射頻、高頻 通信教程解壓后12GB 射頻放大器教程 RF amplifier design 講義1 RF amplifier design 講義 new II Amplifier Impedance Matching Technique 030422

1、Amplifier Impedance Matching Technique,Session 2,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,2,RF Amplifier Block Diagram,Transistor,Input Matching Network,Output Matching Network,50W,DC Bias Circuit,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,3,Thevenings Equivalent RF Source,Z0=50W,ZIN,VS,+,-,P+,Pr,PIN,VS: Thevenings equivalent source voltage Z0(50W): Thevenin

2、gs equivalent source impedance 只需考慮Source能提供多少入射功率P+，至於50W消耗多少功率及VS電壓位於電路內(nèi)部的那一個(gè)位置並無物理意義。,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,4,Maximum Power Transfer from Source,ZIN(W),PL,PAVS,50W,0,Maximum available power from source (PAVS) is transferred to load when ZIN=Z0=50W.,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,5,Incident Power of RF Source,50W,50W,VS,+,-,P

3、+,Pr,PIN,Incident power P+=PAVS=PIN= (將不隨負(fù)載ZIN而變),Reflected power Pr=0 as ZIN=50W.,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,6,Incident Voltage (V+) and Current (I+) Waves,50W,50W,VS,+,-,V+,V-,VIN,50W,50W,VS,+,-,I+,I-,IIN,No Reflection V-=0, I-=0 V+=VIN=VS/2,當(dāng)沒有反射發(fā)生時(shí)，此時(shí)的電壓和電流即為入射電壓及入射電流。,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,7,Superposition of Voltages a

4、nd Currents,Z0=50W,ZIN,VS,+,-,V+,V-,VIN,I+,I-,IIN,電壓及電流疊加原理：V+V-= VIN I+ - I- = IIN,特性阻抗,輸入阻抗,+,-,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,8,Impedance, ZIN v.s. Voltage Reflection Coefficient, G,V- = G V+,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,9,Z0=Reference impedance z= Normalized impedance r= Normalized resistance x= Normalized reactance,Impedance, Z v

5、.s. Voltage Reflection Coefficient, G,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,10,Reflection Coefficient G in Smith Chart,Gr,Gi,|G|=0.45,qG=63.4,反射係數(shù)以極座標(biāo)讀取,G=1 Z= Open Circuit,G=0 Z=Z0 Matched Circuit,G=-1 Z=0 Short Circuit,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,11,Constant Resistance r Circles,G=1 r= Open Circuit,G=0 r=1 Matched Circuit,G=-1 r=0 Short C

6、ircuit,G=-1/3,G=-2/3,G=1/3,G=2/3,r=0,r=1/5,r=1/2,r=1,r=2,r=5,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,12,Constant Reactance x Circles,x=0,x=0.5,x=1.0,x=2.0,x=-0.5,x=-1.0,x=-2.0,x0 Inductive Load,x0 Capacitive Load,x=0 Resistive Load,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,13,G v.s. Z in Smith Chart,x=1.0,r=1,z=1+j1,G=0.4563.4,Z Chart in G plane,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶

7、誠,14,Y0=Reference admittance y= Normalized admittance g= Normalized conductance b= Normalized susceptance,Admittance, Y v.s. Voltage Reflection Coefficient, G,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,15,Constant Conductance g Circles,G=1 g=0 Open Circuit,G=0 g=1 Matched Circuit,G=-1 g= Short Circuit,G=-1/3,G=-2/3,G=1/3,G=2/3,g=

8、5,g=2,g=1,g=1/2,g=1/5,g=0,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,16,Constant Susceptance b Circles,b=0,b=-2.0,b=-1.0,b=-0.5,b=2.0,b=1.0,b=0.5,b0 Inductive Load,b0 Capacitive Load,b=0 Resistive Load,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,17,G v.s. Y in Smith Chart,b=-0.5,g=0.5,y=0.5-j0.5,G=0.4563.4,Y Chart in G plane,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,18,Physical Phenomenon o

9、f Standing Wave,ZIN= 50+j50W,Z0=50W,Distance x (Wavelength),Voltage,V(x,t),2V,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,19,Standing Wave Pattern,Z0=50W,Distance (Wavelength),Voltage,VMAX,VMIN,V(x,t),2V,ZIN= 50+j50W,Standing Wave Pattern,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,20,Voltage Standing Wave Ratio, VSWR,工業(yè)界一般RF電路要求標(biāo)準(zhǔn)： VSWR2.0,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,21,VSWR C

