放大器穩(wěn)定性判定

放大器穩(wěn)定性判定主要內(nèi)容放大器得基本原理放大器得分類放大器得特性指標(biāo)放大器得功率關(guān)系放大器得功率增益放大器得穩(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放大器得基本原理放大器就是無線收發(fā)機中得重要組成部件。類似于低頻放大器,RF/MW放大器電路就是為了獲取穩(wěn)定得增益,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(luò)進(jìn)行描述,用S參量表述晶體管得特性,因此其分析和設(shè)計也就是基于S參量和二端口網(wǎng)絡(luò)。對射頻電路而言,要特別關(guān)注輸入端與輸出端得阻抗匹配問題。RF/MW放大器得分類按用途: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。按信號得強弱: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)工作點得位置:A(甲)類、B(乙)類、C(丙)類……等小信號放大器得性能指標(biāo)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)其她參數(shù):線性度(動態(tài)范圍)、交調(diào)失真、諧波、反向隔離等放大器得二端口網(wǎng)絡(luò)表示所有放大器,不管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是什么,都可以用線性二端口模型來描述。當(dāng)頻率在RF頻段以上時,通常采用S(散射)參量來描述網(wǎng)絡(luò)。[

b]=[s][a]b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、bi分別為輸入、輸出信號得振幅大小。放大器得網(wǎng)絡(luò)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(fù)載。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可用于減小有害反射從而增加功率流容量。放大器得指標(biāo)由其在特定偏置條件下得S參量確定。放大器得功率關(guān)系如果把兩個匹配網(wǎng)絡(luò)分別歸入信號源和負(fù)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得功率關(guān)系。9大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流放大器得功率關(guān)系設(shè)信號源阻抗為Zs,匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗為Z0,則信號源得歸一化電壓:已知b1就是放大器輸入端口得反射波,但對信號源來說她就是入射波。b1被信號源Zs再反射后變成了向放大器入射得波。于就是輸入端口得入射波:因為Γin=Γ1=b1/a1,放大器得功率關(guān)系所以,放大器得入射波功率:顯然,放大器輸入端得實際輸入功率應(yīng)為入射波功率減去反射波功率,即:放大器得功率關(guān)系如果放大器得輸入阻抗與信號源得阻抗共軛匹配,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(fù)載(放大器)得最大功率定義為信號源得資用功率(記作PA):可見,信號源資用功率與Γs有關(guān)。放大器得功率關(guān)系對于輸出端口,應(yīng)用同樣得原理分析。已知a2就是放大器端口2得入射波,但對負(fù)載來說她就是反射波,所以有:又由S參量定義,整理得:因此,負(fù)載得輸入功率(即負(fù)載吸收得功率):放大器得功率增益射頻微波晶體管放大器功率增益就是管子S參數(shù)、信號源阻抗和負(fù)載阻抗得函數(shù)。信號源阻抗、負(fù)載阻抗與放大器得匹配狀態(tài)不同時,所得功率增益就是不同得,通常有:轉(zhuǎn)換功率增益:負(fù)載吸收功率與二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端得資用功率之比,與兩端阻抗都有關(guān),即:GT=PL/Pa。實際功率增益:負(fù)載吸收功率與二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端吸收功率之比,與源阻抗無關(guān),與負(fù)載阻抗有關(guān),即:G=PL/Pin

。資用功率增益:二端口網(wǎng)絡(luò)輸入資用功率與輸出資用功率之比,源端和負(fù)載端均共軛匹配,與源阻抗有關(guān),與負(fù)載阻抗無關(guān)。她就是放大器增益得最大潛力,即:GA=Pavs/Pavs。轉(zhuǎn)換功率增益負(fù)載吸收功率與信號源資用功率得比值稱為放大器得轉(zhuǎn)換功率增益,即:由輸入、輸出反射系數(shù)在輸出端口接ZL負(fù)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(dāng)輸入端口接源阻抗Zs時,由求出輸出端入反射系數(shù):轉(zhuǎn)換功率增益應(yīng)用Γin、Γout得表達(dá)式,轉(zhuǎn)換功率增益可以改寫成:GT得物理意義就是:插入放大器后,負(fù)載實際得到得功率就是無放大器時可能得到得最大功率得多少倍。GT反映了晶體管S參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端匹配程度對增益得影響。單向轉(zhuǎn)換功率增益如果忽略放大器反饋得影響,即認(rèn)為S12=0,則Γin=S11,Γout=S22,這時有:

