射频放大器的设计.ppt

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1、第六章 射频放大器的设计,6.1 射频放大器的特性指标和基本构成,1.RF放大器的基本构成:,2.特性指标,(1)增益：,转换功率增益：,单向化功率增益：,资用功率增益：,功率增益：,(2)增益平坦度：在工作频带内，增益的不均匀程度。如：不均匀度0.5dB,1dB.,(3)工作频率及带宽：工作频率：一般指放大器具有最正常放大状态的中心频率；带宽：指放大器具有正常放大状态的频率范围。,(4)输出功率：表示放大器在输出信号满足一定的线性要求前提下，所具有的输出能力。,(5)直流输入功率：放大器工作时，对电源的耗电。,(6)输入、输出端驻波系数：在规定的参考阻抗条件下，衡量放大器的输入阻抗和输出阻抗

2、对参考阻抗的接近程度。,(7)噪声系数：RF放大器本身产生热噪声的指标。在微弱信号放大时，必须是低噪声放大器。,(8)稳定性：放大器在工作频带内必须是稳定工作的，不能产生自激振荡。,3.稳定性判定,自激振荡：当放大器的输入端的输入信号为0，其输出端仍有振荡信号输出，此放大器就处于自激振荡状态。,稳定放大器：放大器的输出信号又依赖于输入信号的存在而存在、变化而变化。,放大器的稳定性：绝对稳定(无条件稳定)：此时任何负载阻抗和源阻抗都能使放大器稳定。潜在不稳定(有条件稳定)：负载和源阻抗不能任意选择，有一定的限制才能使放大器稳定。,放大器稳定性判定原则：判定放大器的输入和输出端是否具有负阻现象：有

3、负阻-自激；无负阻-稳定,对于输入端口：设放大器的输入阻抗为：,对于输出端同理：无负阻时，必须：,由输入和输出稳定条件得放大器稳定性判据：,采用”稳定因子k”判定绝对稳定:,如果给出了电路端口或元器件的S参数条件,则:放大器输入/出的绝对稳定的判定可用稳定因子方法:,放大器的稳定措施：,1.通常在输入、输出回路中增设阻尼电阻(串联或并联)；2.选合适参数的放大器件;3.选择合理的工作点;4.正确选择组成谐振电路的L/C值关系(串联:L高,Q高;并联:C高,Q高)。,6.2 RF放大器的设计(本课程只讨论单向化设计),单向化设计条件：S12=0(若晶体管的S12很大，那就意味着此管很差),增益分

4、析：,其中：,GS表明由输入端匹配情况及S11数值大小所致的附加增益，匹配时：GL 表明由输出端匹配情况及S22数值大小所致的附加增益，匹配时：,G0 放大元件本身的放大能力。,所以放大器的匹配状态直接影响放大器的增益性能！,以单级微带放大器设计为例，介绍设计步骤：,设计步骤：,1.输入匹配网络设计：,已知晶体管的S11，目的：将S11对应的阻抗值与参考阻抗Z0(通常源阻抗数值为Z0)进行共轭匹配。本方法为了简便，就都在导纳圆图上进行。,步骤：,将S11点标于导纳圆图，为y11点；,从y11开始，沿等 圆向传输线始端方向行进 L1 至y11点，(此时，须：Re(y11)=1;那么，只要制造一个

5、并联的“-Im(y11)”就实现了共轭匹配),再找到“0-Im(y11)”点，从“0-Im(y11)”点开始，沿g=0圆(因为并联导纳)向传输线终端方向行进L2至短路/开路点，这样就制造了一个并联导纳数值为“-Im(y11)”与“+Im(y11)”抵消，就实现了共轭匹配，此时，在此终端点处，是短路点(或开路点)，则短截线L2就为短路线(或开路线)。,2.输出匹配网络设计：,已知晶体管的S22，目的：将S22对应的阻抗值与参考阻抗Z0(通常外负载阻抗数值为Z0)进行共轭匹配。为方便微带以并联为电纳为主，匹配过程在导纳圆图上进行。步骤：1.将S22标于导纳圆图，为y22点;,2.从y22开始，沿等

6、 圆向传输线始端方向行进 L3 至y22点，(此时，须：Re(y22)=1;那么，只要制造一个并联的电纳“-Im(y22)”就实现了共轭匹配)3.再找到“0-Im(y22)”点，从“0-Im(y22)”点开始，沿g=0圆(因为并联导纳)向传输线终端方向行进L4至短路/开路点，这样就制造了一个并联导纳数值“-Im(y22)”与“+Im(y22)”抵消，就实现了共轭匹配，此时，在此终端点处，是短路点(或开路点)，则短截线L4就为短路线(或开路线)。,3.微带放大器电路形式,实际各线长：,另外，其它匹配形式：S11(或S22)先消去对应阻抗的虚部，再将剩下的实部经 线转换成Z0值。,4.偏置注入网络