10、ircles in Smith Chart,VSWR2.0 |G|1/3,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,22,Power Reflection and Transmission,Z0=50W,ZIN,VS,+,-,P+,Pr,PIN,Power conservation rule: P+= Pr + PIN,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,23,Return Loss,One-port network,Return loss, RL(dB),Two-port network,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,24,Mismatch Factor and Mismatch Loss,Mismatch Factor, M

11、,Mismatch Loss, ML(dB),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,25,Questions,已知放大器輸入端的VSWR=2.0，若在輸入端將P+=0dBm入射功率送入， 請計(jì)算,|G1|=|S11|= ? S11(dB)= ? dB RL1= ? dB Pr= ? dBm ML1= ? dB PIN(進(jìn)入放大器的功率)= ? dBm,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,26,Answers,|G1|=|S11|= (2.0-1)/(2.0+1)= 1/3 S11(dB)= 20log(1/3)= -9.54dB RL1= 9.54dB Pr= 0dBm 9.54dB= -9.54dBm ML1= -1

12、0log(1-(1/3)2)= 0.51dB PL= 0dBm- 0.51dB= -0.51dBm,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,27,Insertion Loss,For a two-port network,50W,50W,P+,Pr,PL,PIN,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,28,Power Dissipation,For a passive network,50W,P+,Pr,PL,PIN,Pd,Power conservation rule: P+= Pr +PL +Pd,Dissipated power Pd,50W,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,29,Insertion Gain,For an

13、amplifier circuit,50W,P+,Pr,PL,PIN,GInternal,50W,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,30,Impedances and Reflection Coefficientsin an Amplifier Circuit,Transistor,Input Matching Network,Output Matching Network,50W,Ga Za,GOUT ZOUT,GIN ZIN,GS ZS,GL ZL,Gb Zb,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,31,Input and Output VSWR of Amplifier,50W,50W,Ga Za (包含50W

14、負(fù)載),Gb Zb (包含50W Source),Input reflection coefficient Ga,Output reflection coefficient Gb,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,32,Source Impedance ZS and Reflection Coefficient GS,Input Matching Network,GS ZS,50W,Input source is closed,ZS,GS ZS,Thevenings equivalent circuit,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,33,Input Impedance ZIN andInput Reflec

15、tion Coefficient GIN,Transistor,Output Matching Network,50W,50W,GIN ZIN,GL ZL,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,34,常見錯(cuò)誤觀念（一）,Transistor,Input Matching Network,GIN ZIN,GS ZS,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,35,Load Impedance ZL andReflection Coefficient GL,Output Matching Network,50W,GL ZL,50W,ZL,Thevenings equivalent circuit,GL ZL,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶

16、誠,36,Output Impedance ZOUT andOutput Reflection Coefficient GOUT,Transistor,Input Matching Network,GOUT ZOUT,GS ZS,Input source is closed,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,37,常見錯(cuò)誤觀念（二）,Transistor,Output Matching Network,50W,GOUT ZOUT,GL ZL,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,38,Power Transfer Between Two Complex Impedance Network,ZIN,GIN ZIN= R

17、IN+ jXIN,ZS,GS ZS= RS+ jXS,VS,+,-,PIN,VIN,+,-,IIN,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,39,Complex Conjugate Matching forMaximum Power Transfer,改變ZIN=RIN+jXIN，當(dāng)PIN為最大值時(shí)應(yīng)滿足,Complex conjugate matching is achieved as ZIN = ZS* or GIN = GS*,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,40,Power Available from Source, PAVS,ZS*,GS*,GS,VS,+,-,P+=PAVS=(PIN)MAX and P

18、r=0 (No reflection),ZS,P+,(PIN)MAX,當(dāng)沒有反射發(fā)生時(shí)，此時(shí)負(fù)載接收到的功率即為入射功率或信號源可用功率。,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,41,Reflection Coefficient Between Two Complex Impedance Network,ZIN,GIN,ZS,GS,VS,+,-,VIN,+,-,V+,V-,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,42,GIN, GS: Transient reflection coefficients V- :無限多次反射波的組合 V+ :無限多次入射波的組合 G: Steady state reflection coef

19、ficient,Reflection Coefficient Between Two Complex Impedance Network,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,43,When ZIN=ZS* then G=0 由此驗(yàn)證complex conjugate matching的物理意義即為讓電路無反射情形發(fā)生且形成最大功率傳輸。 (b) 若ZS是實(shí)阻抗，可得一般常見的公式：,Reflection Coefficient Between Two Complex Impedance Network,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,44,Gain Matching Technique for High Gain

20、 Amplifier Design,找到(GMS, GML)滿足gain matching conditions: GMS=GIN* and GML=GOUT*,此時(shí)所得到最大的功率增益簡稱為Maximum power gain, GMAX,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,45,Noise Matching Technique for Low Noise Amplifier Design,找到(GS, GL)滿足noise matching conditions: GS=GOPT and GL=GOUT*,此時(shí)放大器的雜訊達(dá)到最低，後級保持匹配的available power gain此時(shí)稱為Asso

