課件 10放大器增益及穩(wěn)定性1課件

TOPIC10射頻/微波放大器主要內容放大器的基本原理放大器的分類放大器的特性指標放大器的功率關系放大器的功率增益放大器的穩(wěn)定性判定穩(wěn)定性判別圓絕對穩(wěn)定有條件穩(wěn)定穩(wěn)定性措施RF/MW放大器的基本原理放大器是無線收發(fā)機中的重要組成部件。類似于低頻放大器，RF/MW放大器電路是為了獲取穩(wěn)定的增益，其基本原理相同。在RF/MW放大器電路中通常使用二端口網(wǎng)絡進行描述，用S參量表述晶體管的特性，因此其分析和設計也是基于S參量和二端口網(wǎng)絡。對射頻電路而言，要特別關注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題。RF/MW放大器的分類按用途：低噪聲放大器中頻放大器可變增益放大器功率放大器中功率放大器、大功率放大器。按信號的強弱：小信號放大器大信號放大器按工作范圍：寬帶放大器窄帶放大器按電路組態(tài)工作點的位置：A(甲)類、B(乙)類、C（丙）類……等小信號放大器的性能指標增益和增益平坦度（以dB表示）工作頻率及帶寬（單位Hz）穩(wěn)定性噪聲系數(shù)（以dB表示）輸出功率（單位dBm）輸入輸出端口匹配(反射系數(shù)或駐波比)直流工作電壓和電流（單位V和A）其他參數(shù)：線性度（動態(tài)范圍）、交調失真、諧波、反向隔離等放大器的二端口網(wǎng)絡表示所有放大器，不管其內部結構是什么，都可以用線性二端口模型來描述。當頻率在RF頻段以上時，通常采用S（散射）參量來描述網(wǎng)絡。[

b]=[s][a]b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、bi分別為輸入、輸出信號的振幅大小。放大器的網(wǎng)絡模型下圖為典型單級放大器，其輸入端接信號源，輸出端接負載。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡可用于減小有害反射從而增加功率流容量。放大器的指標由其在特定偏置條件下的S參量確定。放大器的功率關系如果把兩個匹配網(wǎng)絡分別歸入信號源和負載阻抗中，則放大器電路可以簡化如下圖。由此模型分析放大器的功率關系。放大器的功率關系設信號源阻抗為Zs，匹配網(wǎng)絡阻抗為Z0，則信號源的歸一化電壓：已知b1是放大器輸入端口的反射波，但對信號源來說它是入射波。b1被信號源Zs再反射后變成了向放大器入射的波。于是輸入端口的入射波：因為Γin=Γ1=b1/a1，放大器的功率關系所以，放大器的入射波功率：顯然，放大器輸入端的實際輸入功率應為入射波功率減去反射波功率，即:放大器的功率關系如果放大器的輸入阻抗與信號源的阻抗共軛匹配，即:，或。則信號源到放大器之間有最大功率傳輸。在共軛匹配下信號源傳給負載（放大器）的最大功率定義為信號源的資用功率（記作PA）：可見，信號源資用功率與Γs有關。放大器的功率關系對于輸出端口，應用同樣的原理分析。已知a2是放大器端口2的入射波，但對負載來說它是反射波，所以有：又由S參量定義，整理得：因此，負載的輸入功率（即負載吸收的功率）：放大器的功率增益射頻微波晶體管放大器功率增益是管子S參數(shù)、信號源阻抗和負載阻抗的函數(shù)。信號源阻抗、負載阻抗與放大器的匹配狀態(tài)不同時，所得功率增益是不同的，通常有：轉換功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入端的資用功率之比，與兩端阻抗都有關，即：GT=PL/Pa。實際功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入端吸收功率之比，與源阻抗無關，與負載阻抗有關，即：G=PL/Pin

