射頻與微波放大器設(shè)計(jì)

1、射頻與微波放大器設(shè)計(jì),基本設(shè)計(jì)方法—采用S參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)微波放大器用基本器件雙極晶體管 (較低頻率)場(chǎng)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(jì) ——放大器的分類,A 類（甲類）放大器 A 類（甲類）放大器的特點(diǎn)是，在整個(gè)信號(hào)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(diǎn)是，在放大器的工作過程中，大約半個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間工作于晶體管的工作區(qū)。,射頻與微波放大器設(shè)計(jì)

2、 ——放大器的分類,AB 類（甲乙類）放大器在小信號(hào)時(shí)，放大器為A類工作，在大信號(hào)時(shí)，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(gè)信號(hào)周期內(nèi)，晶體管在工作區(qū)工作的時(shí)間明顯少于半個(gè)信號(hào)周期的放大器為C類放大器。,小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)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(jì)偏置電壓（Q點(diǎn)）的選擇一般來說，放大器直流偏置電壓對(duì)于應(yīng)該選擇在IC

3、-VCE曲線（雙極晶體管）或ID-VDS曲線（場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管）工作。,小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),直流偏置電路的設(shè)計(jì)直流偏置電路的設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是：直流偏置的引入對(duì)微波和射頻信號(hào)沒有影響，即一方面要防止微波和射頻信號(hào)從偏置泄漏，干擾偏置回路的正常工作，同時(shí)也要防止外界干擾信號(hào)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(gè)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(hào)放大器設(shè)計(jì),,小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),,小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性判據(jù)絕對(duì)穩(wěn)定條件穩(wěn)定采用負(fù)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(jì)根據(jù)不同放大器的要求，進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。帶寬的考慮雙向還是單向設(shè)計(jì)增益與噪聲設(shè)計(jì)的平衡級(jí)間匹配（共軛匹配）,小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),窄帶放大器設(shè)計(jì)工作帶寬小于10%的放大器可認(rèn)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(jì)舉例,例 15.1設(shè)計(jì)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(jì),最大增益放大器實(shí)際上是高增益放大器設(shè)計(jì)的特例設(shè)計(jì)過程實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入和輸出端的共軛匹配當(dāng)S12≠0時(shí)，采用單向設(shè)計(jì)應(yīng)該核對(duì)設(shè)計(jì)誤差是否滿足指標(biāo)誤差要求設(shè)計(jì)舉例,低噪聲放大器 (LNA)

6、設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)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(shí)出現(xiàn)！,低噪聲放大器 (LNA)設(shè)計(jì),基本設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)的前五個(gè)步驟與其它類型的放大器是相同，此后，有 計(jì)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(jì)的考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到帶寬的要求。

7、,低噪聲放大器 (LNA)設(shè)計(jì),(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(jì)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(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì),1 寬帶放大器的定義在寬帶范圍（一個(gè)倍頻程甚至十個(gè)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(jì)的基本考慮 設(shè)計(jì)的基本方法與前面研究的高增益放大器的基本設(shè)計(jì)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(jì)比高增益放大器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——寬帶放大器的設(shè)計(jì)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(jì) ——寬帶放大器的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)。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(jì),3、寬帶放大器設(shè)計(jì)的主要方法（1）匹配補(bǔ)償技術(shù)（2）綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)（3）平衡放大器技術(shù)（4）負(fù)反饋技術(shù),寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——匹配補(bǔ)償設(shè)計(jì)技術(shù),基本設(shè)計(jì)思想在放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)晶體管增益隨頻率的變化特點(diǎn)，在輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到增益平衡的目的。設(shè)計(jì)舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——平衡放大器設(shè)計(jì),平衡放大器電原理圖,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——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(duì)端口2和端口3的輸出功率進(jìn)行放大，由于兩個(gè)放大器的特性是一樣

