射頻與微波放大器設(shè)計

1、射頻與微波放大器設(shè)計,基本設(shè)計方法—采用S參數(shù)來進行設(shè)計微波放大器用基本器件雙極晶體管 (較低頻率)場效應(yīng)管(較高頻率，可以一直工作到毫米波段）,射頻與微波放大器設(shè)計 ——放大器的分類,A 類（甲類）放大器 A 類（甲類）放大器的特點是，在整個信號周期內(nèi)，放大器都工作于晶體管的工作區(qū)。B 類（乙類）放大器B 類放大器的特點是，在放大器的工作過程中，大約半個信號周期的時間工作于晶體管的工作區(qū)。,射頻與微波放大器設(shè)計

2、 ——放大器的分類,AB 類（甲乙類）放大器在小信號時，放大器為A類工作，在大信號時，放大器為B類工作的放大器稱為AB類放大器。 C 類（丙類）放大器放大器在整個信號周期內(nèi)，晶體管在工作區(qū)工作的時間明顯少于半個信號周期的放大器為C類放大器。,小信號放大器設(shè)計,小信號放大器設(shè)計的基本步驟 選擇適當(dāng)?shù)钠骷蛐酒ぷ黝l率增益噪聲功率電平,直流偏置設(shè)計偏置電壓（Q點）的選擇一般來說，放大器直流偏置電壓對于應(yīng)該選擇在IC

3、-VCE曲線（雙極晶體管）或ID-VDS曲線（場效應(yīng)管）的中部，以保證晶體管在工作區(qū)（雙極晶體管）或飽和區(qū)（場效應(yīng)管）工作。,小信號放大器設(shè)計,直流偏置電路的設(shè)計直流偏置電路的設(shè)計原則應(yīng)該是：直流偏置的引入對微波和射頻信號沒有影響，即一方面要防止微波和射頻信號從偏置泄漏，干擾偏置回路的正常工作，同時也要防止外界干擾信號通過偏置回路影響微波和射頻系統(tǒng)的工作。因此直流偏置回路應(yīng)該是一個低通濾波器，并且在與微波回路相關(guān)的連接處向直流偏置看

4、去的輸入阻抗應(yīng)該為近似開路。,小信號放大器設(shè)計,,小信號放大器設(shè)計,,小信號放大器設(shè)計,穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性判據(jù)絕對穩(wěn)定條件穩(wěn)定采用負反饋、電阻加載等措施 注意：不但要考慮工作帶寬內(nèi)的穩(wěn)定性，也要考慮工作帶寬外的穩(wěn)定性,匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計根據(jù)不同放大器的要求，進行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。帶寬的考慮雙向還是單向設(shè)計增益與噪聲設(shè)計的平衡級間匹配（共軛匹配）,小信號放大器設(shè)計,窄帶放大器設(shè)計工作帶寬小于10%的放大器可認為是窄帶放大器

5、窄帶放大器分類最大增益放大器高增益放大器最低噪聲放大器,高增益放大器設(shè)計舉例,例 15.1設(shè)計一工作頻率為3GHz，增益為15dB的放大器，選擇如下S參數(shù)的雙極晶體管（VCE=4V ，IC=5mA）：解,最大增益放大器設(shè)計,最大增益放大器實際上是高增益放大器設(shè)計的特例設(shè)計過程實際上是實現(xiàn)對輸入和輸出端的共軛匹配當(dāng)S12≠0時，采用單向設(shè)計應(yīng)該核對設(shè)計誤差是否滿足指標誤差要求設(shè)計舉例,低噪聲放大器 (LNA)

6、設(shè)計,設(shè)計考慮設(shè)計的主要目標是使放大器的在噪聲低于規(guī)定值的前提下，盡可能獲得較高的增益。 大多數(shù)情況下，最小噪聲和最大增益并不是同時出現(xiàn)！,低噪聲放大器 (LNA)設(shè)計,基本設(shè)計步驟設(shè)計的前五個步驟與其它類型的放大器是相同，此后，有 計算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的分配增益。將常數(shù)噪聲圓、源（輸入）常數(shù)增益圓繪在同一張Smith圓圖上。選擇與預(yù)設(shè)的常噪聲系數(shù)圓相交的輸入（源）常增益圓，作為增益設(shè)計的考慮，設(shè)計時應(yīng)考慮到帶寬的要求。

