《阻抗匹配与Smith圆图资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阻抗匹配与Smith圆图资料（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、创新引领进步 深圳市远望谷信息技术股份有限公司 阻抗匹配与Smith圆图阻抗匹配与Smith圆图 王国海 2009年12月15日 热烈庆祝远望谷成立10周年 重温阻抗匹配与重温阻抗匹配与Smith圆图的理论与应用圆图的理论与应用 参考文献 射频电路设计 理论与应用 射频电路与芯片设计要点 实用无线电设计 无线应用射频微波电路设计 射频通信电路设计 射频与微波通信电路 分析与设计 第二版 射频电路设计 CMOS射频集成电路设计 射频与微波工程实践导论 2009年射频部培训讲义 目录 阻抗匹配的必要性和方法 Smith阻抗圆 Smith导纳圆 Smith阻抗导纳圆 集总参数阻抗匹配注意事项 传输线
2、与Smith圆 稳定圆 等增益圆 等噪声系数圆 等Q线 等VSWR圆 应用举例 结合Smith小软件 L型和 型匹配 多种圆图综合使用等 总结 阻抗匹配 Smith Chart 饮水思源饮水思源 Smith Chart的原始构想 出自美国贝尔电话实验 室的菲利普H 史密斯 Philip H Smith 1905 1987 史密斯在1939年3月的Electronic期刊上 发表 传输线计算器 Transmission Line Calculation 一文 提出以作图方式解 决传输线有关的计算问题 而所用的图表即被称为Smith Chart 最初Smith圆图的发明是为了帮助确定传输线的输入阻
3、抗 以后 Smith圆图被广泛的应用于匹配电路的辅助设计和显示测量的数据 Smith 圆图 Smith 圆图 Smith 圆图 Smith 圆图 Smith 圆图 应用举例 应用举例 应用举例 集总参数阻抗匹配注意事项 通常一个匹配网络有两类无源元件构成 电容和电感 尽可能多地使用电容而尽可能少地使用电感 如果电路是由分立元件构成的 电容的成本要远远低于电感 电容的面积要远远小于电感 电感的Q值要比电容低许多 元件标称值的限制 有时元件值太低以至于可以与寄生参数比拟 这时的性能不够 稳定 另外一个极端是元件值太高时性能也不可靠 Smith 圆图 稳定圆 二端口网络稳定条件 若不能同时满足上述两
4、个条件 则为有条件的稳定 潜在的不稳 定 对于晶体管放大器为有限的负载或源阻抗值稳定 即只有源反 射系数和负载反射系数在有限的范围内时 晶体管才能稳定地工作 222 1122 1221 11221221 1 1 2 1 SS k S S S SS S 不稳定现象的表现 增益变化 中心频率偏移 通频带变窄 谐振曲线变形等 极端情况 放大器自激振荡 完全不能工作 如何解决稳定性问题 选择合适的工作点 限制放大器增益 增加负反馈 选择内反馈 小的晶体管 消除寄生反馈 利用Smith圆图的图形近似法便能简介形象地找出负载和信号 源反射系数的稳定圆 输入稳定圆 输入稳定圆圆心和半径 该圆代表输入反射系数
5、等于1的点的轨迹 在圆的一边输入反射系数小于1 稳 定区域 在另一边则大于1 不稳定区域 若 则Smith圆图的中心 反射系数等于0 代表一个稳定点 1122 22 11 1221 22 11 s s SS C S S S r S 11 1S 输出稳定圆 输出稳定圆圆心和半径 该圆代表输出反射系数等于1的点的轨迹 在圆的一边输入反射系数小于1 稳 定区域 在另一边则大于1 不稳定区域 若 则Smith圆图的中心 反射系数等于0 代表一个稳定点 2211 22 22 1221 22 22 L L SS C S S S r S 22 1S 稳定圆例题 例 一个加有合适偏置的晶体管 其频率为2GHz
6、时的S参数 特征阻抗为50欧 如 下 请确定它的稳定性 若加入该晶体管可能存在不稳定性 画出稳定性判定圆 0 11 0 12 0 21 0 22 0 89460 6 0 0262 4 3 122123 6 0 78127 6 S S S S 等增益圆 列举放大器的功率增益的三种定义 转换功率增益 工作功率增益 可用功率增益 22 2 21 22 22 11 11 SL L T AVS INSL P GS P S 输送到负载的功率 信号源可用功率 2 22 2 2 21 2 1 1 1 1 L L IN IN L P S S P P G 网络输入功率 输送到负载的功率 2 2 212 11 2
7、1 1 1 1 OUTS S AVS AVN A S S P P G 信号源可用功率 网络可用功率 单向化转换功率增益 令S12 0 得到 其中 TU G 2 2 11 1 1 s S s G S 2 2 22 1 1 L L L G S 2 21 o GS 12 222 21 00 2 1122 1 1 1 1 sL TUT SSL sL S GGG GG SS 当时 s1122L SS 2 max2122 1122 11 11 TU GS SS 在时 可获得最 大增益 产生一个等增益对 应的数值在Smith圆 图上是一个圆 iii S S G 2 1 1 ii S i G i 等增益圆的圆
