微波电路西电雷振亚老师的课件8章放大器设计.ppt
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1、,第8章 放大器设计,8.1 放大器的基本原理8.2 小信号微带放大器的设计8.3 MMIC介绍8.4 射频/微波功率放大器,8.1 放大器的基本原理,放大器可分为低噪声放大器、高增益放大器、中功率放大器和大功率放大器。电路组态按工作点的位置依次为A类、B类、C类,如图 8-1(a)、(b)、(c)所示。A类放大器用于小信号、低噪声,通常是接收机前端放大器或功率放大器的前级放大。B类和C类放大器电源效率高,输出信号谐波成分高,需要有外部混合电路或滤波电路。由B类和C类放大器还可派生出D类、E类、F类等放大器。为了获得更大的输出功率,就要使用功率合成器,将许多功放单元组合起来。可以想像,合成的效
2、率不可能是百分之百。,图 8-1 放大器电路组态,8.1.1 放大器的指标放大器有以下性能指标:(1)频率范围:放大器的工作频率范围是选择器件和电路拓扑设计的前提。(2)增益:它是放大器的基本指标。按照增益可确定放大器的级数和器件类型。(3)噪声系数:放大器的噪声系数是输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值,表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。级联网络中,越靠前端的元件对整个噪声系数的影响越大。在接收前端,必须做低噪声设计。放大器的设计要远离不稳定区。噪声的好坏主要取决于器件和电路设计。,(4)动态范围:放大器的线性工作范围。最小输入功率为接收灵敏度,最大输入功率是引起1 dB压缩的功率
3、。动态范围影响运动系统的作用距离范围8.1.2 放大器的设计原理考虑图8-2 所示二端口网络,它代表单级放大器,其输入端接信号源,输出端接负载。,图 8-2 二端口网络和放大器的增益定义,1.三个增益的定义根据信号源阻抗Zs和负载阻抗ZL与网络的关系,可以有以下三个功率增益:(1)实际功率增益:负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比,与源阻抗无关,与负载阻抗有关,即(2)资用功率增益:二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比,源端和负载端均共轭匹配,与源阻抗有关,与负载阻抗无关。它是放大器增益的最大潜力,即,(3)转换功率增益:负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比,与两端阻抗都有关
4、,即 三个增益与电路参数的关系为,(8-1),式中,(8-2a),(8-2b),放大器电路中输入、输出端都匹配,L=s=0和单向化S12=0,转换功率增益变为 可以把单向转换功率增益分为输入、器件、输出三部分。,(8-3),2.稳定性判据 图8-2所示电路产生振荡的条件是|in|1或|out|1,这意味着输入口或输出口有负阻。因为in 或out取决于s或L,故定义稳定条件为,(8-4),稳定性判据为式中,=S11S22-S12S21。实际放大器设计中有两种情况:(1)晶体管为单向器件:S12=0,绝对稳定,|S11|1,|S22|1。对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件,依据噪声和增益指标进
5、行设计。(2)晶体管为双向器件,也就是S120时,又分两种情况:,满足稳定判据,是绝对稳定。对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件,依据噪声和增益指标进行设计。不满足稳定判据,是条件稳定。要用圆图找出s和L的取值范围,也就是采用稳定圆判别法,如图8-3 所示。稳定圆可以直接计算,也可用商业软件,如Ansoft,MicrowaveOffice,SUPER COMPACT等。,图 8-3 条件稳定下的输入平面上的输出稳定圆(a)|S11|1,输入平面上,输出稳定圆的圆心和半径为输出平面上,输入稳定圆的圆心和半径为,绝对稳定判据的另一种形式为8.1.3 放大器的设计思路1.单向化设计S120或S12
6、0(1)确定反射系数:in=S11,out=S22。(2)单向转换功率功率增益分为输入、器件、输出三部分,即GTU=GsG0GL(8-9),其中(3)最大增益设计:输入、输出端共轭匹配,即s=*inL=out,给定了两端匹配网络。,(8-10),(8-11),(4)单向化因子:由于S12=0的情况设计,计算过程简单,实际设计中可以把|S12|比较小的情况按S12=0计算,最后再估计带来的增益误差。定义则误差满足,(8-12),(8-13),2.双向设计S120(1)满足判据,绝对稳定。确定反射系数:,(8-14),(8-15),B1=1+|S11|2-|S22|2-|2B2=1+|S22|2-
7、|S11|2-|2C1=S11-S*22C2=S22-S*11(8-16)(2)最大增益设计:输入、输出端两边共轭匹配,即s=*inL=*out,给定了两端匹配网络。,(3)低噪声时按源最佳反射系数设计输入匹配网络。放大器的噪声系数与源反射系数有关,每个器件都有一个最小噪声系数,并要求有一个最佳源反射系数。任一噪声系数都对应一系列反射系数,在输入平面上是个圆,称为等噪声系数圆,圆心和半径见式(8-17)。噪声系数圆结合稳定圆和等增益圆使用,用来分析放大器的频带特性。,(8-17),(4)不满足稳定条件,利用圆图找出稳定区,确定s和L的取值范围。8.1.4 放大器设计中的其他问题1.圆图中的五个
8、圆 放大器设计理论中会遇到稳定判别圆、等噪声系数圆、等增益圆、等Q值圆、等驻波比圆等特殊圆。在条件稳定的放大器设计中,用这五个圆来确定输入输出匹配网络的反射系数的取值,才能满足放大器的所有指标。现在所能得到的器件基本上都是满足稳定条件的。,2.多级放大器单级放大器的增益无法满足指标要求时,可用多级级联,前级为低噪声,后级为高增益。级间匹配网络可以简化为两个阻抗的变换,而不是分别变换到特性阻抗。3.宽带放大器 宽带放大器的设计在器件确定后,要增加电抗性频率补偿网络或电阻反馈网络。在低频端失配或衰减,在高频端接高增益设计,放大器的增益在宽带内波动不大。,4.大功率放大器 采用平衡放大器或功率合成技
9、术,可实现大功率输出。功率合成的效率是功率合成器的关键。5.MMIC 微波低端MMIC技术已经相当成熟,个人移动通信领域的放大器大量使用这种电路。其他频段各种用途的MMIC电路也有商品可选。直接选择MMIC产品,按照器件手册,合理使用,已经成为微波电路设计的一个主要途径。,8.1.5 放大器的设计步骤放大器的设计步骤总结如下:步骤一:在频率、增益、噪声指标条件下选择器件,得到偏置条件下器件的S 参数。步骤二:满足判据,则进入步骤三;不满足判据,在圆图中画出稳定区,必要时画出等增益圆和等噪声圆。步骤三:确定输入输出反射系数in及out。步骤四:设计输入输出匹配网络。匹配网络拓扑参见第3章。,8.
