射频与微波放大器设计

《射频与微波放大器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频与微波放大器设计（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、u 射频与微波放大器设计p射频和微波放大器设计 的基本考虑1 功率或信号电平小信号大信号 (高功率)2 工作带宽窄带宽带3 增益 高增益 (窄带)常数增益 (宽带)4 噪声低噪声5 多级放大器u 射频与微波放大器设计o基本设计方法 采用S参数来进行设计p微波放大器用基本器件双极晶体管 (较低频率)场效应管(较高频率，可以一直工作到毫米波 段）射频与微波放大器设计放大器的分类 A 类（甲类）放大器 A 类（甲类）放大器的特点是，在整个信号周期内，放 大器都工作于晶体管的工作区。B 类（乙类）放大器B 类放大器的特点是，在放大器的工作过程中，大约半 个信号周期的时间工作于晶体管的工作区。u 射频与

2、微波放大器设计放大器的分类AB 类（甲乙类）放大器在小信号时，放大器为A类工作，在大信号时，放大器 为B类工作的放大器称为AB类放大器。 C 类（丙类）放大器放大器在整个信号周期内，晶体管在工作区工作的时间 明显少于半个信号周期的放大器为C类放大器。u 小信号放大器设计o小信号放大器设计的基 本步骤 选择适当的器件或芯片工作频率增益噪声功率电平直流偏置设计偏置电压（Q点）的选 择一般来说，放大器直流 偏置电压对于应该选择 在IC-VCE曲线（双极晶 体管）或ID-VDS曲线（ 场效应管）的中部，以 保证晶体管在工作区（ 双极晶体管）或饱和区 （场效应管）工作。 u 小信号放大器设计直流偏置电路

3、的设计直流偏置电路的设计原则应该是：直流偏置的引入对微 波和射频信号没有影响，即一方面要防止微波和射频信 号从偏置泄漏，干扰偏置回路的正常工作，同时也要防 止外界干扰信号通过偏置回路影响微波和射频系统的工 作。因此直流偏置回路应该是一个低通滤波器，并且在与微 波回路相关的连接处向直流偏置看去的输入阻抗应该为 近似开路。 u 小信号放大器设计u 小信号放大器设计u 小信号放大器设计稳定性分析l稳定性判据绝对稳定条件稳定采用负反馈、电阻加载 等措施 n注意：不但要考虑工作带宽内 的稳定性，也要考虑工 作带宽外的稳定性匹配网络的设计l根据不同放大器的要求 ，进行匹配网络的设计 。带宽的考虑双向还是单

4、向设计增益与噪声设计的平衡级间匹配（共轭匹配）u 小信号放大器设计o窄带放大器设计工作带宽小于10%的放大器可认为是窄带放大器窄带放大器分类最大增益放大器高增益放大器最低噪声放大器u 高增益放大器设计举例例 15.1 设计一工作频率为3GHz，增益为15dB的放大器，选择如下 S参数的双极晶体管（VCE=4V ，IC=5mA）：解u 最大增益放大器设计 最大增益放大器实际上是高增益放大器设计的特例设计过程实际上是实现对输入和输出端的共轭匹配当S120时，采用单向设计应该核对设计误差是否满足 指标误差要求设计举例 u 低噪声放大器 (LNA)设计设计考虑设计的主要目标是使放大器的在噪声低于规定

5、值的前提下，尽可能获得较高的增益。大多数情况下，最小噪声和最大增益并不是同 时出现！u 低噪声放大器 (LNA)设计基本设计步骤设计的前五个步骤与其它类型的放大器是相同，此后 ，有 o计算输入和输出匹配网络的分配增益。o将常数噪声圆、源（输入）常数增益圆绘在同一张 Smith圆图上。o选择与预设的常噪声系数圆相交的输入（源）常增益 圆，作为增益设计的考虑，设计时应考虑到带宽的要 求。 u 低噪声放大器 (LNA)设计(4) 在选定的输入常数增益圆上选择在预定噪声圆内的 S值，设计输入匹配网络。 (5) 根据增益和带宽要求，选择L 值，设计输出匹配网 络。l设计举例 u 宽带放大器（BBA）设计