。資用功率增益：二端口網(wǎng)絡輸入資用功率與輸出資用功率之比，源端和負載端均共軛匹配，與源阻抗有關，與負載阻抗無關。它是放大器增益的最大潛力，即：GA=Pavs/Pavs。轉換功率增益負載吸收功率與信號源資用功率的比值稱為放大器的轉換功率增益，即：由輸入、輸出反射系數(shù)在輸出端口接ZL負載時，ΓL＝a2/b2，代入S參量公式，有：求出輸出端入反射系數(shù)：同理，當輸入端口接源阻抗Zs時，由求出輸出端入反射系數(shù)：轉換功率增益應用Γin、Γout的表達式，轉換功率增益可以改寫成：GT的物理意義是：插入放大器后，負載實際得到的功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。GT反映了晶體管S參數(shù)和網(wǎng)絡輸入、輸出端匹配程度對增益的影響。單向轉換功率增益如果忽略放大器反饋的影響，即認為S12=0，則Γin=S11，Γout=S22，這時有：GTU與GT通常是非常接近的，因而常用上式作為放大器及其輸入、輸出網(wǎng)絡近似設計的基礎。由放大器的轉換功率增益，可導出放大器的實際功率增益和資用功率增益?！獑蜗蚧D換功率增益實際功率增益實際功率增益是指負載吸收功率與放大器輸入功率的比值。實際功率增益只與S參數(shù)、ΓL有關，而與Γs無關（式中Γin也與Γs無關，只與ΓL有關）。應用G的表達式便于研究負載變化對放大器功率增益的影響。資用功率增益放大器資用功率增益是指放大器的資用功率與信號源資用功率的比值。因為時，放大器的資用功率=負載吸收的功率。由資用功率增益定義可得GA的物理意義是：插入放大器后負載可能得到的最大功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。實際上，放大器在輸入、輸出端都不見得是共軛匹配，GA只是表明放大器功率增益的一種潛力。應用GA的表達式便于研究信號源阻抗變換對放大器增益的影響。放大器增益總結放大器的穩(wěn)定性判定射頻放大器內部通常存在著反饋量S12，而反饋系統(tǒng)必然會引起穩(wěn)定性問題。源反射系數(shù)、輸入端口反射系數(shù)、輸出端口反射系數(shù)和負載反射系數(shù)這四個概念是理解雙端口網(wǎng)絡穩(wěn)定性的關鍵。這四個反射系數(shù)是各自獨立的，由S參量確定。根據(jù)的Γ物理意義，如果|Γ|>1，則反射波幅度超過入射波，這說明電路出現(xiàn)正反饋，從而導致不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，可以通過反射系數(shù)Γ來判斷放大器的穩(wěn)定性。微波管有內部反饋

S12是反饋，S12、S21有相位移判斷不穩(wěn)定依據(jù)：輸入或輸出端是否等效有負阻穩(wěn)定性判別圓穩(wěn)定性判別圓將放大器看作二端口網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由S參數(shù)及外部端接條件ΓL、Γs確定。穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于1，即：式中穩(wěn)定性判別圓由于S參數(shù)在晶體管以及工作頻率給定時是個定值，所以對穩(wěn)定性有影響的參數(shù)是ΓL和Γs?？疾靯Γin|<1的穩(wěn)定性條件。將其中各參數(shù)分解為實部和虛部：代入|Γin|=1，整理可得圓方程：推導過程可參考趙國湘、高葆新編《微波有源電路》P199穩(wěn)定性判別圓上述圓方程可由以下參數(shù)確定：圓心：半徑：由rout和Cout的表示式可見，S參數(shù)確定后rout和Cout在ΓL復平面上確定一個圓，稱為穩(wěn)定性判別圓（簡稱穩(wěn)定圓）。放大器的穩(wěn)定性判定以上討論的是ΓL復平面上的|Γin|=1圓，用同樣方法由可得到在Γs復平面上的穩(wěn)定性判別圓：圓半徑圓心式中放大器的穩(wěn)定性判定輸入端穩(wěn)定性判別圓下面討論如何用穩(wěn)定性判別圓判斷穩(wěn)定區(qū)域放大器的穩(wěn)定性判定右圖示ΓL復平面上的穩(wěn)定性判別圓的一種情況。|Γin|=1圓將ΓL復平面分成兩個區(qū)域，根據(jù)定義：|Γin|<1的區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)；|Γin|>1的區(qū)域是潛在不穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定區(qū)潛在不穩(wěn)定是指在|ΓL|<1單位圓內存在不穩(wěn)定區(qū)圓外還是圓內是穩(wěn)定區(qū)域？放大器的穩(wěn)定性判定由公式可見，如果ΓL=0，則|Γin|=|S11|，對應于|S11|<1或|S11|>1，有以下兩種情況：若|S11|<1則|Γin|<1，這時ΓL復平面原點（ΓL=0點）所在的區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)。因為|S11|<1時，ΓL=0，則|Γin|=|S11|<1。另一種情況是|S11|>1，則原點區(qū)域為潛在不穩(wěn)定區(qū)，但一般微波晶體管器件本身的|S11|均小于1，不會發(fā)生這種情況。放大器的穩(wěn)定性判定由以上分析可知，在|S11|<1的條件下，穩(wěn)定圓將ΓL平面分成圓內和圓外兩個區(qū)域：其中包含原點的區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)，再考慮|ΓL|<1就可以確定保證放大器穩(wěn)定時輸出匹配網(wǎng)絡ΓL的取值范圍。另一部分的ΓL為潛在不穩(wěn)定區(qū)。|Γin|=1圓，有人稱為“輸入穩(wěn)定判別圓”，因為判別的是輸入端口的穩(wěn)定性；也有人稱之為“輸出穩(wěn)定圓”，因為它是輸出負載平面上的判別圓，用來確定對輸出負載的正確選擇。由于各晶體管的S參數(shù)不同，穩(wěn)定圓在ΓL復平面上的位置和大小也不同。穩(wěn)定性判斷實例條件：|S11|<1多頻率點穩(wěn)定性判別圓放大器的穩(wěn)定性判定|S22|<1時，在Γs復平面上穩(wěn)定圓與單位圓的相對關系類似于|Γin|=1圓與|ΓL|=1單位圓的關系。潛在不穩(wěn)定原因是管內存在反饋S12。設計放大器時要避開不穩(wěn)定區(qū)。而且，晶體管輸入、輸出互相影響，要保證在ΓL、Γs兩個平面上同時避開不穩(wěn)定區(qū)。判別圓大小、位置取決于自身S參數(shù)。穩(wěn)定性情況有多種，需要掌握根據(jù)穩(wěn)定性判別圓來確定ΓL、Γs的取值范圍。輸入端穩(wěn)定性判別圓