7、：(1)若微带线匹配网络应用短路短截线，则可以直接将直流偏置从短路线的交流短路点注入。,(2)若微带线匹配网络中不应用短路短截线，则直流偏置必须经过 短路线注入。,6.3宽带RF放大器,1.频率补偿匹配：原理：在放大器的输入或输出端口引入适当的失配，用于补偿S参数的频率特性。方法：(1)输入端选频匹配，并且匹配网络的Q值较小，带相对较宽；同时，输出端口采用纯电阻或阻抗作为直流负载(纯电阻负载对频率无关！阻抗负载使得高频时阻抗上升！以弥补 随 而)。,(2)故意将匹配网络设计在高频端，这样使高频端匹配良好，高频端匹配网络的附加增益相对较高，以弥补高频端 的变小，使高频端总增益不至于过低；同时，在

8、低频端侧，匹配网络造成一定的失配，使匹配网络的附加增益很小(小于1倍)，由于在低频端 较高，这样使得低频端的总增益不至于过高！最终使放大器在整个工作带宽内实现均匀。,2.负反馈(频率很高的RF放大器，不用负反馈来展宽频带),原理：同低频模拟放大器的负反馈作用！优点：能提高带宽(使通带内增益平坦)，降低通带内输出、输入驻波系数，降低放大器的离散性，造成放大器性能不一致。缺点：不能发挥晶体管的最大功率增益；噪声性能变差。,随着工作频率的增加，负反馈网络电路更容易受到寄生参数的影响。当频率超过5GHZ(左右)时，这类集总参数元件方案就开始失效了。所以频率较高的RF放大器不采用负反馈网络,3.平衡放大

9、器,(Z0为吸收电阻：使得1口与4口之间相互隔离)，且1口与4口相位相差：90。（1口滞后于4口）,微带：功分器(无相移)微带功分器倒接成为：微带带路功率合成器A1、A2两个完全相同的RF放大器；两个RF放大器故意工作在90的相位差上，是为防止干扰、自激,6.4 RF功率放大器,因为小信号RF放大器设计是基于线性、小信号S参数的基础上。当大功率时，由于放大器件工作近非线性去，所以要用大信号时S参数和考虑大信号非线性失真情况。大功率RF放大器的关键性能指标就是非线性失真情况。,1.功率压缩,线性区：当 Pi 以 Go 关系变化(Go为常数);即：Pi逐步增大，有:Po(dB功率）=Pi(dB功率

10、）+Go(dB值）非线性区：当：Pi 增大到一定时(某一值时)，当：Po(dB功率）=Pi(dB功率）+(Go-1)(dB值）刚好发生时，不再线性，并导致输出功率有1dB的压缩。即认为此时是放大器最大的输出功率，此时的输入功率Pin1dB是放大器的最大输入功率。,当Pin变小到一定值时，由于功率放大器常常不是工作于甲类状态，所以要失真。因此，输入信号功率不能低于Pin,mds定义：放大器允许的最小输入信号与最大输入信号之间的范围大小为放大器的输入动态范围，放大器的最大输出信号与最小输出信号之间的范围为放大器的输出动态范围。因此，放大器的动态 范围：一般表示：,也可以理解为：当输入为Pin1dB

11、-1dB时，输出：Pout保持线性不失真的极限为Pout1dB；当输入为Pin1dB时，输出：Pout为 Pout1dB,Pout1dB称放大器在1dB压缩点的输出功率，也是放大器的最大输出(不失真的最大输出)功率。有：其中：G0为放大小信号、理想的线性增益。,放大器的输出噪声功率为：其中:KTB为放大器输入端自然噪声功率,F为放大器的噪声系数(倍),G0为放大器的理想线性增益(倍)。,2.三阶截止点三阶失真,因为交叉调制失真属于三阶失真，所以可用三阶互调失真分量来描述交调失真。交调失真：这里IMD的单位是dB。(在大信号时，放大器逐步离开线性区，逐步进入非线性区！),当输入信号 f1和f2变

12、化时,输出信号中的f1和f2按输入信号的变化以G0规律变化；而输出信号中的三阶互调分量(2f1f2)和(2f2f1)随信号幅度变化而急剧变化,即f1和f2信号幅度变化1dB时，(2f1f2)和(2f2f1)信号幅度变化3dB。因此，随输入信号f1和f2的幅度增大时，输出互调产物(2f1f2)和(2f2f1)增大得更快,以至输出信号中的f1和f2(有用信号)的幅度与(2f1f2)和(2f2f1)(无用干扰信号)的幅度差(对数单位制)越来越近，使干扰成分不能被忽略。,三阶截止点IP是一定固定点，与放大器的功率增益无关，所以用来衡量三阶失真的参量。离开线性区后，逐步进入非线性区，Pin每增大1dB，Pout(2f2f1)就增大3dB。,从输入输出功率关系看,则定义无失真动态范围：,6.5 多级RF放大器,1.匹配：2.总增益：,