第9章射頻放大器無(wú)線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計(jì)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(jì)第四節(jié)功率放大器設(shè)計(jì)

目前一頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)知識(shí)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(chǎng)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(jiǎn)介低噪聲放大器主要技術(shù)指標(biāo)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(jì)功率放大器設(shè)計(jì)常見(jiàn)的LNA電路配置低噪聲放大器設(shè)計(jì)步驟低噪聲放大器設(shè)計(jì)舉例功率放大器簡(jiǎn)介功放的工作類型功率放大器的主要性能指標(biāo)功率放大器的設(shè)計(jì)步驟功率放大器設(shè)計(jì)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(qiáng)技術(shù)目前二頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(duì)穩(wěn)定：無(wú)論晶體管放大器接什么樣的無(wú)源負(fù)載阻抗和源阻抗，均有和。

(2)條件穩(wěn)定：不是所有的無(wú)源負(fù)載阻抗和源阻抗，均使晶體管放大器的和。目前三頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(duì)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.1射頻放大器的相關(guān)理論（2）對(duì)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(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定條件：時(shí)，與平面上的絕對(duì)穩(wěn)定條件目前五頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.1射頻放大器的相關(guān)理論用穩(wěn)定因子k描述絕對(duì)穩(wěn)定條件：將輸入穩(wěn)定圓的圓心和半徑的表達(dá)式：代入穩(wěn)定條件：可得：整理得：上式大括號(hào)中的表達(dá)式必須大于0，故可得：目前六頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(chǎng)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(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。（2）并聯(lián)反饋通過(guò)在晶體管的輸出端到輸入端之間添加一個(gè)電阻器，引入負(fù)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(gè)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸圖源反射系數(shù)：負(fù)載反射系數(shù)：平均輸入功率：目前八頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.1射頻放大器的相關(guān)理論傳送到負(fù)載的平均功率：傳送到負(fù)載的最大功率：（1）功率轉(zhuǎn)換增益定義：負(fù)載吸收功率和信號(hào)源資用功率之比。

目前九頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(jì)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.1射頻放大器的相關(guān)理論（2）最大增益設(shè)計(jì)實(shí)際的放大器電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)大到不能忽略時(shí)，采用單向化設(shè)計(jì)法導(dǎo)致的誤差不能容忍，此時(shí)應(yīng)采用雙共軛匹配法做放大器的最大增益設(shè)計(jì)。

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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(dāng)k=1時(shí)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(dá)式為:目前十三頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(shí)際放大器設(shè)計(jì)中，根據(jù)工作功率增益和資用功率增益的定義可以推導(dǎo)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(dá)式改寫成如下形式：其中為比例系數(shù)：目前十四頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.1射頻放大器的相關(guān)理論將上式改寫為負(fù)載反射系數(shù)的圓方程形式，即：其中圓心坐標(biāo)：

圓半徑：式中k為Rollett穩(wěn)定因子。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(biāo)：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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(dāng)時(shí)，得到最小噪聲系數(shù)，等噪聲系數(shù)圓約簡(jiǎn)化成一點(diǎn)；所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都落在原點(diǎn)與的連線上；噪聲系數(shù)越大，則圓心距離原點(diǎn)越近而且半徑越大。目前十七頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§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(duì)于射頻雙極型晶體管的偏置電路，常見(jiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示：雙極型晶體管的無(wú)源偏置電路目前十八頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.2射頻放大器偏置電路

參照上圖所示的無(wú)源偏置電路，為雙極型晶體管設(shè)計(jì)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(jiǎn)化成：簡(jiǎn)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(guò)電阻的電流的值至少為的10倍，則：目前十九頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.2射頻放大器偏置電路

9.2.2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相同。由于場(chǎng)效應(yīng)管的偏置條件許多時(shí)候需要負(fù)的柵極電壓，通常采用雙電源供電。

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

9.3.1低噪聲放大器簡(jiǎn)介低噪聲放大器（low-noiseamplifier，LNA）是射頻接收機(jī)前端的重要組成部分。通常低噪聲放大器位于接收機(jī)的最前端，它對(duì)微弱的接收信號(hào)進(jìn)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(biāo)

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(chǎng)合有不同的要求，它的值可以從1dB到幾個(gè)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(diǎn)、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(biāo)。目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)

