射频与微波放大器设计.ppt

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1、射频与微波放大器设计,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,射频与微波放大器设计,基本设计方法采用S参数来进行设计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。,射频与微波放大器设计 放大器

2、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。,小信号放大器设计,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。,小信号放大器设计,直流偏置电路的设计直流偏置电路的设计原则应该是：直流偏置

3、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。,小信号放大器设计,小信号放大器设计,小信号放大器设计,稳定性分析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 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向设计增益与噪声设计的平衡级间匹配（共轭匹配）,小信号放大器设计,窄带放大器

4、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,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,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,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！,低噪声放大

5、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 计算输入和输出匹配网络的分配增益。将常数噪声圆、源（输入）常数增益圆绘在同一张Smith圆图上。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。,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。设计举例,宽带放大器（BBA）设计,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

6、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。,宽带放大器（BBA）设计 宽带放大器的设计考虑,晶体管的|S21|和|S12|随频率变化的规律,宽带放大器（BBA）设计 宽带放大器的设计考虑,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。S11 和 S22在整个工作频率范围的变化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。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,宽带放大器（BBA

7、）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,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,平衡放大器电原理图,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

8、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，即合成信号从端口3输出。,宽带放大器（BBA）设计平衡放大器的优点,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。增益 在理想情况

9、下，整个放大器的增益等于单支路放大器的增益,宽带放大器（BBA）设计平衡放大器的优点,功率容量合成输出功率能力是单个放大器的两倍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,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，增益降低。,宽带放大器（BBA）设计 负反馈技术,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,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

10、,宽带放大器（BBA）设计 负反馈技术（分析）,得出S参数其中,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。,宽带放大器（BBA）设计 负反馈技术（分析）,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），考虑最坏情况，即 R1=0,由公式 15.9b,得到(gm)min的值,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 由公式 15.19c 可以看出，一旦晶

11、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。,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,宽带放大器（BBA）设计 负反馈技术（高频情况）,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。,多级小信号放大器设计,多级小信号放大器设计 最大增益多级放大器设计,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

12、级都工作于最大增益条件下。设计原理 所有端口（输入和输出）都应该共轭匹配。,多级小信号放大器设计 多级低噪声放大器设计,设计目标在满足最低噪声的基础上达到最大的带内增益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。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。,大信号放大器设计,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,大信号放大器设计,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

13、问题动态范围电磁兼容设计机械结构,大信号放大器设计,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,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,大信号放大器设计,大信号放大器设计的基本概念 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,功率放大器的最小信号电平和动态范围,最小信号电平 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

14、声功率。Po,mds定义为高于输出噪声功率电平 x 分贝。或,功率放大器的最小信号电平和动态范围,功率放大器的动态范围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,交调的概念,定义 当非线性网络的输入端输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。,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

15、分量。,非线性放大器的输出频谱,交调的分类,a)二次谐波:2f1,2f2b)三次谐波:3f1,3f2c)高阶谐波:nf1,nf2 n3d)二阶交调:f1f2e)三阶交调:2f1f2,2f2f1,交调对接收系统的影响分析,对于窄带功率放大器，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。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。,三阶交调与放大器动态范围,三阶交调与放大器动态范围,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。,三阶交调点(TOI)与放

16、大器的动态范围,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,三阶交调功率的测量 双频测试技术,在放大器输入端输入两个频率相近、功率相等的信号。放大器的输出端接频谱仪，在频谱仪上直接读出主输出功率（Pf1 dBm）和三阶交调输出功率(P2f1-f2 dBm)，则 PIP(dBm)可以得到其中,大信号条件下的源反射系数sp和负载反射系数Lp,定义晶体管的大信号源反射系数sp 是指在大信号条件下，晶体管输入端的反射系数。晶体管的大信号负载反射系数Lp 是指在大

17、信号条件下，晶体管输出端的反射系数。,大信号源反射系数和 负载反射系数的测量,等功率线,根据测量出SP 和LP后,我们可以得出一套大信号下的反射系数数据，由此可以根据相同的输出功率，绘出在LP平面上反射系数的变化曲线，以作为大信号设计的参考,A类大信号放大器设计修正S参数法,对于在大信号情况下工作的A类放大器，除了S21外，所有其它小信号S参数都可以作为设计依据。而S21则会随功率电平和频率的增加而减小，如果我们知道大信号时的S21，我们就可以直接采用小信号放大器的设计方法，来设计A类大信号放大器。例,大信号功率放大器设计2 源和负载反射系数法,设计步骤:1.对于给出的输出功率电平，在 Smi

18、th 圆图上绘出相应的等功率曲线。2.在曲线上，选择 L=LP 的适当的点。3.基于Lp，计算In。4.对于最大增益设计sp=*IN。5.由sp和LP，计算输入和输出匹配网络例,AB、B、和 C 类放大器设计,设计原则小信号的S参数不能使用，必须采用大信号S参数作为设计的依据。器件生产厂商常常会提供另一套设计数据如（sp,Lp 和 P1dB）作为设计的参考。其设计过程与A类放大器的方法2（源和负载反射系数法）相类似。对于输出匹配网络，还应该考虑到谐波抑制问题。,多级大信号放大器的设计,设计考虑(1)稳定性 a)每级的稳定性问题；b)整个放大器系统的稳定性。(2)设计目标：多级功率放大器的设计目

19、标是获得尽可能高的功率输出和效率，即每级的输出功率都应在大信号条件下，尽可能接近P1-dB压缩点。,多级大信号放大器的设计,(3)设计原理 利用功率曲线，在POUT=Pmax点选择Lp，对于各级放大器的输入和输出端都采用共轭匹配，达到最大功率传输。,多级大信号放大器的设计,多级功率放大器的三阶交调点,假设各级都是同相的情况，对于多级大功率放大器，级连的三阶交调点PTOI为：如各级增益相同，则,多级功率放大器的的动态范围,动态范围的低限 级连放大器的最小可检测输出信号主要由第一级的最小检测信号确定。,多级功率放大器的的动态范围,动态范围的上限 多级功率放大器动态范围的上限由放大器的1-dB压缩点所决定。多级功率放大器的总的1-dB压缩点主要由末级放大级来确定，因此在多级功率放大器的设计中，末级放大必须具有最大的功率容量。,多级放大器的动态范围及其设计,多级放大器的动态范围 多级大信号放大器的宽动态范围设计考虑 第一级的噪声应尽可能小。末级的1-dB点应尽可能高。例,