第9章放大器的設(shè)計

1、射頻電路理論與設(shè)計射頻電路理論與設(shè)計（第（第2版）版）本章介紹各類放大器的設(shè)計。設(shè)計放本章介紹各類放大器的設(shè)計。設(shè)計放大器首先要選擇適當(dāng)?shù)木w管，在選擇了大器首先要選擇適當(dāng)?shù)木w管，在選擇了有特定參量的晶體管后，放大器主要通過有特定參量的晶體管后，放大器主要通過設(shè)計輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。本章首先設(shè)計輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。本章首先討論放大器的分類和偏置網(wǎng)絡(luò)；然后對小討論放大器的分類和偏置網(wǎng)絡(luò)；然后對小信號討論高增益、低噪聲和寬帶放大器；信號討論高增益、低噪聲和寬帶放大器；最后討論功率放大器和多級放大器。最后討論功率放大器和多級放大器。 放大器的工作狀態(tài)和分類放大器的工作狀態(tài)和分類9.1放大器

2、的偏置網(wǎng)絡(luò)放大器的偏置網(wǎng)絡(luò)9.2小信號放大器的設(shè)計小信號放大器的設(shè)計9.3功率放大器的設(shè)計功率放大器的設(shè)計9.4多級放大器的設(shè)計多級放大器的設(shè)計9.59.1.1 基于靜態(tài)工作點的放大基于靜態(tài)工作點的放大器分類器分類根據(jù)靜態(tài)工作點的不同，放大器可以根據(jù)靜態(tài)工作點的不同，放大器可以分為以下分為以下4類。類。 （1） A類放大器類放大器 （2） B類放大器類放大器 （3） AB類放大器類放大器 （4） C類放大器類放大器 圖圖9.1 基于靜態(tài)工作點的放大器分類基于靜態(tài)工作點的放大器分類9.1.2 基于信號大小的放大器基于信號大小的放大器分類分類根據(jù)信號大小的不同，放大器可以分根據(jù)信號大小的不同，放大

3、器可以分為小信號工作模式和大信號工作模式，分為小信號工作模式和大信號工作模式，分述如下。述如下。 （1） 小信號分析法小信號分析法 當(dāng)輸入交流信號的幅度與恒定偏壓值當(dāng)輸入交流信號的幅度與恒定偏壓值相比是一個小量級時，器件的工作狀態(tài)近相比是一個小量級時，器件的工作狀態(tài)近似線性，可以采用小信號分析法。似線性，可以采用小信號分析法。 （2） 大信號分析法大信號分析法 當(dāng)輸入交流信號的幅度很大時，交流當(dāng)輸入交流信號的幅度很大時，交流信號的工作區(qū)域會超出器件的線性工作區(qū)信號的工作區(qū)域會超出器件的線性工作區(qū)域，進(jìn)入非線性工作區(qū)域，引起器件非線域，進(jìn)入非線性工作區(qū)域，引起器件非線性工作，這時用大信號分析法。

4、性工作，這時用大信號分析法。 偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是直流電路的設(shè)計，偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是直流電路的設(shè)計，偏置電路的作用是在特定的工作條件下為偏置電路的作用是在特定的工作條件下為放大器提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，以保持放放大器提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，以保持放大器工作特性的恒定。大器工作特性的恒定。 9.2.1 偏置電路與射頻電路之偏置電路與射頻電路之間的連接間的連接偏置電路是直流的通路，射頻電路是偏置電路是直流的通路，射頻電路是射頻交流信號的通路，偏置電路與射頻電射頻交流信號的通路，偏置電路與射頻電路是一個放大器中不可分割的兩部分，但路是一個放大器中不可分割的兩部分，但希望直流的通路與射頻交流信號的通路之希望直流

5、的通路與射頻交流信號的通路之間能夠完全隔離，以消除直流與射頻交流間能夠完全隔離，以消除直流與射頻交流信號之間的耦合。信號之間的耦合。為此，偏置電路與射頻電路之間的連為此，偏置電路與射頻電路之間的連接可以采取以下接可以采取以下3種方案。種方案。 （1） 在直流源與射頻電路之間連接在直流源與射頻電路之間連接一個電感，即通常所說的射頻扼流圈一個電感，即通常所說的射頻扼流圈（RFC）。射頻扼流圈可以有效阻塞）。射頻扼流圈可以有效阻塞射頻信號，但對直流可以視為無損耗射頻信號，但對直流可以視為無損耗通路。通路。 （2） 在直流源與射頻電路之間連接在直流源與射頻電路之間連接一個一個/4的阻抗變換器，阻抗變換