7、,低噪聲放大器 (LNA)設(shè)計,(4) 在選定的輸入常數(shù)增益圓上選擇在預(yù)定噪聲圓內(nèi)的ГS值，設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。(5) 根據(jù)增益和帶寬要求，選擇ГL 值，設(shè)計輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計,1 寬帶放大器的定義在寬帶范圍（一個倍頻程甚至十個倍頻程）內(nèi)具有平坦響應(yīng)的放大器為寬帶放大器。2 寬帶放大器設(shè)計的基本考慮 設(shè)計的基本方法與前面研究的高增益放大器的基本設(shè)計方法是相同的。由于器件參數(shù)和匹配網(wǎng)絡(luò)特性隨頻率

8、變化，寬帶放大器的設(shè)計比高增益放大器的設(shè)計復(fù)雜。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——寬帶放大器的設(shè)計考慮,晶體管的 |S21| 和 |S12| 隨頻率變化的規(guī)律,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——寬帶放大器的設(shè)計考慮,寬工作頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性K因子依賴于|S12S21|的乘積，因此放大器的穩(wěn)定性依賴于|S12S21|隨頻率變化曲線的平坦度。S11 和 S22在整個工作頻率范圍的變化直接影響到輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶設(shè)計。輸入

9、和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的特性本身隨頻率變化。 噪聲系數(shù)在寬頻帶內(nèi)的變化特性影響工作頻帶內(nèi)的噪聲特性,寬帶放大器（BBA）設(shè)計,3、寬帶放大器設(shè)計的主要方法（1）匹配補償技術(shù)（2）綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)（3）平衡放大器技術(shù)（4）負反饋技術(shù),寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——匹配補償設(shè)計技術(shù),基本設(shè)計思想在放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，根據(jù)晶體管增益隨頻率的變化特點，在輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程中，引入適當(dāng)?shù)氖洌ㄒ话闶鞘垢哳l端盡可能匹

10、配，低頻端適當(dāng)失配），使放大器在整個頻率范圍內(nèi)達到增益平衡的目的。設(shè)計舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——平衡放大器設(shè)計,平衡放大器電原理圖,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——平衡放大器的工作原理,(1) 端口1的輸入功率通過3dB輸入定向耦合器，在端口2和3等分輸出，相位相差900。在理想情況下，端口4沒有功率輸出。(2) 放大器 a 和 放大器 b 分別對端口2和端口3的輸出功率進行放大，由于兩個放大器的特性是一樣

11、的，因此，放大后的信號仍然是大小相等，相位相差900。 (3) 在輸出3分貝定向耦合器的輸入口，由放大器b輸出的信號比放大器a的輸出信號滯后900，經(jīng)過輸出定向耦合器后，在輸出定向耦合器的端口2，合成信號的振幅相等，相位相差1800，端口2沒有輸出，而端口3合成的信號振幅相等，相位相同，即合成信號從端口3輸出。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計——平衡放大器的優(yōu)點,反射系數(shù) 如果兩個放大器特性是完全一致的（平衡），則整個放大器是

12、完全匹配的。因此平衡放大器允許各放大器的輸入和輸出口是失配的。增益 在理想情況下，整個放大器的增益等于單支路放大器的增益,寬帶放大器（BBA）設(shè)計——平衡放大器的優(yōu)點,功率容量合成輸出功率能力是單個放大器的兩倍可靠性即使有一路放大器損壞，仍然可以工作（增益將下降6dB）設(shè)計舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù),對于寬帶（寬達20倍頻程）、低增益變化的放大器，負反饋是一項非常有效的技術(shù)。負反饋技術(shù)唯一的缺

13、點是由于在反饋回路中有電阻，因此必然使噪聲增加，增益降低。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù),,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù),反饋放大器的分析反饋放大器的等效電路,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù),分析：由圖15.19b，負反饋放大器的導(dǎo)納矩陣 [Y] 為其中,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù)（分析）,得出S參數(shù)其中,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技

14、術(shù)（分析）,輸入和輸出口無反射，有即或,由此得到 公式 15.19b 表明了兩個反饋電阻R1和R2滿足輸入和輸出口無反射所必須的條件。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù)（分析）,負反饋放大器的增益適合于并-串反饋設(shè)計的三極管的條件R1的值總是正值（即R1≥0），考慮最壞情況，即 R1=0,由公式 15.9b,得到(gm)min的值,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù)（分析）,匹配條

15、件下(gm)min的簡單表達式：將式15.9c中的R2代入式15.20，有 由公式 15.19c 可以看出，一旦晶體管滿足(gm)min情況，增益S21只與反饋電阻R2有關(guān)，而與器件的參數(shù)無關(guān)。因此，只要器件是線性工作的，在一個寬的頻帶內(nèi)放大器就可以保證增益的平坦性。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù)（分析）,獲得最小輸入和輸出駐波比的條件設(shè)計舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計 ——負反饋技術(shù)（高頻情況）,