11、的，因此，放大后的信號(hào)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(hào)比放大器a的輸出信號(hào)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(hào)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(hào)振幅相等，相位相同，即合成信號(hào)從端口3輸出。,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì)——平衡放大器的優(yōu)點(diǎn),反射系數(shù) 如果兩個(gè)放大器特性是完全一致的（平衡），則整個(gè)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(gè)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(jì)——平衡放大器的優(yōu)點(diǎn),功率容量合成輸出功率能力是單個(gè)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(jì)舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——負(fù)反饋技術(shù),對(duì)于寬帶（寬達(dá)20倍頻程）、低增益變化的放大器，負(fù)反饋是一項(xiàng)非常有效的技術(shù)。負(fù)反饋技術(shù)唯一的缺

13、點(diǎn)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(jì) ——負(fù)反饋技術(shù),,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——負(fù)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(jì) ——負(fù)反饋技術(shù),分析：由圖15.19b，負(fù)反饋放大器的導(dǎo)納矩陣 [Y] 為其中,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——負(fù)反饋技術(shù)（分析）,得出S參數(shù)其中,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——負(fù)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(gè)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(jì) ——負(fù)反饋技術(shù)（分析）,負(fù)反饋放大器的增益適合于并-串反饋設(shè)計(jì)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(jì) ——負(fù)反饋技術(shù)（分析）,匹配條

15、件下(gm)min的簡(jiǎn)單表達(dá)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(gè)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(jì) ——負(fù)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(jì)舉例,寬帶放大器（BBA）設(shè)計(jì) ——負(fù)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(gè)串聯(lián)電感，以改變反饋分量的相位。,多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì),,多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ——最大增益多級(jí)放大器設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)目標(biāo)獲得最大的級(jí)連增益，也就是說應(yīng)該使放大器的各級(jí)都工作于最大增益條件下。 設(shè)計(jì)原理 所有端口（輸入和輸出）都應(yīng)該共軛匹配。,多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì) ——多

17、級(jí)低噪聲放大器設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)目標(biāo)在滿足最低噪聲的基礎(chǔ)上達(dá)到最大的帶內(nèi)增益設(shè)計(jì)原理第一級(jí)采用最低噪聲設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益足夠時(shí)，后續(xù)各級(jí)可采用盡可能提高增益的方法。注意！在多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)中，一定要注意版圖的布局，防止前后級(jí)之間的串?dāng)_與耦合。,大信號(hào)放大器設(shè)計(jì),大信號(hào)放大器和小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的不同之處設(shè)計(jì)參數(shù)： ——采用大信號(hào) 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(hào)放大器設(shè)計(jì),大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)范圍電磁兼容設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu),大信號(hào)放大器設(shè)計(jì),大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法修正 S-參數(shù)法 采用小信號(hào)放大器的S參數(shù)模型，但S21用大信號(hào)下的新參數(shù)代替,大信號(hào)放大器設(shè)計(jì),源和負(fù)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的源反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)和輸出功率參量進(jìn)行設(shè)計(jì)

19、,大信號(hào)放大器設(shè)計(jì),大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的基本概念 1-dB 壓縮點(diǎn): 一分貝壓縮點(diǎn)定義為在POUT—PIN曲線上，功率增益相對(duì)于小信號(hào)增益值減小一分貝的點(diǎn)。它表征了放大器的非線性特性。即,功率放大器的最小信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍,最小信號(hào)電平 放大器的最小輸入可檢測(cè)信號(hào)功率Pi,mds所對(duì)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(hào)

20、電平和動(dòng)態(tài)范圍,功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍功率放大器的動(dòng)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(cè)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(gè)以上不同頻率的正弦波信號(hào)時(shí)，如果在輸出端得到了多余頻率的輸出信號(hào)，則可以說由于網(wǎng)絡(luò)的非線性，使信號(hào)產(chǎn)生了交調(diào)。,大信號(hào)放大器的交調(diào)現(xiàn)象,考慮在放大器輸入端的兩個(gè)歸一振幅為1，不同頻率的正弦信號(hào)，即 在非線性放大器的輸出端，有

