第9章射頻放大器無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計文光俊

本章目錄第一節(jié)射頻放大器的相關(guān)理論第二節(jié)射頻放大器偏置電路第三節(jié)低噪聲放大器設(shè)計第四節(jié)功率放大器設(shè)計

目前一頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點知識結(jié)構(gòu)射頻放大器射頻放大器的相關(guān)理論放大器的噪聲系數(shù)圓場效應(yīng)晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)射頻放大器的功率增益雙極型晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)低噪聲放大器簡介低噪聲放大器主要技術(shù)指標放大器的穩(wěn)定性低噪聲放大器基本電路射頻放大器偏置電路低噪聲放大器設(shè)計功率放大器設(shè)計常見的LNA電路配置低噪聲放大器設(shè)計步驟低噪聲放大器設(shè)計舉例功率放大器簡介功放的工作類型功率放大器的主要性能指標功率放大器的設(shè)計步驟功率放大器設(shè)計舉例功率合成技術(shù)功率放大器線性化技術(shù)功率放大器的效率增強技術(shù)目前二頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論9.1.1放大器的穩(wěn)定性輸入反射系數(shù)：輸出反射系數(shù)：兩類穩(wěn)定性：(1)絕對穩(wěn)定：無論晶體管放大器接什么樣的無源負載阻抗和源阻抗，均有和。

(2)條件穩(wěn)定：不是所有的無源負載阻抗和源阻抗，均使晶體管放大器的和。目前三頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論1、穩(wěn)定性判定圓放大器穩(wěn)定性邊界條件：其中：。輸出穩(wěn)定圓輸入穩(wěn)定圓（1）對于輸出穩(wěn)定性判定圓輸出穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)目前四頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論（2）對于輸入穩(wěn)定性判定圓輸入穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)2、絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定條件：時，與平面上的絕對穩(wěn)定條件目前五頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論用穩(wěn)定因子k描述絕對穩(wěn)定條件：將輸入穩(wěn)定圓的圓心和半徑的表達式：代入穩(wěn)定條件：可得：整理得：上式大括號中的表達式必須大于0，故可得：目前六頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論3、放大器的穩(wěn)定措施（1）電阻性加載電阻性加載是場效應(yīng)晶體管或雙極型晶體管的一種常用穩(wěn)定措施，這種方法即為在有源器件的不穩(wěn)定端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。（2）并聯(lián)反饋通過在晶體管的輸出端到輸入端之間添加一個電阻器，引入負反饋，能很好地改善晶體管的穩(wěn)定性。

串聯(lián)反饋要求在器件的公共端接入一個電阻器或者電感器。

（3）串聯(lián)反饋用串聯(lián)或并聯(lián)的電阻穩(wěn)定措施放大器的反饋型穩(wěn)定措施目前七頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論9.1.2射頻放大器的功率增益1、放大器功率增益定義單級放大器網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸圖源反射系數(shù)：負載反射系數(shù)：平均輸入功率：目前八頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論傳送到負載的平均功率：傳送到負載的最大功率：（1）功率轉(zhuǎn)換增益定義：負載吸收功率和信號源資用功率之比。

目前九頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論（2）資用功率增益和工作功率增益資用功率增益：工作功率增益：目前十頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論

2、放大器的功率增益特性（1）單向化設(shè)計法單向化功率轉(zhuǎn)換增益的原理圖單向化功率轉(zhuǎn)換增益：目前十一頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論（2）最大增益設(shè)計實際的放大器電路設(shè)計中，當大到不能忽略時，采用單向化設(shè)計法導致的誤差不能容忍，此時應(yīng)采用雙共軛匹配法做放大器的最大增益設(shè)計。

輸入端口反射系數(shù)：輸出端口反射系數(shù)：由（1）和（2）可得：（1）（2）目前十二頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論其中：最大增益與穩(wěn)定因子k的關(guān)系為：當k=1時可以得到有用的數(shù)值，它通常別稱為最大穩(wěn)定增益，表達式為:目前十三頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論

3、等增益圓考慮了晶體管反饋效應(yīng)的實際放大器設(shè)計中，根據(jù)工作功率增益和資用功率增益的定義可以推導出相應(yīng)的等增益圓形式。

1、工作功率增益圓在晶體管輸入阻抗和源阻抗共軛匹配的條件下，可以將工作功率增益的表達式改寫成如下形式：其中為比例系數(shù)：目前十四頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論將上式改寫為負載反射系數(shù)的圓方程形式，即：其中圓心坐標：

圓半徑：式中k為Rollett穩(wěn)定因子。目前十五頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論