16、隨著工作頻率的增加，S21的相位將趨向于900，也就是說可能出現(xiàn)正反饋的成分，由此引起放大器的不穩(wěn)定，為了保證放大器的穩(wěn)定性，可以在并聯(lián)反饋元件上附加一個串聯(lián)電感，以改變反饋分量的相位。,多級小信號放大器設(shè)計,,多級小信號放大器設(shè)計 ——最大增益多級放大器設(shè)計,設(shè)計目標獲得最大的級連增益，也就是說應(yīng)該使放大器的各級都工作于最大增益條件下。 設(shè)計原理 所有端口（輸入和輸出）都應(yīng)該共軛匹配。,多級小信號放大器設(shè)計 ——多

17、級低噪聲放大器設(shè)計,設(shè)計目標在滿足最低噪聲的基礎(chǔ)上達到最大的帶內(nèi)增益設(shè)計原理第一級采用最低噪聲設(shè)計，當(dāng)?shù)谝患壍脑鲆孀銐驎r，后續(xù)各級可采用盡可能提高增益的方法。注意！在多級放大器的設(shè)計中，一定要注意版圖的布局，防止前后級之間的串?dāng)_與耦合。,大信號放大器設(shè)計,大信號放大器和小信號放大器設(shè)計的不同之處設(shè)計參數(shù)： ——采用大信號 S 參數(shù)。工作狀態(tài)： ——大部分為非線性狀態(tài)。 分析方法： ——非線性分析

18、方法,大信號放大器設(shè)計,大信號放大器設(shè)計的基本考慮穩(wěn)定性功率電平 增益 (線性和非線性) 效率 線性特性 (諧波特性),交調(diào)散熱問題動態(tài)范圍電磁兼容設(shè)計 機械結(jié)構(gòu),大信號放大器設(shè)計,大信號放大器的設(shè)計方法修正 S-參數(shù)法 采用小信號放大器的S參數(shù)模型，但S21用大信號下的新參數(shù)代替,大信號放大器設(shè)計,源和負載反射系數(shù)法依據(jù)生產(chǎn)廠商提供的在一分貝壓縮點對應(yīng)的源反射系數(shù)、負載反射系數(shù)和輸出功率參量進行設(shè)計

19、,大信號放大器設(shè)計,大信號放大器設(shè)計的基本概念 1-dB 壓縮點: 一分貝壓縮點定義為在POUT—PIN曲線上，功率增益相對于小信號增益值減小一分貝的點。它表征了放大器的非線性特性。即,功率放大器的最小信號電平和動態(tài)范圍,最小信號電平 放大器的最小輸入可檢測信號功率Pi,mds所對應(yīng)的輸出功率Po,mds，必須大于放大器的輸出噪聲功率。 Po,mds定義為高于輸出噪聲功率電平 x 分貝。 或,功率放大器的最小信號

20、電平和動態(tài)范圍,功率放大器的動態(tài)范圍功率放大器的動態(tài)范圍定義為放大器的線性最大輸出功率P1dB（dB）和最小可檢測輸出功率P0,mds（dB）之差，即,,例,交調(diào)的概念,定義 當(dāng)非線性網(wǎng)絡(luò)的輸入端輸入兩個以上不同頻率的正弦波信號時，如果在輸出端得到了多余頻率的輸出信號，則可以說由于網(wǎng)絡(luò)的非線性，使信號產(chǎn)生了交調(diào)。,大信號放大器的交調(diào)現(xiàn)象,考慮在放大器輸入端的兩個歸一振幅為1，不同頻率的正弦信號，即 在非線性放大器的輸出端，有

21、即，輸出信號V0(t)不僅有原來輸入信號的頻率分量f1和f2，同時也包含這兩個信號頻率的交調(diào)分量。,非線性放大器的輸出頻譜,,交調(diào)的分類,a) 二次諧波: 2f1, 2f2b) 三次諧波: 3f1, 3f2c) 高階諧波: nf1, nf2 n>3d) 二階交調(diào): f1±f2e) 三階交調(diào): 2f1±f2, 2f2±f1,交調(diào)對接收系統(tǒng)的影響分析,對于窄帶功率放大器，除了三階交調(diào)項（即2f