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(duì)整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的影響，但是增益太大會(huì)導(dǎo)致后面的下變頻器輸入過(guò)載，產(chǎn)生非線性失真。因此，低噪聲放大器的增益應(yīng)當(dāng)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(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。輸入匹配電路一般有兩種，一為實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)最小的噪聲匹配，二是實(shí)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(diǎn)輸入功率IIP3或輸出功率OIP3和1dB壓縮點(diǎn)的輸入或輸出功率來(lái)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(hào)到天線的泄露。

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

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(hù)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(shí)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(hù)電路控制電路通常由開(kāi)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)

9.3.4常見(jiàn)的LNA電路配置對(duì)場(chǎng)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(duì)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)

9.3.5低噪聲放大器的設(shè)計(jì)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?fù)洹?/p>

3、確定放大器的直流工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)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(hào)源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

6、確定放大器輸出阻抗。

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

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(cè)量和標(biāo)定。

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

9.3.6低噪聲放大器設(shè)計(jì)舉例

1、LNA設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)低噪聲放大器預(yù)期性能指標(biāo)

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(lái)設(shè)計(jì)小信號(hào)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(dá)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(jì)的性能指標(biāo)，LNA的電路方案為兩級(jí)放大，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，前后兩級(jí)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。晶體管的工作點(diǎn)選在負(fù)載線的中點(diǎn)，使放大器工作在A類。目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)4、偏置電路設(shè)計(jì)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(zhǎng)傳輸線。

5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)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(jì)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)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(jì)好以后，便可形成一個(gè)完整的低噪放原理圖，如圖所示。仿真和優(yōu)化整個(gè)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.3低噪聲放大器設(shè)計(jì)7、生成版圖并焊裝元件當(dāng)原理圖仿真達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)后，生成版圖。

8、測(cè)試結(jié)果測(cè)試實(shí)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(shí)物圖S參數(shù)測(cè)量結(jié)果噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果目前二十九頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)9.4.1功率放大器簡(jiǎn)介功率放大器位于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率值，再送到天線中進(jìn)行發(fā)射，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)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(hào)條件下A類工作是線性的，而大信號(hào)時(shí)A類工作會(huì)導(dǎo)致某些輸出信號(hào)出現(xiàn)非線性失真。在B類狀態(tài)下，晶體管在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。C類工作的晶體管，一般情況處于截止?fàn)顟B(tài)，除非基極和發(fā)射極之間的交流信號(hào)將其導(dǎo)通?；綛類互補(bǔ)放大器基本AB類互補(bǔ)放大器基本C類放大器目前三十頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)9.4.3功率放大器的主要性能指標(biāo)1、工作頻率隨著頻率的上升，不僅放大器的增益會(huì)降低，而且輸出功率也會(huì)減小。

2、輸出功率輸出功率是功放最為重要的性能指標(biāo)之一，通常用飽和輸出功率的大小來(lái)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(dá)式為：

目前三十一頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)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(hào)工作條件下，功率放大器的非線性效應(yīng)較為明顯，導(dǎo)致所放大的信號(hào)失真。

9.4.4功率放大器的設(shè)計(jì)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?fù)洹?/p>

3、確定放大器的直流工作點(diǎn)和設(shè)計(jì)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(fù)載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

6、確定放大器輸入阻抗。

目前三十二頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)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(jì)。

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(cè)量和標(biāo)定。

9.4.5功率放大器的設(shè)計(jì)舉例1、PA設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)功率放大器預(yù)期性能指標(biāo)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(dá)到的最大資用增益大于18dB，而1dB壓縮輸出功率點(diǎn)高于22.5dBm。目前三十三頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)3、PA電路方案的確定使第一級(jí)工作在A類，第二級(jí)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(jí)采用最大增益匹配，第二級(jí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，級(jí)間共軛匹配。4、直流偏置電路設(shè)計(jì)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(kāi)路的四分之一波長(zhǎng)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?yàn)閺暮蠹?jí)向前級(jí)匹配。第二級(jí)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，第一級(jí)采用最大增益匹配。5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)目前三十四頁(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4功率放大器設(shè)計(jì)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(jì)好以后，便可形成一個(gè)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(yè)\總數(shù)三十九頁(yè)\編于二十一點(diǎn)§9.4