6、器的阻抗變換器，阻抗變換器的特性阻抗應(yīng)很高，可以對射頻信號的特性阻抗應(yīng)很高，可以對射頻信號產(chǎn)生很高的阻抗。產(chǎn)生很高的阻抗。 （3） 將一個大電容作為負(fù)載接于將一個大電容作為負(fù)載接于/4阻抗變換器的終端，可以有效地短路阻抗變換器的終端，可以有效地短路可能泄露到偏置電路中的射頻信號?？赡苄孤兜狡秒娐分械纳漕l信號。大電容在射頻頻率下呈現(xiàn)短路，經(jīng)大電容在射頻頻率下呈現(xiàn)短路，經(jīng)/4阻抗變換器后，相當(dāng)于開路，從阻抗變換器后，相當(dāng)于開路，從而可以隔斷射頻信號。而可以隔斷射頻信號。 9.2.2 偏置電路的設(shè)計偏置電路的設(shè)計偏置電路有許多設(shè)計方法，這里舉例偏置電路有許多設(shè)計方法，這里舉例說明?？疾烊鐖D說明。考

7、察如圖9.2所示的所示的2種偏置電路，種偏置電路，圖中圖中RFC將射頻信號與直流電源隔離開。將射頻信號與直流電源隔離開。 圖圖9.2 偏置電路偏置電路RFC可以更換為可以更換為/4阻抗變換器，這時阻抗變換器，這時/4阻抗變換器可將大電容阻抗變換器可將大電容CB端口對射頻信端口對射頻信號的短路狀態(tài)變換為晶體管端口的開路狀號的短路狀態(tài)變換為晶體管端口的開路狀態(tài)。態(tài)。本節(jié)討論多種小信號放大器的射頻電本節(jié)討論多種小信號放大器的射頻電路設(shè)計，其中每種放大器都是注重放大器路設(shè)計，其中每種放大器都是注重放大器某些方面的特性，如注重增益、噪聲系數(shù)某些方面的特性，如注重增益、噪聲系數(shù)或帶寬等。下面首先給出小信號

8、放大器的或帶寬等。下面首先給出小信號放大器的設(shè)計步驟，然后分別討論各類小信號放大設(shè)計步驟，然后分別討論各類小信號放大器的設(shè)計。器的設(shè)計。 9.3.1 小信號放大器的設(shè)計步小信號放大器的設(shè)計步驟驟（1） 根據(jù)放大器設(shè)計指標(biāo)的要求，根據(jù)放大器設(shè)計指標(biāo)的要求，選擇合適的晶體管。選擇合適的晶體管。（2） 確定晶體管的直流工作點。確定晶體管的直流工作點。對雙極結(jié)型晶體管（對雙極結(jié)型晶體管（BJT），將工作），將工作點偏置在點偏置在IC-VCE曲線的中部；對場效應(yīng)晶曲線的中部；對場效應(yīng)晶體管（體管（FET），將工作點偏置在），將工作點偏置在ID-VDS曲曲線的中部。線的中部。（3） 在直流工作點下，測量晶

9、體管在直流工作點下，測量晶體管的的S參量。參量。如果沒有測量條件，可以參考生產(chǎn)商如果沒有測量條件，可以參考生產(chǎn)商提供的典型參數(shù)值。提供的典型參數(shù)值。（4） 在工作頻率下，用解析法在工作頻率下，用解析法（k1，|1）檢驗晶體管的穩(wěn)定性。）檢驗晶體管的穩(wěn)定性。如果晶體管不是絕對穩(wěn)定，應(yīng)在史密如果晶體管不是絕對穩(wěn)定，應(yīng)在史密斯圓圖上畫出輸入和輸出穩(wěn)定判別圓，確斯圓圖上畫出輸入和輸出穩(wěn)定判別圓，確定穩(wěn)定區(qū)域。定穩(wěn)定區(qū)域。（5） 考察能否使用單向化設(shè)計?？疾炷芊袷褂脝蜗蚧O(shè)計。若若S12=0，可以使用單向化設(shè)計；若，可以使用單向化設(shè)計；若S120，計算單向化設(shè)計誤差因子，計算單向化設(shè)計誤差因子U，如果，

