常一个为共源级，另一个为共栅级。输入信号首先进入共源级的栅极，经过共源级放大后，输出信号连接到共栅级的源极，最终输出信号取自共栅级的漏极。这种结构的巧妙之处在于，共栅级的引入改变了信号的传输路径和寄生电容的影响方式。

反向隔离度优势分析

寄生电容影响的削弱

在单级共源结构中，栅漏电容 Cgd 是导致反向信号传输的主要因素。而在共源共栅结构中，由于共栅级的存在，Cgd 的影响被极大地削弱。具体来说，共栅级的输入电阻较低，对于从共源级漏极反馈过来的信号，共栅级起到了一个低阻负载的作用，使得通过 Cgd 反馈到共源级栅极的信号大幅衰减。从电路原理角度看，共栅级的低输入电阻与 Cgd 形成了一个分压电路，大部分反馈信号被共栅级的输入电阻所吸收，从而减少了反馈到共源级栅极的信号量，有效提高了反向隔离度。

信号传输路径的改变

共源共栅结构改变了信号的传输路径，使得反向信号传输变得更加困难。在单级共源结构中，信号从漏极到栅极的反向传输路径相对直接。而在共源共栅结构中，反向信号需要先从共栅级的漏极传输到源极，再经过共源级的漏极反馈到栅极。这一过程中，信号不仅要克服共栅级的低输入电阻对其的衰减作用，还要经过两次信号传输方向的改变，增加了反向信号传输的难度。这种复杂的反向传输路径使得共源共栅结构在反向隔离度上比单级共源结构具有明显优势。

电压增益的影响

共源共栅结构通常具有更高的电压增益，这也有助于提高反向隔离度。由于共源共栅结构是两级放大，其总电压增益大于单级共源结构。更高的电压增益意味着输出信号相对输入信号的幅度更大，在相同的寄生电容反馈情况下，反馈到输入端口的信号相对输出信号的比例更小。例如，假设单级共源结构和共源共栅结构的寄生电容反馈系数相同，但共源共栅结构的电压增益更高，那么从输出端反馈到输入端的信号幅度在共源共栅结构中相对更小，从而提高了反向隔离度。

共源共栅拓扑结构通过削弱寄生电容的影响、改变信号传输路径以及利用更高的电压增益等多方面因素，在反向隔离度上比单级共源结构更具优势。这种优势在现代通信系统中尤为重要，因为它能够有效减少信号之间的串扰，提高系统的抗干扰能力，保证信号的高质量传输和处理。在设计高性能低噪声信号放大器时，共源共栅拓扑结构因其在反向隔离度等性能方面的优势而被广泛应用。