GTU與GT通常就是非常接近得,因而常用上式作為放大器及其輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)近似設(shè)計得基礎(chǔ)。由放大器得轉(zhuǎn)換功率增益,可導(dǎo)出放大器得實際功率增益和資用功率增益?！獑蜗蚧D(zhuǎn)換功率增益實際功率增益實際功率增益就是指負(fù)載吸收功率與放大器輸入功率得比值。實際功率增益只與S參數(shù)、ΓL

有關(guān),而與Γs無關(guān)(式中Γin也與Γs無關(guān),只與ΓL有關(guān))。應(yīng)用G得表達(dá)式便于研究負(fù)載變化對放大器功率增益得影響。資用功率增益放大器資用功率增益就是指放大器得資用功率與信號源資用功率得比值。因為時,放大器得資用功率=負(fù)載吸收得功率。由資用功率增益定義可得GA得物理意義就是:插入放大器后負(fù)載可能得到得最大功率就是無放大器時可能得到得最大功率得多少倍。實際上,放大器在輸入、輸出端都不見得就是共軛匹配,GA只就是表明放大器功率增益得一種潛力。應(yīng)用GA得表達(dá)式便于研究信號源阻抗變換對放大器增益得影響。放大器增益總結(jié)放大器得穩(wěn)定性判定射頻放大器內(nèi)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(fù)載反射系數(shù)這四個概念就是理解雙端口網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性得關(guān)鍵。這四個反射系數(shù)就是各自獨立得,由S參量確定。根據(jù)得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(dǎo)致不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此,可以通過反射系數(shù)Γ來判斷放大器得穩(wěn)定性。微波管有內(nèi)部反饋

S12就是反饋,S12、S21有相位移判斷不穩(wěn)定依據(jù):輸入或輸出端就是否等效有負(fù)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(luò),該網(wǎng)絡(luò)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)得模小于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就是個定值,所以對穩(wěn)定性有影響得參數(shù)就是ΓL和Γs?？疾靯Γin|<1得穩(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(dǎo)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得表示式可見,S參數(shù)確定后rout和Cout在ΓL復(fù)平面上確定一個圓,稱為穩(wěn)定性判別圓(簡稱穩(wěn)定圓)。放大器得穩(wěn)定性判定以上討論得就是ΓL復(fù)平面上得|Γin|=1圓,用同樣方法由可得到在Γs復(fù)平面上得穩(wěn)定性判別圓:圓半徑圓心式中放大器得穩(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)域放大器得穩(wěn)定性判定右圖示ΓL復(fù)平面上得穩(wěn)定性判別圓得一種情況。|Γin|=1圓將ΓL復(fù)平面分成兩個區(qū)域,根據(jù)定義:|Γin|<1得區(qū)域就是穩(wěn)定區(qū);|Γin|>1得區(qū)域就是潛在不穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定區(qū)潛在不穩(wěn)定就是指在|ΓL|<1單位圓內(nèi)存在不穩(wěn)定區(qū)圓外還就是圓內(nèi)就是穩(wěn)定區(qū)域？放大器得穩(wěn)定性判定由公式可見,如果ΓL=0,則|Γin|=|S11|,對應(yīng)于|S11|<1或|S11|>1,有以下兩種情況:若|S11|<1則|Γin|<1,這時ΓL復(fù)平面原點(ΓL=0點)所在得區(qū)域就是穩(wěn)定區(qū)。因為|S11|<1時,ΓL=0,則|Γin|=|S11|<1。另一種情況就是|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得|S11|均小于1,不會發(fā)生這種情況。放大器得穩(wěn)定性判定由以上分析可知,在|S11|<1得條件下,穩(wěn)定圓將ΓL平面分成圓內(nèi)和圓外兩個區(qū)域:其中包含原點得區(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(luò)ΓL得取值范圍。另一部分得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”,因為判別得就是輸入端口得穩(wěn)定性;也有人稱之為“輸出穩(wěn)定圓”,因為她就是輸出負(fù)載平面上得判別圓,用來確定對輸出負(fù)載得正確選擇。由于各晶體管得S參數(shù)不同,穩(wěn)定圓在ΓL復(fù)平面上得位置和大小也不同。穩(wěn)定性判斷實例條件:|S11|<1多頻率點穩(wěn)定性判別圓放大器得穩(wěn)定性判定|S22|<1時,在Γs復(fù)平面上穩(wěn)定圓與單位圓得相對關(guān)系類似于|Γin|=1圓與|ΓL|=1單位圓得關(guān)系。潛在不穩(wěn)定原因就是管內(nèi)存在反饋S12。設(shè)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得取值范圍。