2、資用功率增益圓資用功率增益圓方程為：其中圓心坐標：圓半徑：比例系數(shù)由下式確定：其中是要求的資用功率增益。

目前十六頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.1射頻放大器的相關(guān)理論

9.1.3放大器的噪聲系數(shù)圓等噪聲系數(shù)圓方程：圓心：

半徑：

從圓方程可以看出：當時，得到最小噪聲系數(shù)，等噪聲系數(shù)圓約簡化成一點；所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都落在原點與的連線上；噪聲系數(shù)越大，則圓心距離原點越近而且半徑越大。目前十七頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.2射頻放大器偏置電路

9.2.1雙極型晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)對于射頻雙極型晶體管的偏置電路，常見的有固定基流偏置電路和基極分壓射極偏置電路兩種，它們的拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示：雙極型晶體管的無源偏置電路目前十八頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.2射頻放大器偏置電路

參照上圖所示的無源偏置電路，為雙極型晶體管設(shè)計偏置。已知晶體管的工作狀態(tài)為，，。假定晶體管的電流放大系數(shù)，且。解：偏置電路的直流通路可簡化成：簡化電路固定基流偏置電路中，基極電流為：假定，則：

為了保證中間電位為近似固定值，流過電阻的電流的值至少為的10倍，則：目前十九頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.2射頻放大器偏置電路

9.2.2場效應(yīng)晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)場效應(yīng)晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)和雙極型晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)基本相同。由于場效應(yīng)管的偏置條件許多時候需要負的柵極電壓，通常采用雙電源供電。

場效應(yīng)晶體管的雙極性無源偏置網(wǎng)絡(luò)傳輸線偏置目前二十頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

9.3.1低噪聲放大器簡介低噪聲放大器（low-noiseamplifier，LNA）是射頻接收機前端的重要組成部分。通常低噪聲放大器位于接收機的最前端，它對微弱的接收信號進行放大并盡可能少地引入本地噪聲。

9.3.2低噪聲放大器的主要技術(shù)指標

1、工作頻率放大器能夠工作的頻率取決于晶體管的特征頻率，常選擇是工作頻率的5～10倍。

2、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)在不同的應(yīng)用場合有不同的要求，它的值可以從1dB到幾個dB。噪聲系數(shù)與放大器所選用的晶體管噪聲特性、靜態(tài)工作點、輸入/輸出匹配特性、工作頻率和工藝有關(guān)，是低噪聲放大器最為重要的指標。目前二十一頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

3、增益放大器增益的大小取決于系統(tǒng)的要求，較大的增益利于抑制后續(xù)電路的噪聲對整個接收機系統(tǒng)的影響，但是增益太大會導致后面的下變頻器輸入過載，產(chǎn)生非線性失真。因此，低噪聲放大器的增益應(yīng)當適中，一般在25dB以下。

4、輸入/輸出阻抗匹配輸出匹配通常采用共軛匹配方式，以實現(xiàn)最大功率傳輸。輸入匹配電路一般有兩種，一為實現(xiàn)噪聲系數(shù)最小的噪聲匹配，二是實現(xiàn)最大功率增益和最小回波損耗為目的共軛匹配。5、線性度低噪聲放大器的線性范圍主要由三階互調(diào)截點輸入功率IIP3或輸出功率OIP3和1dB壓縮點的輸入或輸出功率來衡量。

6、反向隔離度反向隔離反應(yīng)了低噪聲放大器輸出端與輸入端的隔離度，良好的反向隔離可以減少本振信號到天線的泄露。

目前二十二頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

9.3.3低噪聲放大器基本電路低噪聲放大器基本電路框圖如圖所示，主要包括偏置電路、輸入/輸出匹配電路和控制保護電路三部分。

1、直流（電壓/電流）偏置電路偏置電路的作用就是給放大器提供需要的直流電壓或電流，它通常有固定基極、基極分壓、傳輸線和有源偏置等形式。

2、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路為了實現(xiàn)最大增益、最小噪聲系數(shù)或最大功率傳輸，放大器相應(yīng)有增益、噪聲和功率匹配網(wǎng)絡(luò)。

3、控制和保護電路控制電路通常由開關(guān)、衰減器、移相器和限幅器等器件構(gòu)成，它的主要作用是提高放大器線性度和控制增益。

放大器電路結(jié)構(gòu)框圖目前二十三頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

9.3.4常見的LNA電路配置對場效應(yīng)管而言，電路配置可以分為共源、共柵、共漏和共源-共柵（cascode）四種基本類型；相應(yīng)地，對雙極型晶體管而言，電路配置又可以分為共射、共基、共集和共射-共基（cascode）四種基本類型。

