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1、TOPIC10 射频 微波放大器增益及稳定性 主要内容 放大器的基本原理放大器的分类放大器的特性指标放大器的功率关系放大器的功率增益放大器的稳定性判定稳定性判别圆绝对稳定有条件稳定稳定性措施 RF MW放大器的基本原理 放大器是无线收发机中的重要组成部件 类似于低频放大器 RF MW放大器电路是为了获取稳定的增益 其基本原理相同 在RF MW放大器电路中通常使用二端口网络进行描述 用S参量表述晶体管的特性 因此其分析和设计也是基于S参量和二端口网络 对射频电路而言 要特别关注输入端与输出端的阻抗匹配问题 RF MW放大器的分类 按用途 低噪声放大器中频放大器可变增益放大器功率放大器中功率放大器
2、 大功率放大器 按信号的强弱 小信号放大器大信号放大器按工作范围 宽带放大器窄带放大器按电路组态工作点的位置 A 甲 类 B 乙 类 C 丙 类 等 小信号放大器的性能指标 增益和增益平坦度 以dB表示 工作频率及带宽 单位Hz 稳定性噪声系数 以dB表示 输出功率 单位dBm 输入输出端口匹配 反射系数或驻波比 直流工作电压和电流 单位V和A 其他参数 线性度 动态范围 交调失真 谐波 反向隔离等 放大器的二端口网络表示 所有放大器 不管其内部结构是什么 都可以用线性二端口模型来描述 当频率在RF频段以上时 通常采用S 散射 参量来描述网络 b s a ai bi分别为输入 输出信号的振幅大
3、小 放大器的网络模型 下图为典型单级放大器 其输入端接信号源 输出端接负载 输入 输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率流容量 放大器的指标由其在特定偏置条件下的S参量确定 放大器的功率关系 如果把两个匹配网络分别归入信号源和负载阻抗中 则放大器电路可以简化如下图 由此模型分析放大器的功率关系 放大器的功率关系 设信号源阻抗为Zs 匹配网络阻抗为Z0 则信号源的归一化电压 已知b1是放大器输入端口的反射波 但对信号源来说它是入射波 b1被信号源Zs再反射后变成了向放大器入射的波 于是输入端口的入射波 因为 in 1 b1 a1 放大器的功率关系 所以 放大器的入射波功率 显然 放大器输入端
4、的实际输入功率应为入射波功率减去反射波功率 即 放大器的功率关系 如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配 即 或 则信号源到放大器之间有最大功率传输 在共轭匹配下信号源传给负载 放大器 的最大功率定义为信号源的资用功率 记作PA 可见 信号源资用功率与 s有关 放大器的功率关系 对于输出端口 应用同样的原理分析 已知a2是放大器端口2的入射波 但对负载来说它是反射波 所以有 又由S参量定义 整理得 因此 负载的输入功率 即负载吸收的功率 放大器的功率增益 射频微波晶体管放大器功率增益是管子S参数 信号源阻抗和负载阻抗的函数 信号源阻抗 负载阻抗与放大器的匹配状态不同时 所得功率增益是不同的
5、 通常有 转换功率增益 负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比 与两端阻抗都有关 即 GT PL Pa 实际功率增益 负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比 与源阻抗无关 与负载阻抗有关 即 G PL Pin 资用功率增益 二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比 源端和负载端均共轭匹配 与源阻抗有关 与负载阻抗无关 它是放大器增益的最大潜力 即 GA Pavs Pavs 转换功率增益 负载吸收功率与信号源资用功率的比值称为放大器的转换功率增益 即 由 输入 输出反射系数 在输出端口接ZL负载时 L a2 b2 代入S参量公式 有 求出输出端入反射系数 同理 当输入端口接源阻抗Zs时
