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1、1,第九章 射频放大器,放大器的工作原理; LNA,PA,GA特点和主要技术指标; 射频放大器设计基本步骤; LNA/PA的设计方法。,掌握射频放大器原理、特点和主要技术指标; 射频放大器基本电路拓扑结构，设计方法（DC偏置网络、输入/输出阻抗匹配、稳定电路的设计方法）和电路性能仿真方法。,本章内容,2,2GHz功放的第一级放大器简化电路图,2GHz功放电路版图(HMIC),RF放大器电路基本拓扑结构 （1）直流(电压/电流)偏置电路 （2）阻抗匹配/转换电路 （3）控制和保护电路,3,20-40 GHz PHEMT MMIC Amp,4,3级2.6GHz 40W功放电路版图(HMIC),5,
2、&9.1 射频放大器的工作原理,BJT共射(CE)放大电路,CE BJT 放大电路拓扑,放大器功能:放大信号。在通信系统中,放大器放大信号电压、电流或功率电平。放大器的另一种功能是实现有源阻抗匹配，如跟随器，其为电压增益为1的放大器。,6,RbRi Rirbe Ro ro,当RL=Ro时,单向等效电路模型,7,CE BJT放大器的输入/输出关系,RF放大器放大了RF信号, 放大的功率并不是由放大器本身提供的，而是由电路中的直流电源提供的，放大器的作用是在输入信号的控制下，将一部分直流功率转换为RF(交流)功率。因此RF放大器实质上是一个可控的直流-RF的能量转换器。,8,1.增益,电压增益,或
3、,电流增益,功率增益,或,或,工作在低频,6.2 放大器主要技术指标,9,工作在射频,射频放大器结构框图,简化的单级射频放大器,10,放大器输入端口的实际输入功率,信号流图,11,放大器转换(传输)功率增益Gtu,放大器资用功率增益GA,放大器功率增益GP,12,2.频率响应特性任何实际放大器都是有限的频带响应,其在一定的通带范围内幅频特性平坦，相频特性恒定(180,反相放大器，同相为0),放大器放大倍数的幅相频率响应,13,带宽增益下降不超过XdB的频率范围BWA=fH-fL当fL=0，即所谓的“直流”放大器。特征频率 fT电流增益值下降为0dB时对应的高端频率。,工程上,选择放大器并非要求
4、BWAWBS(传输的通信信号的实际带宽),而要求BWAWBS即可。,3.噪声系数 NF衡量放大器本地噪声大小。,14,4. 隔离度衡量放大器输入端与输出端之间相互隔离的程度，表征了信号反向传输引起的串扰程度。主要原因在于晶体管极间的电容和寄生元件引起的耦合效应。,5.线性度及线性动态范围,放大器本质上是非线性器件,随着输入信号的增大,输出中将有各种交调成分和谐波分量,导致信号失真。放大器的线性度用失真程度表征,失真小, 线性度高。,交调失真比,15,线性动态范围(DR),放大器无失真放大信号的输入信号功率变化范围。,线性动态范围: P1dB(dBm)-输出端本地噪声功率(dBm),6. 效率,
5、漏极(集电极)效率,功率增加效率(Power-Added-efficiency),16,平均效率Pav,7.端口回波损耗或驻波比,衡量放大器输入输出端口阻抗匹配特性，常用回波损耗(dB)或电压驻波比()表征,回波损耗,17,电压驻波比(),为什么工程上常要用分贝增益/回波损耗 增益/回波损耗很大/很小时，其对数值较小; 对数对绝对值大小不敏感，但对变化率敏感; 人耳对音响的听觉与强度呈对数关系; 多级放大器级联时增益计算方便，乘变加; 计算信号大小方便。,18,&9.3 射频放大器设计的理论,放大器稳定性,有源器件稳定性,条件稳定 无条件稳定,稳定因子K(Rollers),有源器件输出端接负载
6、的信号流程图,K1,晶体管是绝对(无条件)稳定的,K1, 无条件稳定,Mul/Mus1），最大MAG以6dB滚降!,0.5um MESFET的MSG/MAG,21,输出端接负载的信号流程图,Mason定律,放大器稳定性,输出端稳定的边界条件( ),输入端稳定的边界条件( ),22,在Smith圆图上，在圆内或圆外的所有阻抗会使得放大器的输入/输出端反射系数大于一，最终导致不稳定。这个圆称为负载/源阻抗稳定圆.,Smith圆图上稳定圆判定：（a）稳定阻抗区域部分在Smith圆内，（b）稳定阻抗区域部分在Smith圆内且包含了50欧点.,23,（c）不稳定阻抗区域完全在圆外，（d）稳定阻抗区域完全
7、包含Smith圆，（e）不稳定阻抗区域完全在圆内但没有包含50欧点（f）稳定阻抗区域完全在圆内且包含50欧点.,点,24,有源器件/放大器的稳定性的改善方法,Resistance loading stabilization methods,Series/shunt negative feedback stabilization methods,25,传输增益:传输到负载的功率与从源可获得的功率的比值!,单向传输增益,等增益圆,26,27,Constant source gain circles in the Smith Chart.,Constant load gain circles in
8、the Smith Chart.,28,负载阻抗匹配的等增益圆和负载稳定圆,这些等增益圆的使用必须与稳定圆相结合，因为当值小于1时，高增益圆可能部分或全部落入不稳定区域。,29,&.4 RF放大器设计,（1）确定直流工作点,设计直流偏置电路; （2）确定Q点下有源器件特性(稳定性,增益,NF,功率,效率,IMn,等); （3）设计阻抗匹配/转换电路,实现要求的放大器性能;(4) 设计控制和保护电路(按需要).,RF放大器设计任务,30,RF放大器设计步骤及方法,Select DC biasing conditions; Design DC biasing circuits; Select S-