圓心位置向量

判別圓的半徑

輸出端穩(wěn)定性判別圓圓心位置向量判別圓的半徑式中：|in|=1穩(wěn)定性判別圓位置總結|out|=1絕對穩(wěn)定顧名思義絕對穩(wěn)定是指在選定的工作頻率和偏置條件下，放大器在整個Smith圓圖內始終都處于穩(wěn)定狀態(tài)。這個概念對輸入、輸出端口都適用。由ΓL復平面上穩(wěn)定圓可知，a、d情況ΓL單位圓內全部是穩(wěn)定區(qū)，即對于任意的|ΓL

|<1的點都滿足|Γin|<1。若同時對任意的|Γs|<1的點，也都滿足|Γout|<1，這樣的晶體管是絕對穩(wěn)定的。（亦稱無條件穩(wěn)定）。用這樣的晶體管設計放大器，其兩個端口連接的無源阻抗都可以任選。絕對穩(wěn)定的必要條件依據(jù)：化簡得：定義穩(wěn)定性系數(shù)

絕對穩(wěn)定的充分必要條件：絕對穩(wěn)定的充分必要條件絕對穩(wěn)定的充分必要條件若對Γs上的穩(wěn)定判別圓作穩(wěn)定性分析，也可以得到完全相同的結論，因此，穩(wěn)定性因子K對輸入、輸出端口都適用。K>1是放大器絕對穩(wěn)定的必要條件，但還不是充分條件?？梢宰C明絕對穩(wěn)定的充分必要條件是：若S12=0，即單向化情況下，充分必要條件為：1.K<1是潛在不穩(wěn)定，有自激振蕩的可能性2.信源反射波小于信源入射波時不振蕩：由圖可知得到不自激振蕩條件：穩(wěn)定性系數(shù)的性質不自激振蕩條件：*信源阻抗50歐姆時，不會產生振蕩*實際天線通常不是全匹配，尤其頻帶外失配較大*移動通信天線受環(huán)境影響大，源阻抗變化大基本規(guī)律：3.信源阻抗對穩(wěn)定性有影響穩(wěn)定性系數(shù)的性質網(wǎng)絡兩端口串聯(lián)或并聯(lián)電抗時，總網(wǎng)絡K不變K=Ka5.網(wǎng)絡兩端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻時，總網(wǎng)絡K增加，即穩(wěn)定性改善6.網(wǎng)絡兩端口之間加電抗時(反饋)，總網(wǎng)絡K改變串聯(lián)負反饋可以在一定頻帶內加大K值，改善穩(wěn)定性，是常用方法穩(wěn)定性系數(shù)的性質有條件穩(wěn)定在上述6種可能性中的b、c、e、f四種情況，ΓL（或Γs）單位圓內都存在不穩(wěn)定區(qū)。設計放大器時為了避開不穩(wěn)定區(qū)有兩種辦法：避開并遠離不穩(wěn)定區(qū)，即選擇ΓL（或Γs）單位圓內陰影區(qū)，仍能使輸入、輸出端口穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定區(qū)內的某ΓL值使|Γin|>1，但只要在輸入端口所接Γs能滿足|ΓsΓin|<1，則仍然可以使之穩(wěn)定。同理，只要|ΓLΓout|<1，即使|Γout|>1，放大器也不會自激。這兩種辦法雖然能使放大器仍然穩(wěn)定工作，但包含著不穩(wěn)定因素。如果端接條件有所變化，就可能會發(fā)生振蕩，因此稱為有條件穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定。有條件穩(wěn)定網(wǎng)絡輸入端口接Zs，但|Γin|>1。已知：b1經(jīng)Γs再反射后進入輸入端口為：如果，則說明來回反射趨于衰減，不可能引起自激。放大器的穩(wěn)定性判定由于晶體管輸入、輸出端互有影響，因此設計時要保證在ΓL和Γs單位圓內同時都避開不穩(wěn)定區(qū)。在具體設計步驟中，如果先避開輸出平面上的不穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)指標要求選擇了某個ΓL值，而Γin與ΓL值有關，根