6、 由求出输出端入反射系数 转换功率增益 应用 in out的表达式 转换功率增益可以改写成 GT的物理意义是 插入放大器后 负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍 GT反映了晶体管S参数和网络输入 输出端匹配程度对增益的影响 单向转换功率增益 如果忽略放大器反馈的影响 即认为S12 0 则 in S11 out S22 这时有 GTU与GT通常是非常接近的 因而常用上式作为放大器及其输入 输出网络近似设计的基础 由放大器的转换功率增益 可导出放大器的实际功率增益和资用功率增益 单向化转换功率增益 实际功率增益 实际功率增益是指负载吸收功率与放大器输入功率的比值 实际功率增益只
7、与S参数 L有关 而与 s无关 式中 in也与 s无关 只与 L有关 应用G的表达式便于研究负载变化对放大器功率增益的影响 资用功率增益 放大器资用功率增益是指放大器的资用功率与信号源资用功率的比值 因为时 放大器的资用功率 负载吸收的功率 由资用功率增益定义可得GA的物理意义是 插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍 实际上 放大器在输入 输出端都不见得是共轭匹配 GA只是表明放大器功率增益的一种潜力 应用GA的表达式便于研究信号源阻抗变换对放大器增益的影响 放大器增益总结 放大器的稳定性判定 射频放大器内部通常存在着反馈量S12 而反馈系统必然会引起稳定性
8、问题 源反射系数 输入端口反射系数 输出端口反射系数和负载反射系数这四个概念是理解双端口网络稳定性的关键 这四个反射系数是各自独立的 由S参量确定 根据的 物理意义 如果 1 则反射波幅度超过入射波 这说明电路出现正反馈 从而导致不稳定现象 因此 可以通过反射系数 来判断放大器的稳定性 微波管有内部反馈S12是反馈 S12 S21有相位移判断不稳定依据 输入或输出端是否等效有负阻 稳定性判别圆 稳定性判别圆 将放大器看作二端口网络 该网络由S参数及外部端接条件 L s确定 稳定意味着反射系数的模小于1 即 式中 稳定性判别圆 由于S参数在晶体管以及工作频率给定时是个定值 所以对稳定性有影响的参
9、数是 L和 s 考察 in 1的稳定性条件 将其中各参数分解为实部和虚部 代入 in 1 整理可得圆方程 推导过程可参考赵国湘 高葆新编 微波有源电路 P199 稳定性判别圆 上述圆方程可由以下参数确定 圆心 半径 由rout和Cout的表示式可见 S参数确定后rout和Cout在 L复平面上确定一个圆 称为稳定性判别圆 简称稳定圆 2020 5 22 26 可编辑 放大器的稳定性判定 以上讨论的是 L复平面上的 in 1圆 用同样方法由可得到在 s复平面上的稳定性判别圆 圆半径 圆心 式中 放大器的稳定性判定 输入端稳定性判别圆 下面讨论如何用稳定性判别圆判断稳定区域 放大器的稳定性判定 右
10、图示 L复平面上的稳定性判别圆的一种情况 in 1圆将 L复平面分成两个区域 根据定义 in 1的区域是潜在不稳定区 潜在不稳定是指在 L 1单位圆内存在不稳定区 圆外还是圆内是稳定区域 放大器的稳定性判定 由公式可见 如果 L 0 则 in S11 对应于 S11 1 有以下两种情况 若 S11 1 则原点区域为潜在不稳定区 但一般微波晶体管器件本身的 S11 均小于1 不会发生这种情况 放大器的稳定性判定 由以上分析可知 在 S11 1的条件下 稳定圆将 L平面分成圆内和圆外两个区域 其中包含原点的区域为稳定区 再考虑 L 1就可以确定保证放大器稳定时输出匹配网络 L的取值范围 另一部分的
11、 L为潜在不稳定区 in 1圆 有人称为 输入稳定判别圆 因为判别的是输入端口的稳定性 也有人称之为 输出稳定圆 因为它是输出负载平面上的判别圆 用来确定对输出负载的正确选择 由于各晶体管的S参数不同 稳定圆在 L复平面上的位置和大小也不同 稳定性判断实例 条件 S11 1 多频率点稳定性判别圆 放大器的稳定性判定 S22 1时 在 s复平面上稳定圆与单位圆的相对关系类似于 in 1圆与 L 1单位圆的关系 潜在不稳定原因是管内存在反馈S12 设计放大器时要避开不稳定区 而且 晶体管输入 输出互相影响 要保证在 L s两个平面上同时避开不稳定区 判别圆大小 位置取决于自身S参数 稳定性情况有多