9、parameters for given bias and operating frequency or linear/nonlinear model; Build input and output matching networksfor desired frequency response with RF/DC isolation; 5. Simulate amplifier performance on thecomputer (EDA Tools); 6. Fabricate Amp; 7. Test Amp for validation.,31,确定直流工作点,设计直流偏置电路,直流
10、工作点确定了放大器类型及特性(G, Pout, NF, IM, PAE, etc.), 选择直流工作点取决于应用要求.,Class A/B/C/D/E/F/Invert F (甲,乙,丙,丁,等),放大器类型,32,各类型放大器特性,甲类放大器,主要应用领域: LNA, GA, 线性PA,33,乙类放大器,主要应用领域: 高效率PA,34,35,The DC voltage and current waveforms,不同类型放大器中晶体管极上的电压和电流波形,36,放大器类型与特性,1. Class A/B Linear Amp, Class D/E/F high Eff Amp.2. Cl
11、ass AB/F have the same Psat, F 15% higher Eff, E highest Eff.3. For the same Eff, F have high Pout than Class E, For the Pout, Class F have lower IMn than Class E.,37,直流偏置电路设计要点,直流偏置电路功能是为有源器件提供选择的工作点,其本质是一个低通滤波器,起到通直流,隔交流的作用.,直流偏置电路可以实现下列功能:,偶次谐波抑制; 改善放大器的稳定性; 部分匹配电路.,38,直流(电压/电流)偏置电路设计,There are t
12、wo types of Techs Passive Biasing (or self-biasing) TechResistive networks, Rrawback: poor temperature stability Active Biasing TechAdditional active components (thermally coupled)Drawback: complexity, added power consumption,39,1. Passive Biasing Tech, Simple two element biasing Blocking capacitors
13、 CB and RFCs to isolate RF path; Very sensitive to collector current variations, Voltage divider to stabilize VBE Freedom to choose suitable voltage and current settings (Vx, Ix) Higher component count, more noise susceptibility,40,要求R1/R2Ri DC偏置取IbQ= IcQ/B, I110 IbQ Vb稳定原理：温度变化IcQ VcQ Vbe (VbQ 不变)
14、IbQ IcQ ,例题1: CE BJT 放大器的无源偏置电路分析,41,例题2: 双BJT直接耦合的无源偏置电路分析,稳定过程： I2 Vb 1 I1 Vb 2 I2,42,2. Active Biasing Tech, Base current of RF BJT (Q2) is provided by low-frequency BJT Q1 Excellent temperature stability (shared heat sink) high component count, more complex layout,43,3. Common FET Biasing Tech,B
15、i-polar power Supply(VG0),Uni-polar power supply (Self-biasing),44,Other FET Biasing Techs,Self-Biasing Tech,Active Load Biasing Tech,Const Current Source Self-Biasing Tech,45,4 Transmission Line biasing Tech,偶次谐波抑制; 改善放大器的稳定性.,特点:,46,确定Q点下有源器件特性,有源器件在不同的直流偏置点Q的稳定性,增益,NF,功率,效率, IMn,等特性是不同的!,1. 有源器件的稳定性,RF放大器电路结构,47,BFG505W (BJT) S-parameters (Vce=6V, Ice=4mA) as a function of frequency,例题:,48,阻抗匹配/转换电路设计取决于放大器要求的增益,NF,功率,效率,IMn,等指标,即放大器的种类: LNA,PA, GA.,LNA阻抗匹配/转换电路设计,LNA阻抗匹配/转换电路设计步骤,1. 确定要求的最小噪声源阻抗,Build input and output matching networks for desired frequency response with RF/DC isolation.,