10、如果誤差在可允許的范圍內(nèi)，可以使用單向化誤差在可允許的范圍內(nèi)，可以使用單向化設(shè)計；若設(shè)計；若S120，但，但U表明誤差超出可允許表明誤差超出可允許的范圍，使用雙向化設(shè)計。的范圍，使用雙向化設(shè)計。（6） 設(shè)計射頻輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計射頻輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到下面的設(shè)計指標(biāo)要求。以達(dá)到下面的設(shè)計指標(biāo)要求。 最大增益放大器最大增益放大器 固定增益放大器固定增益放大器 最小噪聲放大器最小噪聲放大器 低噪聲放大器低噪聲放大器 寬帶放大器寬帶放大器 圖圖9.3 小信號放大器的設(shè)計步驟小信號放大器的設(shè)計步驟9.3.2 最大增益放大器的設(shè)計最大增益放大器的設(shè)計最大增益放大器，需要考慮單向化設(shè)最大增益放

11、大器，需要考慮單向化設(shè)計和雙向化設(shè)計計和雙向化設(shè)計2種情況。種情況。無論是單向化設(shè)計還是雙向化設(shè)計，無論是單向化設(shè)計還是雙向化設(shè)計，都要保證信源與晶體管之間以及晶體管與都要保證信源與晶體管之間以及晶體管與負(fù)載之間達(dá)到共軛匹配，這導(dǎo)致負(fù)載之間達(dá)到共軛匹配，這導(dǎo)致S和和L的的取值是唯一的。當(dāng)?shù)玫饺≈凳俏ㄒ坏摹．?dāng)?shù)玫絊和和L后，可以設(shè)后，可以設(shè)計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并可以得到最大計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，并可以得到最大增益的數(shù)值。增益的數(shù)值。 圖圖9.4 例例9.1用圖用圖9.3.3 固定增益放大器的設(shè)計固定增益放大器的設(shè)計固定增益是小于最大增益的某一特定固定增益是小于最大增益的某一特定值。在許多情況下

12、，設(shè)計要求達(dá)到固定增值。在許多情況下，設(shè)計要求達(dá)到固定增益而不是最大增益，以便兼顧放大器的其益而不是最大增益，以便兼顧放大器的其他指標(biāo)或滿足放大器增益的設(shè)定值。他指標(biāo)或滿足放大器增益的設(shè)定值。固定增益放大器的設(shè)計需要考慮單向固定增益放大器的設(shè)計需要考慮單向化設(shè)計和雙向化設(shè)計化設(shè)計和雙向化設(shè)計2種情況，下面分別給種情況，下面分別給出設(shè)計過程。出設(shè)計過程。單向化設(shè)計需要根據(jù)指標(biāo)要求分配單向化設(shè)計需要根據(jù)指標(biāo)要求分配GS和和GL的取值，并根據(jù)的取值，并根據(jù)GS和和GL取值畫出輸入、取值畫出輸入、輸出等增益圓。輸出等增益圓。輸入、輸出等增益圓分別表示為輸入、輸出等增益圓分別表示為晶體管雙向時，可以采用

13、功率增益法晶體管雙向時，可以采用功率增益法設(shè)計放大器。這時需要根據(jù)功率增益的值設(shè)計放大器。這時需要根據(jù)功率增益的值畫出等功率增益圓，在任選等功率增益圓畫出等功率增益圓，在任選等功率增益圓上滿足穩(wěn)定性的一個上滿足穩(wěn)定性的一個L后，可以計算出后，可以計算出in，進(jìn)而利用進(jìn)而利用S=in可以計算出可以計算出S。需要說明的是，當(dāng)選擇了需要說明的是，當(dāng)選擇了L后，后，S唯唯一確定。由一確定。由S和和L可以設(shè)計輸入、輸出匹可以設(shè)計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。等功率增益圓表示為配網(wǎng)絡(luò)。等功率增益圓表示為|LCgP|=rgP 圖圖9.6 例例9.3用圖用圖 圖圖9.7 例例9.4用圖用圖 圖圖9.10 例例9.7用圖