22、1-f2和2f2-f1）外，所有附加的頻率分量都可以通過濾波器被濾除掉。由于三階交調(diào)項落在放大器的工作帶寬之內(nèi)，無法通過濾波去除。因此三階交調(diào)是衡量信號通過放大器失真程度的重要指標。,三階交調(diào)與放大器動態(tài)范圍,,三階交調(diào)與放大器動態(tài)范圍,由于三階交調(diào)點比二階交調(diào)低。因此三階交調(diào)點決定了放大器動態(tài)范圍或帶寬的上限。,三階交調(diào)點(TOI)與放大器的動態(tài)范圍,,三階交調(diào)點(TOI)與放大器的動態(tài)范圍,三階交調(diào)點的功率 偽自由動態(tài)范圍（

23、DRf)DRf是使PIP為零時，P0,mds與Pf1的差值?？梢宰C明當(dāng)P2f1-f2等于P0,mds時，有 例,三階交調(diào)功率的測量 ——雙頻測試技術(shù),在放大器輸入端輸入兩個頻率相近、功率相等的信號。放大器的輸出端接頻譜儀，在頻譜儀上直接讀出主輸出功率（Pf1 dBm）和三階交調(diào)輸出功率(P2f1-f2 dBm)，則 PIP(dBm)可以得到其中,大信號條件下的源反射系數(shù)Гsp和負載反射系數(shù)ГLp,定義晶體管的

24、大信號源反射系數(shù)Гsp 是指在大信號條件下，晶體管輸入端的反射系數(shù)。晶體管的大信號負載反射系數(shù)ГLp 是指在大信號條件下，晶體管輸出端的反射系數(shù)。,大信號源反射系數(shù)和 負載反射系數(shù)的測量,,等功率線,根據(jù)測量出ГSP 和ГLP后, 我們可以得出一套大信號下的反射系數(shù)數(shù)據(jù)，由此可以根據(jù)相同的輸出功率，繪出在ГLP平面上反射系數(shù)的變化曲線，以作為大信號設(shè)計的參考,,A類大信號放大器設(shè)計—修正S參數(shù)法,對于在大信號情況下工作的A類

25、放大器，除了S21外，所有其它小信號S參數(shù)都可以作為設(shè)計依據(jù)。而S21則會隨功率電平和頻率的增加而減小，如果我們知道大信號時的S21，我們就可以直接采用小信號放大器的設(shè)計方法，來設(shè)計A類大信號放大器。例,大信號功率放大器設(shè)計2 —源和負載反射系數(shù)法,設(shè)計步驟:1. 對于給出的輸出功率電平，在 Smith 圓圖上繪出相應(yīng)的等功率曲線。2. 在曲線上，選擇 ГL=ГLP 的適當(dāng)?shù)狞c。3. 基于ГLp，計算ГIn。4. 對

26、于最大增益設(shè)計Гsp=Г*IN。5. 由Гsp和ГLP，計算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)例,AB、B、和 C 類放大器設(shè)計,設(shè)計原則小信號的S參數(shù)不能使用，必須采用大信號S參數(shù)作為設(shè)計的依據(jù)。器件生產(chǎn)廠商常常會提供另一套設(shè)計數(shù)據(jù)如（Гsp, ГLp 和 P1dB ）作為設(shè)計的參考。其設(shè)計過程與A類放大器的方法2（源和負載反射系數(shù)法）相類似。對于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，還應(yīng)該考慮到諧波抑制問題。,多級大信號放大器的設(shè)計,設(shè)計考慮 (1

27、) 穩(wěn)定性 a) 每級的穩(wěn)定性問題；  b) 整個放大器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2) 設(shè)計目標： 多級功率放大器的設(shè)計目標是獲得盡可能高的功率輸出和效率，即每級的輸出功率都應(yīng)在大信號條件下，盡可能接近P1-dB壓縮點。,多級大信號放大器的設(shè)計,(3) 設(shè)計原理  利用功率曲線，在POUT=Pmax點選擇ΓLp，對于各級放大器的輸入和輸出端都采用共軛匹配，達到最大功率傳輸。,多級

28、大信號放大器的設(shè)計,,多級功率放大器的三階交調(diào)點,假設(shè)各級都是同相的情況，對于多級大功率放大器，級連的三階交調(diào)點PTOI為：如各級增益相同，則,多級功率放大器的的動態(tài)范圍,動態(tài)范圍的低限 級連放大器的最小可檢測輸出信號主要由第一級的最小檢測信號確定。,多級功率放大器的的動態(tài)范圍,動態(tài)范圍的上限 多級功率放大器動態(tài)范圍的上限由放大器的1-dB壓縮點所決定。多級功率放大器的總的1-dB壓縮點主要由末級放大級來確定，