6、 1 宽带放大器的定义在宽带范围（一个倍频程甚至十个倍频程）内具有平 坦响应的放大器为宽带放大器。2 宽带放大器设计的基本考虑 设计的基本方法与前面研究的高增益放大器的基本设 计方法是相同的。由于器件参数和匹配网络特性随频率变化，宽带放大 器的设计比高增益放大器的设计复杂。 u 宽带放大器（BBA）设计宽带放大器的设计考虑l晶体管的 |S21| 和 |S12| 随频率变化的规律u 宽带放大器（BBA）设计宽带放大器的设计考虑l宽工作频带范围内的稳定性K因子依赖于|S12S21|的乘积，因此放大器的稳定性依 赖于|S12S21|随频率变化曲线的平坦度。lS11 和 S22在整个工作频率范围的变化

7、直接影响到输入和输出匹配网络的宽带设计。输入和 输出匹配网络的特性本身随频率变化。 l噪声系数在宽频带内的变化特性影响工作频带内的噪声特性 u 宽带放大器（BBA）设计3、宽带放大器设计的主要方法（1）匹配补偿技术 （2）综合网络设计技术 （3）平衡放大器技术（4）负反馈技术 u 宽带放大器（BBA）设计匹配补偿设计技术基本设计思想在放大器匹配网络的设计中，根据晶体管增益 随频率的变化特点，在输入和输出匹配网络的 设计过程中，引入适当的失配（一般是使高频 端尽可能匹配，低频端适当失配），使放大器 在整个频率范围内达到增益平衡的目的。设计举例 宽带放大器（BBA）设计平衡放大器设计 l平衡放大器

8、电原理图 u 宽带放大器（BBA）设计平衡放大器的工作原理(1) 端口1的输入功率通过3dB输入定向耦合器，在端口2 和3等分输出，相位相差900。在理想情况下，端口4没 有功率输出。 (2) 放大器 a 和 放大器 b 分别对端口2和端口3的输出 功率进行放大，由于两个放大器的特性是一样的，因 此，放大后的信号仍然是大小相等，相位相差900。 (3) 在输出3分贝定向耦合器的输入口，由放大器b输出的 信号比放大器a的输出信号滞后900，经过输出定向耦 合器后，在输出定向耦合器的端口2，合成信号的振幅 相等，相位相差1800，端口2没有输出，而端口3合成 的信号振幅相等，相位相同，即合成信号从

9、端口3输出 。宽带放大器（BBA）设计 平衡放大器的优点l反射系数 如果两个放大器特性是完全一致的（平衡），则整个 放大器是完全匹配的。因此平衡放大器允许各放大器 的输入和输出口是失配的。l增益 在理想情况下，整个放大器的增益等于单支路放大器 的增益 u 宽带放大器（BBA）设计 平衡放大器的优点l功率容量合成输出功率能力是单个放大器的两倍l可靠性即使有一路放大器损坏，仍然可以工作（增益将下降 6dB）设计举例 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术对于宽带（宽达20倍频程）、低增益变化的放 大器，负反馈是一项非常有效的技术。负反馈 技术唯一的缺点是由于在反馈回路中有电阻， 因此必然使噪声增加

10、，增益降低。 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术反馈放大器的分析反馈放大器的等效电路 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术分析：由图15.19b，负反馈放大器的导纳矩阵 Y 为其中 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）得出S参数其中 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）输入和输出口无反射， 有即或 由此得到 公式 15.19b 表明了两 个反馈电阻R1和R2满足 输入和输出口无反射所 必须的条件。 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）l负反馈放大器的增益适合于并-串反馈设计的三极管的条件R1的值总是正值（即R10），考虑最坏

11、情况，即 R1=0,由公式 15.9b,得到(gm)min的值 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）匹配条件下(gm)min的简单表达式：将式15.9c中的R2代入式15.20，有u由公式 15.19c 可以看出，一旦晶体管满足(gm)min情 况，增益S21只与反馈电阻R2有关，而与器件的参数无 关。因此，只要器件是线性工作的，在一个宽的频带 内放大器就可以保证增益的平坦性。 u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（分析）获得最小输入和输出驻波比的条件设计举例u 宽带放大器（BBA）设计负反馈技术（高频情况）l随着工作频率的增加，S21的相位将趋向于900 ，也就是说可能出现正反馈