14、用圖9.3.5 低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲放大器的設(shè)計低噪聲放大器的設(shè)計目標(biāo)是要在輸入低噪聲放大器的設(shè)計目標(biāo)是要在輸入端噪聲系數(shù)不超過給定值的前提下，獲得端噪聲系數(shù)不超過給定值的前提下，獲得設(shè)定的增益。低噪聲放大器的設(shè)計需要畫設(shè)定的增益。低噪聲放大器的設(shè)計需要畫出等噪聲系數(shù)圓。等噪聲系數(shù)圓可以寫為出等噪聲系數(shù)圓。等噪聲系數(shù)圓可以寫為|SCF|=rF 圖圖9.11 例例9.8用圖用圖 圖圖9.12 例例9.9用圖用圖9.3.6 寬帶放大器的設(shè)計寬帶放大器的設(shè)計帶寬為中心工作頻率的帶寬為中心工作頻率的10%（或更低）（或更低）的放大器為窄帶放大器。例如，中心工作的放大器為窄帶放大器。例如，中心工作頻

15、率為頻率為1GHz的窄帶放大器，工作頻率范圍的窄帶放大器，工作頻率范圍小于小于9501050MHz。前面討論的小信號。前面討論的小信號放大器的設(shè)計思路和方法適用于窄帶放大放大器的設(shè)計思路和方法適用于窄帶放大器。器。 帶寬可以用倍頻程表示，一個倍頻程帶寬可以用倍頻程表示，一個倍頻程是任意一個給定頻率是任意一個給定頻率f與該頻率的與該頻率的2倍（倍（2f）或二分之一（或二分之一（f/2）之間的頻率區(qū)域。在一）之間的頻率區(qū)域。在一個倍頻程以上的寬頻帶范圍內(nèi)，若放大器個倍頻程以上的寬頻帶范圍內(nèi)，若放大器具有基本平坦的頻率曲線和基本平坦的功具有基本平坦的頻率曲線和基本平坦的功率增益，可以稱為寬帶放大器。

16、率增益，可以稱為寬帶放大器。1. 寬帶放大器的特性隨頻率而變寬帶放大器的特性隨頻率而變化化 隨著工作帶寬的增加，放大器晶體管隨著工作帶寬的增加，放大器晶體管參量和匹配網(wǎng)絡(luò)的特性將隨頻率的變化而參量和匹配網(wǎng)絡(luò)的特性將隨頻率的變化而變化，造成放大器設(shè)計復(fù)雜化。這些變化變化，造成放大器設(shè)計復(fù)雜化。這些變化主要如下。主要如下。 （1） 晶體管參量晶體管參量S21隨頻率的升高而隨頻率的升高而下降，下降可達(dá)下降，下降可達(dá)6dB/倍頻程。晶體管倍頻程。晶體管參量參量S12隨頻率的升高而升高，升高隨頻率的升高而升高，升高可達(dá)可達(dá)6dB/倍頻程。倍頻程。（2） 穩(wěn)定性因子穩(wěn)定性因子k與與|S12S21|有關(guān)，所

17、有關(guān)，所以放大器的穩(wěn)定性取決于以放大器的穩(wěn)定性取決于|S12S21|隨頻隨頻率的變化。率的變化。（3） 放大器的增益與放大器的增益與S參量有關(guān)，參量有關(guān)，S參量隨頻率的變化會影響增益的平坦參量隨頻率的變化會影響增益的平坦性。性。（4） 放大器的噪聲與放大器的噪聲與S參量有關(guān)，參量有關(guān)，S參量隨頻率的變化會影響噪聲系數(shù)。參量隨頻率的變化會影響噪聲系數(shù)。（5） 放大器輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的放大器輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的特性隨頻率變化。特性隨頻率變化。2. 寬帶放大器的設(shè)計方法寬帶放大器的設(shè)計方法 由于寬帶放大器帶來了上述問題，必由于寬帶放大器帶來了上述問題，必須對寬帶放大器的設(shè)計給予特殊考慮。寬須對寬帶