21、ciated gain,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,46,Power Matching Technique forPower Amplifier Design,找到(GS, GL)滿足power matching conditions: GS=GIN* and GL=GOPT,此時(shí)放大器的輸出功率達(dá)到最大，前級保持匹配時(shí)的功率增益稱為operating power gain,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,47,Impedance Matching Manipulation,STEP 1 計(jì)算出電晶體所需配合的GS and GL STEP 2 規(guī)劃input and output matching cir

22、cuits Lumped, distributed or mixed-mode circuits Frequency response: LP, HP or BP Bandwidth: Narrow or broad band design Tradeoff: Gain, VSWR, noise figure, output power,Input Matching Network,Output Matching Network,50W,50W,GS,GL,?,?,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,48,Impedance Matching on Smith Chart,STEP 1 在電路圖中定義“往

23、前看”所看到的起始點(diǎn)負(fù)載阻抗Z1或反射係數(shù)G1,G1,起始,起始,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,49,Impedance Matching on Smith Chart,STEP 2 在電路圖中定義“往後退”的方向用以加入並聯(lián)或串聯(lián)元件，並確定阻抗匹配目標(biāo)。,Z1,G1,G2,G3,G1,G2,G3,起始,起始,目標(biāo),目標(biāo),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,50,Series Impedance Matching Elements,G1,Series C,Series R,Series L,Z1,G1,G2,Z1,G1,G2,Z1,G1,G2,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,51,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,52,中華大

24、學(xué)電機(jī)系 田慶誠,53,放大器設(shè)計(jì)的正確阻抗匹配技巧,Example: Input matching network design Step 1 決定“往前看”及“往後退”的方向,Input Matching Network,50W,GS,Step 2 GS不可設(shè)為起點(diǎn)，必須視為目標(biāo)。起點(diǎn)G1必須設(shè)在50W原點(diǎn)。,G1,起始,目標(biāo),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,54,放大器設(shè)計(jì)的正確阻抗匹配技巧,Step 3 決定串聯(lián)及並聯(lián)電路架構(gòu)和元件值,50W,GS,G1,G2,GS,G2,G1,起始,目標(biāo),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,55,Input Matching Network,常見錯(cuò)誤示範(fàn),若不管阻抗ZS

25、或反射係數(shù)GS在電路中的方向性，直接使用Smith chart.,GS,G2,G3,50W,GS,G2,G3,其物理特性完全無法 達(dá)到預(yù)期的阻抗匹配,起始,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,56,Physical Characteristics of Complex Conjugate Matching Circuit,GS= GIN*,GIN,G1,G2,G1,G2,ZIN,ZIN,50W,50W,L1,L1,C2,C2,原始設(shè)計(jì),驗(yàn)證,起始,起始,目標(biāo),目標(biāo),每個(gè)界面都將形成共軛匹配,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,57,GS,GIN,G1,G2,G1,G2,If GS = GIN* then G2=G2

26、G1=G1 For lossless matching network only,每個(gè)界面都形成共軛匹配,Physical Characteristics of Complex Conjugate Matching Circuit,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,58,特殊阻抗匹配技巧(For lossless matching network only),Lossless Input Matching Network,Z1,GS,G1,Lossless Input Matching Network,GS*,G1*,Z1,(a) 從G1匹配到GS,(b) 從GS*匹配到G1*,起始,起始,目標(biāo),目標(biāo),

27、原始方法(a)設(shè)計(jì)的無損耗阻抗匹配電路與特殊技巧(b)設(shè)計(jì)的無損耗阻抗匹配電路完全相同。,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,59,Four Matching Regions of Smith Chart,I 高阻抗區(qū),II 高導(dǎo)納區(qū),III 感抗區(qū),IV 容抗區(qū),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,60,Lumped L-Type Matching Network,Low-pass type,G,起點(diǎn),50W,Z,G,起點(diǎn),50W,Z,High-pass type,I, III,II, IV,G,起點(diǎn),50W,Z,G,起點(diǎn),50W,Z,I, IV,II, III,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,61,Lumped L-Ty

28、pe Matching Network,Band-pass type,G,起點(diǎn),50W,G,起點(diǎn),50W,G,起點(diǎn),50W,G,起點(diǎn),50W,Z,Z,Z,Z,IV,IV,III,III,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,62,Frequency Response of LP, BP, HPMatching Circuits,12nH,25W,25W,25W,12nH,12nH,3.19pF,3.18pF,15.9nH,3.18pF,1.6pF,7.96nH,ZL,ZL,ZL,50W,50W,50W,Bandpass,Lowpass,Highpass,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,63,Frequency Re