12、的成分，由此引起 放大器的不稳定，为了保证放大器的稳定性， 可以在并联反馈元件上附加一个串联电感，以 改变反馈分量的相位。 u 多级小信号放大器设计 u 多级小信号放大器设计最大增益多级放大器设计 l设计目标获得最大的级连增益，也就是说应该使放大器的各级 都工作于最大增益条件下。l设计原理 所有端口（输入和输出）都应该共轭匹配。u 多级小信号放大器设计多级低噪声放大器设计l设计目标在满足最低噪声的基础上达到最大的带内增益l设计原理第一级采用最低噪声设计，当第一级的增益足够时， 后续各级可采用尽可能提高增益的方法。u注意！在多级放大器的设计中，一定要注意版图的布局，防 止前后级之间的串扰与耦合。

13、u 大信号放大器设计l大信号放大器和小信号放大器设计的不同之处设计参数：采用大信号 S 参数。工作状态：大部分为非线性状态。 分析方法：非线性分析方法 u 大信号放大器设计l大信号放大器设计 的基本考虑稳定性功率电平 增益 (线性和非线 性) 效率 线性特性 (谐波特 性)交调散热问题动态范围电磁兼容设计 机械结构u 大信号放大器设计l大信号放大器的设计方法修正 S-参数法 采用小信号放大器的S参数模型，但S21用大信 号下的新参数代替u 大信号放大器设计源和负载反射系数法依据生产厂商提供的在一分贝压缩点对应的源 反射系数、负载反射系数和输出功率参量进行 设计u 大信号放大器设计l大信号放大器

14、设计的基本概念u 1-dB 压缩点: 一分贝压缩点定义为在POUTPIN曲线上，功率 增益相对于小信号增益值减小一分贝的点。它 表征了放大器的非线性特性。即 u 功率放大器的最小信号电平和动态范围l最小信号电平 l放大器的最小输入可检测信号功率Pi,mds所对应的输出 功率Po,mds，必须大于放大器的输出噪声功率。 Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。 或u功率放大器的最小信号电平和动态范围l功率放大器的动态范围l功率放大器的动态范围定义为放大器的线性最 大输出功率P1dB（dB）和最小可检测输出功率 P0,mds（dB）之差，即 例u 交调的概念u定义 当非线性网络的输入端输

15、入两个以上不同频率 的正弦波信号时，如果在输出端得到了多余频 率的输出信号，则可以说由于网络的非线性， 使信号产生了交调。u 大信号放大器的交调现象 考虑在放大器输入端的两个归一振幅为1，不同频率的 正弦信号，即 在非线性放大器的输出端，有即，输出信号V0(t)不仅有原来输入信号的频率分量f1 和f2，同时也包含这两个信号频率的交调分量。u 非线性放大器的输出频谱u 交调的分类 a) 二次谐波: 2f1, 2f2 b) 三次谐波: 3f1, 3f2 c) 高阶谐波: nf1, nf2 n3 d) 二阶交调: f1f2 e) 三阶交调: 2f1f2, 2f2f1u 交调对接收系统的影响分析u对于

16、窄带功率放大器，除了三阶交调项（即 2f1-f2和2f2-f1）外，所有附加的频率分量都 可以通过滤波器被滤除掉。u由于三阶交调项落在放大器的工作带宽之内， 无法通过滤波去除。因此三阶交调是衡量信号 通过放大器失真程度的重要指标。 u 三阶交调与放大器动态范围 u 三阶交调与放大器动态范围 l由于三阶交调点比二阶交调低。因此三阶交调点决定了放大器动态范围或带宽的上限。u 三阶交调点(TOI)与放大器的动态范围 u 三阶交调点(TOI)与放大器的动态范围三阶交调点的功率 伪自由动态范围（DRf)DRf是使PIP为零时，P0,mds与Pf1的差值。可以证明当P2f1 -f2等于P0,mds时，有 例u 三阶交调功率的测