FET和BJT的基本電路配置

目前二十四頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

9.3.5低噪聲放大器的設(shè)計步驟1、依據(jù)應(yīng)用要求（噪聲，頻率，帶寬，增益，功耗等）選擇合適的晶體管或工藝。

2、確定LNA電路拓撲。

3、確定放大器的直流工作點和設(shè)計偏置電路。

4、確定最小噪聲輸入阻抗。

5、將最小噪聲輸入阻抗匹配到信號源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

6、確定放大器輸出阻抗。

7、將放大器輸出阻抗匹配到負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

8、低噪放性能仿真和優(yōu)化。

9、電路制作和性能調(diào)試。

10、性能的測量和標定。

目前二十五頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計

9.3.6低噪聲放大器設(shè)計舉例

1、LNA設(shè)計的性能指標低噪聲放大器預(yù)期性能指標

2、晶體管的選擇本例選用的晶體管為英飛凌公司的BFP405_BJT，這種晶體管適合用來設(shè)計小信號放大器。單管在2.0～2.3GHz處的最小噪聲系數(shù)大于1.5dB，能達到的最大資用增益為17dB。3、LNA電路方案的確定根據(jù)設(shè)計的性能指標，LNA的電路方案為兩級放大，為簡便起見，前后兩級采用對稱結(jié)構(gòu)。晶體管的工作點選在負載線的中點，使放大器工作在A類。目前二十六頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計4、偏置電路設(shè)計本例的低噪聲放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端射頻短路的四分之一波長傳輸線。

5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計為了節(jié)省元件，并使放大器的性能穩(wěn)定且布局合理，設(shè)計的低噪聲放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線匹配法。

偏置電路單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)目前二十七頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計6．原理圖仿真及優(yōu)化低噪聲放大器的偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計好以后，便可形成一個完整的低噪放原理圖，如圖所示。仿真和優(yōu)化整個低噪聲放大器的性能，直到滿足要求為止。低噪聲放大器原理圖目前二十八頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.3低噪聲放大器設(shè)計7、生成版圖并焊裝元件當原理圖仿真達到預(yù)期的性能指標后，生成版圖。

8、測試結(jié)果測試實際電路的性能，得到放大器的S參數(shù)和噪聲系數(shù)。

低噪聲放大器版圖低噪聲放大器實物圖S參數(shù)測量結(jié)果噪聲系數(shù)測量結(jié)果目前二十九頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計9.4.1功率放大器簡介功率放大器位于發(fā)射機的末級，它將已調(diào)制的頻帶信號放大到所需要的功率值，再送到天線中進行發(fā)射，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。9.4.2功放的工作類型

在小信號條件下A類工作是線性的，而大信號時A類工作會導致某些輸出信號出現(xiàn)非線性失真。在B類狀態(tài)下，晶體管在輸入信號的半個周期內(nèi)導通。C類工作的晶體管，一般情況處于截止狀態(tài)，除非基極和發(fā)射極之間的交流信號將其導通?；綛類互補放大器基本AB類互補放大器基本C類放大器目前三十頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計9.4.3功率放大器的主要性能指標1、工作頻率隨著頻率的上升，不僅放大器的增益會降低，而且輸出功率也會減小。

2、輸出功率輸出功率是功放最為重要的性能指標之一，通常用飽和輸出功率的大小來衡量。

3、效率功放效率有集電極效率和功率增加效率PAE兩種定義方式，它們的表達式為：

目前三十一頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計4、功率增益

功率增益的定義為輸出功率與輸入功率之比。5、線性度在大信號工作條件下，功率放大器的非線性效應(yīng)較為明顯，導致所放大的信號失真。

9.4.4功率放大器的設(shè)計步驟1、依據(jù)應(yīng)用要求（噪聲，頻率，帶寬，增益，功耗等）選擇合適的晶體管。

2、確定功率放大器的電路拓撲。

3、確定放大器的直流工作點和設(shè)計偏置電路。

4、確定最大功率輸出阻抗。

5、將最大功率輸出阻抗匹配到負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

6、確定放大器輸入阻抗。

目前三十二頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計7、將放大器輸入阻抗匹配到源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

8、功放性能仿真和優(yōu)化。

9、電路制作和性能調(diào)試。

10、性能的測量和標定。

9.4.5功率放大器的設(shè)計舉例1、PA設(shè)計的性能指標功率放大器預(yù)期性能指標2、功放管的選擇

本例選用的晶體管為安捷倫公司的ATF54143_PHEMT。單管在1.8～2.5GHz處能達到的最大資用增益大于18dB，而1dB壓縮輸出功率點高于22.5dBm。目前三十三頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計3、PA電路方案的確定使第一級工作在A類，第二級工作在AB類，這樣可以使功放具有較好的線性度和較高的效率。第一級采用最大增益匹配，第二級輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，級間共軛匹配。4、直流偏置電路設(shè)計本例所用功率放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端開路的四分之一波長傳輸線。

功率放大器偏置電路功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線匹配法。匹配順序為從后級向前級匹配。第二級的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，第一級采用最大增益匹配。5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計目前三十四頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4功率放大器設(shè)計6、功放原理圖仿真及優(yōu)化功率放大器的偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計好以后，便可形成一個完整的功放原理圖，如圖所示：

功率放大器原理圖目前三十五頁\總數(shù)三十九頁\編于二十一點§9.4