18、放大器的設(shè)計給予特殊考慮。寬帶放大器的設(shè)計方法是多樣的，可以采取帶放大器的設(shè)計方法是多樣的，可以采取以下以下4個方法設(shè)計。個方法設(shè)計。 （1） 補償匹配網(wǎng)絡(luò)。補償匹配網(wǎng)絡(luò)。（2） 平衡放大器。平衡放大器。（3） 負(fù)反饋。負(fù)反饋。（4） 分布放大器。分布放大器。3. 寬帶放大器的設(shè)計舉例寬帶放大器的設(shè)計舉例 （1） 補償匹配網(wǎng)絡(luò)補償匹配網(wǎng)絡(luò) （2） 平衡放大器平衡放大器 圖圖9.13 例例9.10用圖用圖 圖圖9.14 平衡放大器平衡放大器前面只討論了小信號放大器。小信號前面只討論了小信號放大器。小信號放大器輸入信號功率足夠小，可以假定晶放大器輸入信號功率足夠小，可以假定晶體管是線性器件，此時放

19、大器的設(shè)計是基體管是線性器件，此時放大器的設(shè)計是基于小信號的于小信號的S參量進(jìn)行的。參量進(jìn)行的。功率放大器是大信號放大器。由于信功率放大器是大信號放大器。由于信號幅度比較大，晶體管時常工作于非線性號幅度比較大，晶體管時常工作于非線性區(qū)域，在這種情況下，小信號區(qū)域，在這種情況下，小信號S參量本身對參量本身對大信號放大器通常失效，此時需要求出晶大信號放大器通常失效，此時需要求出晶體管大信號時的相應(yīng)參數(shù)，以便得到放大體管大信號時的相應(yīng)參數(shù)，以便得到放大器的合理設(shè)計。器的合理設(shè)計。功率放大器可以設(shè)計為功率放大器可以設(shè)計為A類放大器、類放大器、AB類放大器、類放大器、B類放大器或類放大器或C類放大器。類

20、放大器。當(dāng)工作頻率大于當(dāng)工作頻率大于1GHz時，常使用時，常使用A類功率類功率放大器。下面討論放大器。下面討論A類功率放大器的設(shè)計類功率放大器的設(shè)計及交調(diào)失真。及交調(diào)失真。9.4.1 A類放大器的設(shè)計類放大器的設(shè)計1. 大信號下晶體管的特性參數(shù)大信號下晶體管的特性參數(shù)（1） 1dB增益壓縮點增益壓縮點小信號線性功率增益記為小信號線性功率增益記為G0dB，1dB增益壓縮點相應(yīng)的增益記為增益壓縮點相應(yīng)的增益記為G1dB，即，即 G1dB=G0dB1dB 圖圖9.15 功率放大器輸入功率與輸出功率的關(guān)系功率放大器輸入功率與輸出功率的關(guān)系（2） 動態(tài)范圍動態(tài)范圍DR相對于最小輸入可檢信號功率相對于最小

21、輸入可檢信號功率Pin,mds，相應(yīng)的最小輸出可檢信號功率相應(yīng)的最小輸出可檢信號功率Pout,mds必須必須大于噪聲功率方可檢測到。大于噪聲功率方可檢測到。（3） SP和和LPSP和和LP是晶體管在是晶體管在1dB增益壓縮點增益壓縮點時源和負(fù)載的反射系數(shù)。時源和負(fù)載的反射系數(shù)。（4） 等功率線等功率線在史密斯圓圖上，作為負(fù)載反射系數(shù)在史密斯圓圖上，作為負(fù)載反射系數(shù)LP的函數(shù)的等輸出功率點，構(gòu)成等功率線。的函數(shù)的等輸出功率點，構(gòu)成等功率線。由于晶體管的非線性，等功率線通常不是由于晶體管的非線性，等功率線通常不是圓。圓。2. A類功率放大器的設(shè)計類功率放大器的設(shè)計（1） 利用小信號利用小信號S參量設(shè)計參量設(shè)計（2） 利用大信號利用大信號S參量設(shè)計參量設(shè)計（3） 利用利用SP和和LP設(shè)計設(shè)計（4） 利用等功率線設(shè)計利用等功率線設(shè)計 圖圖9.16 例例9.11用圖用圖9.4.2.交調(diào)失真交調(diào)失真1. 三階截止點三階截止點IP在非線性放大器的輸入端加在非線性放大器的輸入端加2個或個或2個個以上頻率的正弦信號時，在輸出端會產(chǎn)生以上頻率的正弦信號時，在輸出端會產(chǎn)生附加頻率分量，這會引起輸出信號的失真。附加頻率分量，這會引起輸出信號的失真。由圖由圖9.17可以看出，三階交調(diào)輸出功可以看出，三階交調(diào)輸出功率隨輸入功率變化的斜率為率隨輸入功率變化的斜率為