10、2 小信号微带放大器的设计,8.2.1 射频/微波晶体管射频/微波放大器的核心器件是晶体管,常用的晶体管有BJT、FET、MMIC。从上面的原理可知,设计放大器的基础是器件的S参数。无论器件的内部原理如何,在一定偏置下,就会呈现一组网络参数。设计微波放大器,应该关心器件的偏置和S参数。在偏置确定的条件下,可用网络分析仪结合专用测试夹具测量 S参数。图8-4 给出了常用的BJT和FET偏置电路。分压电阻值由满足S参数的工作点决定,表8-1给出了偏置点的参考值。,图 8-4 常用的BJT和FET偏置电路,图 8-4 常用的BJT和FET偏置电路,图 8-4 常用的BJT和FET偏置电路,表8-1
11、偏置点参考值,在射频/微波电路中,接地对指标的影响很大,要把该接地的点就近接地,如图8-5所示。扼流电感的大小视位置尺寸而定。,图 8-5 就近接地,8.2.2 三种射频/微波放大器设计原则表8-2归纳出了低噪声放大器、高增益放大器和高功率放大器的设计条件和设计原则。,表 8-2 三种射频/微波放大器设计原则,下面以实例形式给出放大器的设计步骤。设计过程中使用Mathcad进行计算,使用Ansoft进行仿真图解。设计实例一:稳定判别圆已知GaAs FET散射参数如表8-3 所示,判断晶体管的稳定性,画出稳定圆。,表 8-3 GaAs FET的散射参数,由式(8-5)用Mathcad软件计算得出
12、K0.6071和|=0.6961。K值不满足稳定条件,故器件为条件稳定。由式(8-6)和式(8-7)分别计算两个变换圆的圆心和半径:输入平面的输出圆:圆心CL=1.36346.687,半径RL=0.5输出平面的输入圆:圆心Cs=1.13268.461,半径Rs=0.199利用Ansoft软件画SMITHC.PRN,如图 8-6 所示。,图 8-6 稳定判别圆,设计实例二:最大增益已知GaAs FET散射参数如表8-4 所示,按最大增益设计,设计4.0 GHz放大器。,表 8-4 GaAs FET的散射参数,判断稳定性:K1.1951 和|=0.4881,绝对稳定。s=*in,L=*out由式(
13、8-14)、式(8-15)和式(8-16)求得L=0.872123.407,s=0.87661.026 采用开路单枝节匹配,拓扑结构和频带传输反射参数如图8-7所示。,图 8-7 高增益放大器,由式(8-9)和式(8-10)求增益:Gs=6.17 dB,G0=8.299 dBGL=2.213 dB,GTmax=16.71 dB设计实例三:低噪声设计已知 GaAs FET参数如表 8-5 所示,设计4.0 GHz放大器,保证噪声为2 dB,增益最大。,表 8-5 GaAs FET的器件参数,由式(8-17)计算2 dB噪声圆的圆心和半径:,(|CF|=0.563,arg(CF)=100deg),
14、如图 8-8 所示,当s=opt时,噪声最小。,图 8-8 噪声系数圆与稳定圆,按照下式计算等增益圆,借助Mathcad软件,给gs不同试探值,直到与等噪声系数圆相切。realCs(step):=Re(f(Rs,2step)+Cs)imagCs(step):=Im(f(Rs,2step)+Cs),相切点的源反射系数为s0.141035+j0.522189=0.54174.886 由式(8-10)计算增益:输入匹配(噪声)为Gs=1.702,输出匹配(共轭)为GL=1.249,器件增益为G0=5.575,放大器增益为GTU=8.527 dB。分别用开路单枝节实现输入输出匹配网络,电路结构和仿真结
15、果见图8-9。,图 8-9 低噪声放大器设计结果,8.3 MMIC介绍,微电子工业的快速发展,给射频/微波技术带来了革命。单片微波集成电路的设计原则是保证各项指标,使功率消耗尽可能的少。低噪声接收前端的LNA发展最为成熟。现代移动通信接收机MMIC不仅包含LNA,而且包括本振、混频等。已经有整个射频前端的MMIC如图8-10、图8-11和图8-12所示。,图 8-10 900 MHz和1900 MHz CMOS低噪放,图 8-11 2 GHz内置选频LNA,图 8-11 2 GHz内置选频LNA,图 8-12 5GHz接收前端(低噪放+混频),57,镍铬系电阻具有良好的粘附性,多用蒸发工艺,但
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