29、sponse of LP, BP, HPMatching Circuits,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,64,Mixed-mode L-Type Matching Network,The shunt inductors and capacitors can be replaced by short and open stubs.,Z=jwL=jZ0tanq,Z0,q=bl,Y=jwC=jY0tanq,Y0,q=bl,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,65,Distributed L-Type Matching Network,G1,G2,ZT,ZSS,ZOS,ZT,G1,G2,50W,50W,ZT=50W,

30、中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,66,Distributed Single Section Matching,ZSM1,G3,50W,RAXIS,G3,Only work when R50W and G1/50 mho. (Region I and II),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,67,Distributed L-Type Matching Network,ZOS,ZT,G3,50W,ZT= 100W 50W,G3,ZTZSM1,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,68,Distributed Single Section Matching,RAXIS,ZSM2,G4,50W,G4,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,69,

31、Distributed L-Type Matching Network,ZSS,ZT,G4,50W,ZT= 30W 50W,ZTZSM2,G4,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,70,Impedance Q Value,Constant Q Curves,Q=1,Q=3,Q=,For parallel circuits,For parallel circuits,(wRPCP),(1/wRSCS),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,71,Bode Fano Criteria,Lossless Matching Network,CP,RP,GCKT,G(w),CS,RS,GCKT,Broader bandwidth

32、Higher G(w) G(w)=0 only exists at a finite number of frequencies,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,72,Bandwidth v.s. Impedance Q Value,RPCP RSCS Q G(w),When impedance Q is higher, it is very hard to design a broadband matching network! (Mission impossible!) Impedance Q includes every impedances looking into every circuit

33、 interfaces Broadband designKeep every Qs Lower (Close real axis of Smith chart) Narrow-band designMake any one or more of Qs higher,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,73,Bandwidth of Lumped L-Type Matching,10W,50W,Z,Q Value and bandwidth is fixed by load impedance,50W,10W,Q=2,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,74,Three-Section Impedance Matchi

34、ng Network(T network: Narrow-band design),50W,10W,100W,50W,L1,L4,C2,C3,L1,L4,C2,C3,10W,100W,50W,Q1=3,Q2=1,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,75,50W,25W,50W,L2,L3,C1,C4,250W,Three-Section Impedance Matching Network(p network: Narrow-band design),中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,76,Four-Section Impedance Matching Network(Constant Q band-pass br

35、oadband design),50W,22.4W,50W,10W,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,77,Three-Section Matching at 1GHz,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,78,Four-Section Impedance Matching,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,79,Matching Bandwidth v.s. Impedance Q,Lower impedance Q Broadband design,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,80,Matching Bandwidth v.s. Insertion Loss,Inductor Q=10,Narrow band matchin

36、g Higher dissipating loss LNAHigher noise figure, PALower output power,Four sections,Three sections,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,81,Manipulations of TransistorBroadband Impedance Matching,Example: Input Matching of Infineon BFP420 BJT VCE=1V IC=2.5mA Input Matching Frequency Range: 1.54.5GHz,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,82,Input Ref

37、lection Coefficient of BFP420,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,83,Step 1 Symmetrical Adjustment,Initial states: Z01=50W THETA1=8 2.5GHz,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,84,Step 1 Symmetrical Adjustment,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,85,Step 2 Using Parallel Resonator,Initial states: THETAO=THETAS=45 2.5GHz Z0O=Z0S=50W,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,86,Step 2 Using Parallel Reso

38、nator,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,87,Step 3 Impedance Transformation,Initial states: THETAL= 90 2.5GHz Z0L=SQRT(15*80)=35W,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,88,Step 3 Impedance Transformation,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,89,Step 4 Optimization,Goal: |S11|1/3,1.5GHz,4.5GHz,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,90,Optimized Parameters,8 50W 45 45 90 50W 50W 35W,Initial Values,中華大學(xué)

39、電機(jī)系 田慶誠,91,Inter-stage Matching Network,Transistor,Interstage Matching Network,Transistor,GOUT1,GL1,GS2,GIN2,Case (I) Simultaneously complex conjugate matching Case (II) At least one side is not matched,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,92,Simultaneously Complex Conjugate Matching,Case (I) (GOUT1= GL1* and GS2 =GIN2*),No

40、 Power Reflection and No power dissipation occurred in matching network. Only Lossless matching network can be used. Any resistive element in matching network will break the rule. Referenced to P.43-P.44,中華大學(xué)電機(jī)系 田慶誠,93,Not Matched at One Side,Case (II) (GL1 = GOUT1* but GS2 GIN2*) For two cascaded LNA stages Case (III) (GL1 GOUT1* but GS2=GIN2*)