12、种 需要掌握根据稳定性判别圆来确定 L s的取值范围 输入端稳定性判别圆圆心位置向量判别圆的半径输出端稳定性判别圆圆心位置向量判别圆的半径 式中 in 1 稳定性判别圆位置总结 out 1 绝对稳定 顾名思义绝对稳定是指在选定的工作频率和偏置条件下 放大器在整个Smith圆图内始终都处于稳定状态 这个概念对输入 输出端口都适用 由 L复平面上稳定圆可知 a d情况 L单位圆内全部是稳定区 即对于任意的 L 1的点都满足 in 1 若同时对任意的 s 1的点 也都满足 out 1 这样的晶体管是绝对稳定的 亦称无条件稳定 用这样的晶体管设计放大器 其两个端口连接的无源阻抗都可以任选 绝对稳定的必
13、要条件依据 化简得 定义稳定性系数绝对稳定的充分必要条件 绝对稳定的充分必要条件 绝对稳定的充分必要条件 若对 s上的稳定判别圆作稳定性分析 也可以得到完全相同的结论 因此 稳定性因子K对输入 输出端口都适用 K 1是放大器绝对稳定的必要条件 但还不是充分条件 可以证明绝对稳定的充分必要条件是 若S12 0 即单向化情况下 充分必要条件为 1 K 1是潜在不稳定 有自激振荡的可能性2 信源反射波小于信源入射波时不振荡 由图可知 得到不自激振荡条件 稳定性系数的性质 不自激振荡条件 信源阻抗50欧姆时 不会产生振荡 实际天线通常不是全匹配 尤其频带外失配较大 移动通信天线受环境影响大 源阻抗变化
14、大 基本规律 3 信源阻抗对稳定性有影响 稳定性系数的性质 网络两端口串联或并联电抗时 总网络K不变 K Ka 5 网络两端口串联或并联电阻时 总网络K增加 即稳定性改善 6 网络两端口之间加电抗时 反馈 总网络K改变串联负反馈可以在一定频带内加大K值 改善稳定性 是常用方法 稳定性系数的性质 有条件稳定 在上述6种可能性中的b c e f四种情况 L 或 s 单位圆内都存在不稳定区 设计放大器时为了避开不稳定区有两种办法 避开并远离不稳定区 即选择 L 或 s 单位圆内阴影区 仍能使输入 输出端口稳定 如果不稳定区内的某 L值使 in 1 但只要在输入端口所接 s能满足 s in 1 放大器
15、也不会自激 这两种办法虽然能使放大器仍然稳定工作 但包含着不稳定因素 如果端接条件有所变化 就可能会发生振荡 因此称为有条件稳定或潜在不稳定 有条件稳定 网络输入端口接Zs 但 in 1 已知 b1经 s再反射后进入输入端口为 如果 则说明来回反射趋于衰减 不可能引起自激 放大器的稳定性判定 由于晶体管输入 输出端互有影响 因此设计时要保证在 L和 s单位圆内同时都避开不稳定区 在具体设计步骤中 如果先避开输出平面上的不稳定区 根据指标要求选择了某个 L值 而 in与 L值有关 根据输入端口匹配要求选择的 s将与 L有关 必须检验该 s值是否也避开了输入平面上的不稳定区 如果设计步骤先选择 s
16、 情况类似 对有条件稳定的讨论表明 如果单位圆内不稳定区较小 则潜在不稳定条件下的设计是可能的 但总是尽可能工作于绝对稳定情况为好 放大器的稳定措施 输入端 放大器的稳定措施 输出端 放大器的稳定性判定步骤 S12 0 晶体管为单向器件 绝对稳定 S11 1 1时 是绝对稳定 对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件 依据噪声和增益指标进行设计 不满足稳定判据 是条件稳定 要用圆图找出 s和 L的取值范围 也就是采用稳定圆判别法 稳定圆可以直接计算 也可用商业软件 如AnsoftDesigner MicrowaveOffice SUPERCOMPACT等 设计实例 求双极结晶体管BFG505W的稳定区 工作条件为VCE 6V IC 4mA S参量表如下 解 根据k Cin rin Cout rout的定义 可以由S参量计算出各个频率上的状态 设计实例 THEEND 作业与思考题9 3 9 7 2020 5 22 51 可编辑