21、即，輸出信號(hào)V0(t)不僅有原來輸入信號(hào)的頻率分量f1和f2，同時(shí)也包含這兩個(gè)信號(hào)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(duì)接收系統(tǒng)的影響分析,對(duì)于窄帶功率放大器，除了三階交調(diào)項(xiàng)（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(xiàng)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(hào)通過放大器失真程度的重要指標(biāo)。,三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍,,三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍,由于三階交調(diào)點(diǎn)比二階交調(diào)低。因此三階交調(diào)點(diǎn)決定了放大器動(dòng)態(tài)范圍或帶寬的上限。,三階交調(diào)點(diǎn)(TOI)與放大器的動(dòng)態(tài)范圍,,三階交調(diào)點(diǎn)(TOI)與放大器的動(dòng)態(tài)范圍,三階交調(diào)點(diǎn)的功率 偽自由動(dòng)態(tài)范圍（

23、DRf)DRf是使PIP為零時(shí)，P0,mds與Pf1的差值。可以證明當(dāng)P2f1-f2等于P0,mds時(shí)，有 例,三階交調(diào)功率的測(cè)量 ——雙頻測(cè)試技術(shù),在放大器輸入端輸入兩個(gè)頻率相近、功率相等的信號(hào)。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(hào)條件下的源反射系數(shù)Гsp和負(fù)載反射系數(shù)ГLp,定義晶體管的

24、大信號(hào)源反射系數(shù)Гsp 是指在大信號(hào)條件下，晶體管輸入端的反射系數(shù)。晶體管的大信號(hào)負(fù)載反射系數(shù)ГLp 是指在大信號(hào)條件下，晶體管輸出端的反射系數(shù)。,大信號(hào)源反射系數(shù)和 負(fù)載反射系數(shù)的測(cè)量,,等功率線,根據(jù)測(cè)量出ГSP 和ГLP后, 我們可以得出一套大信號(hào)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(hào)設(shè)計(jì)的參考,,A類大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)—修正S參數(shù)法,對(duì)于在大信號(hào)情況下工作的A類

25、放大器，除了S21外，所有其它小信號(hào)S參數(shù)都可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。而S21則會(huì)隨功率電平和頻率的增加而減小，如果我們知道大信號(hào)時(shí)的S21，我們就可以直接采用小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法，來設(shè)計(jì)A類大信號(hào)放大器。例,大信號(hào)功率放大器設(shè)計(jì)2 —源和負(fù)載反射系數(shù)法,設(shè)計(jì)步驟:1. 對(duì)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(diǎn)。3. 基于ГLp，計(jì)算ГIn。4. 對(duì)

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

27、) 穩(wěn)定性 a) 每級(jí)的穩(wěn)定性問題；  b) 整個(gè)放大器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (2) 設(shè)計(jì)目標(biāo)： 多級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是獲得盡可能高的功率輸出和效率，即每級(jí)的輸出功率都應(yīng)在大信號(hào)條件下，盡可能接近P1-dB壓縮點(diǎn)。,多級(jí)大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì),(3) 設(shè)計(jì)原理  利用功率曲線，在POUT=Pmax點(diǎn)選擇ΓLp，對(duì)于各級(jí)放大器的輸入和輸出端都采用共軛匹配，達(dá)到最大功率傳輸。,多級(jí)

28、大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì),,多級(jí)功率放大器的三階交調(diào)點(diǎn),假設(shè)各級(jí)都是同相的情況，對(duì)于多級(jí)大功率放大器，級(jí)連的三階交調(diào)點(diǎn)PTOI為：如各級(jí)增益相同，則,多級(jí)功率放大器的的動(dòng)態(tài)范圍,動(dòng)態(tài)范圍的低限 級(jí)連放大器的最小可檢測(cè)輸出信號(hào)主要由第一級(jí)的最小檢測(cè)信號(hào)確定。,多級(jí)功率放大器的的動(dòng)態(tài)范圍,動(dòng)態(tài)范圍的上限 多級(jí)功率放大器動(dòng)態(tài)范圍的上限由放大器的1-dB壓縮點(diǎn)所決定。多級(jí)功率放大器的總的1-dB壓縮點(diǎn)主要由末級(jí)放大級(jí)來確定，