輸入端穩(wěn)定性判別圓

圓心位置向量

判別圓得半徑

輸出端穩(wěn)定性判別圓圓心位置向量判別圓得半徑式中:|

in|=1穩(wěn)定性判別圓位置總結(jié)|

out|=1絕對穩(wěn)定顧名思義絕對穩(wěn)定就是指在選定得工作頻率和偏置條件下,放大器在整個Smith圓圖內(nèi)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(fù)平面上穩(wěn)定圓可知,a、d情況ΓL單位圓內(nèi)全部就是穩(wěn)定區(qū),即對于任意得|ΓL

|<1得點都滿足|Γin|<1。若同時對任意得|Γs|<1得點,也都滿足|Γout|<1,這樣得晶體管就是絕對穩(wěn)定得。(亦稱無條件穩(wěn)定)。用這樣得晶體管設(shè)計放大器,其兩個端口連接得無源阻抗都可以任選。

絕對穩(wěn)定得必要條件依據(jù):化簡得:定義穩(wěn)定性系數(shù)

絕對穩(wěn)定得充分必要條件:絕對穩(wěn)定得充分必要條件絕對穩(wěn)定得充分必要條件若對Γs上得穩(wěn)定判別圓作穩(wěn)定性分析,也可以得到完全相同得結(jié)論,因此,穩(wěn)定性因子K對輸入、輸出端口都適用。K>1就是放大器絕對穩(wěn)定得必要條件,但還不就是充分條件。可以證明絕對穩(wěn)定得充分必要條件就是:若S12=0,即單向化情況下,充分必要條件為:1、K<1就是潛在不穩(wěn)定,有自激振蕩得可能性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)得性質(zhì)不自激振蕩條件:*信源阻抗50歐姆時,不會產(chǎn)生振蕩*實際天線通常不就是全匹配,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)得性質(zhì)網(wǎng)絡(luò)兩端口串聯(lián)或并聯(lián)電抗時,總網(wǎng)絡(luò)K不變K=Ka5、網(wǎng)絡(luò)兩端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻時,總網(wǎng)絡(luò)K增加,即穩(wěn)定性改善6、網(wǎng)絡(luò)兩端口之間加電抗時(反饋),總網(wǎng)絡(luò)K改變串聯(lián)負(fù)反饋可以在一定頻帶內(nèi)加大K值,改善穩(wěn)定性,就是常用方法穩(wěn)定性系數(shù)得性質(zhì)有條件穩(wěn)定在上述6種可能性中得b、c、e、f四種情況,ΓL(或Γs)單位圓內(nèi)都存在不穩(wěn)定區(qū)。設(shè)計放大器時為了避開不穩(wěn)定區(qū)有兩種辦法:避開并遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū),即選擇ΓL(或Γs)單位圓內(nèi)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(nèi)得某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(luò)輸入端口接Zs,但|Γin|>1。已知:b1經(jīng)Γs再反射后進(jìn)入輸入端口為:如果,則說明來回