8、心和半径如下 其中为归一化增益系数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 iii i iii iii i iii g S c gS Sg R gS i g 2 1 iiii gGS 11 22 iS ii iL ii max 0 ii GG 等增益圆例题 例 一个加有合适偏置的晶体管 其频率为2GHz时的S参数 特征阻抗为50欧 如下 对应 3和0dB 5和1dB 分别画出相应的等增益圆 0 1 1 0 1 2 0 2 1 0 2 2 0 8 9 46 0 6 0 0 26 2 4 3 1 2 21 2 3 6 0 7 8 12 7 6 S S S S L G S G 单向增益设计通过提供一个近
9、似增益解 简化了放大 器的设计 却忽略了晶体管的反馈及随之而来的源和负载 阻抗的相互影响 对于一个无条件稳定的晶体管 或者一个本来不稳定但经过采用 稳定技术以后的晶体管 找到一个同时满足源和负载的共轭匹配是 完全可能的 源和负载同步共轭匹配后 晶体管便能获得最大稳定的增益 212 max 12 1 T S GKK S 单向设计与同步共轭匹配设计方法获得的源阻抗和负 载阻抗存在着巨大的差异 例 某晶体管无条件稳定 在1GHz频率上 由单向设计可以得到 Zs 10 494 j 9 796和Zl 88 493 j 46 646 在1GHz频率上 由同步共轭匹配设计可以得到 Zsm 4 144 j 6
10、 335和Zlm 54 355 j 117 564 实际设计时 是单向设计还是双向设计 答 取决于误差 在实际情况下的增益和单向增益的关系如下 U被称为单向指标 单向因子或单向性可信值 T G TU G 22 11 1 1 T TU G UGU S R 取其右边包含 L R 100 的 L 型网路 为高 Q 值的网路 由设计要求 已知电路负载 Q 值为 L Q 4 以 3 2 式求假想电阻 V R 已知 H R L R 100 得 2 100 1 538 14164 H V L R R Q 所得结果合乎 V R S R L R的条件 有 2 L 2 C组成的 L 型网路 电路 Q 值要求为 4
11、 因此每一元件的 Q 值 设为 1 Q及 2 Q 则 12 28 L QQQ 计算并联电容 2 C 串联电感 2 L的电抗值 各为 2 2 100 12 5 8 L C R X Q 21 8 1 538 12 3 LV XQR 再由图 3 2 a 电路 计算左边连结10 S R 的 L 型网路的 Q 值 因 V R及 S R都为已知 由 L 型匹配网路的 设计程序 可得 12 10 112 346 1 538 S V R QQ R 以及所得 1 Q及 2 Q值 计算电感 1 L及电容 1 C的电抗值 得 11 2 346 1 538 3 608 LV XQR 1 2 10 4 263 2 34
12、6 S C R X Q 在信号频率 0 f 3 75MHz 时 各元件值为 1 C 6 01 11 9955 223 75 104 263 C pF f X 12 12 6 0 3 608 12 3 675 223 75 10 LL XX LLLnH f 2 C 6 0 11 3395 2223 75 1012 3 c pF f XC 设计完成的 型阻抗匹配电路 由两个 L 型网路组成 以 11 LC组成者 为一低 Q 值宽频带电路 阻抗匹配网 路的负载 Q 值 由 2 L 2 C组成的 L 型网路主导 电路如图 a 经 V R转换的阻抗匹配 b 设计完成的阻抗匹配电路 图 3 2 10 10
13、0 的 形阻抗匹配电路 晶体管放大器综合设计例题 综合应用Smith各种圆图 某低噪声晶体管 直流偏置为Vce 8V和Ic 10mA 在1GHz 50欧 系统中测量得到的散射和噪声参量为 设计一个能够提供16dB功率增益且噪声系数低于2 5dB的放大器 0 1 1 0 2 1 0 1 2 0 2 2 0 61 6 3 7 1 28 6 0 0 3 93 5 0 53 8 S S S S 0 minnopt 1 380 0649FdBR 总结 在RF电路设计与仿真中 Smith圆图能够 读取阻抗 导纳 反射系数 驻波比和Q值等 阻抗和传输线匹配网络的设计 射频放大器的设计 射频振荡器的设计等 仿真数据与实际电路结果存在着差异 程序仿真非常理想的模型 小信号S参数 电路不是仿真出来的 而是设计出来的 仿真只是提供一个变化的趋势和走向 真正电路设计的高手乃是经历多年实践积累的高工们 谢谢
