《高頻與射頻電路》第3章-有源網(wǎng)絡.

1、射頻放大電路射頻放大電路射頻放大器的相關理論低噪聲放大器設計功率放大器設計放大電路穩(wěn)定性分析放大電路穩(wěn)定性分析| 1OCT | 1ZoUTZINVGZG(5OUTL晶體管 放人電路ISJZoUTReZ/yv0ReZo 0放大電路穩(wěn)定性分析有條件穩(wěn)定對于一定范圍內(nèi)的G和匚絕對穩(wěn)定的充要條件 =51*22 12211一凡-卜22+|甘2也|放大電路穩(wěn)定性分析對于單向傳輸?shù)木w管 （s12-o）,定有 KTa, 且當ISHI1, IS22I 1時，滿足IAI1或|5“|1的情況，說明放大器電路出現(xiàn)負電阻?？梢哉{(diào)節(jié) 信號源內(nèi)阻厶和負載阻抗ZL，使得放大電路回到 穩(wěn)定狀態(tài)。此時需要輸入回路總電阻和輸出回

2、路 總電阻均為正值：ReZ$ +Z/N 0ReZL+ZO/r0絕放大器的穩(wěn)定措施通常有兩種方法可以采用：-在輸入或輸出回路中增加純電阻（由于放大電路 存在功率增益，為了不增大電路的噪聲系數(shù)，通 常電阻都加在輸出電路中）-在放大電路中引入負反饋，減少S門形成的正反饋 ,降低輸入和輸出電路中的電壓反射系數(shù)。放大器的穩(wěn)定措施缺點：-降低放大電路功率增益-增加放大電路噪聲-減少可用輸出功率對于窄帶放大電路，應該盡量避免依靠在輸入或 輸出電路增加電阻的方法，而應該盡可能的調(diào)節(jié) 電源和負載的反射系數(shù)使得放大電路處于穩(wěn)定狀 態(tài)。放大電路的增益廠S廠INrOUT廠LZL轉(zhuǎn)換功率增益:工作功率增益:資用功率增益

3、:匕_負載吸收的功率瓦7一信號源的可用功率pL_負載吸收的功率 尸一 一瓦一輸入到網(wǎng)絡的功率_ PM_網(wǎng)絡的可用功率=瓦7=信號源的可用功率放大電路的增益G_a-|rsr）|s2,|2（i-|rL|2） |-rsrin|2|i-s22rL|2G二（】-）卩（i-|rin|2）|i-s22rL|2G一A卩-吋（1-|氏|）其中，routi-s22rA二S22 +放大電路的增益單向傳輸情況：由S|2 = 0可得匸Is；、丄OUT一 亠22進步得到 X 需船霽要使晶體管獲得最大轉(zhuǎn)換功率增益，要滿足k,=s；此時有C maxmax T = S J。-max等增益圓上式中:山-化增益：乩-吉需（HS）-

4、上叫（I_|S誚Ssrin a xG,G/mux卩兀S22I其一 般形式:(1-|5.|2) i = S丄=11,22卩分別曲益和輸嘰等增益圓的求解結果是一族圓：（I?-瓷y+（r；- y=吃其中圓心坐桶/邙心半徑aJi-gibTs/)結論:1在r = SH時，gi= l,d=SH, r =0,可得最大增益Gimaxo2所有等增益圓的圓心都落在原點値二0）到S“的連線上。增益越小，則圓心越靠近原點，同時半徑越大。3.當廠=0日寸，gi=l-SH, d = r =Sii/（l+S“ ）即GKOdB）圓總是與平面的原點相切。噪聲系數(shù)和等噪聲系數(shù)【噪聲系數(shù)的定義:可以證明： = 0+|-z|2gs噪

5、聲系數(shù)只與輸入端有關， 而與負載無關。 在Smith圓圖上可以畫出等噪聲系 數(shù)圓：_爲_ JN（N+ TG）sN + lN + l其中噪聲參數(shù)N=-|i + r ,4口1呻嘰16噪聲系數(shù)和等噪聲系數(shù)射頻晶體管的噪聲參數(shù)主要包括5、opt和bn,這些參數(shù)一般由生產(chǎn)廠家提供，設計時可以直接 使用。在Smith圓圖上可以看出，等功率增益圓和等噪 聲系數(shù)圓是不重合的，在兩個圓族中，從小圓到 大圓變化時，噪聲系數(shù)逐漸增大，功率增益逐漸 減少。不可能同時實現(xiàn)最小噪聲系數(shù)和最大功率 增益，因此在實際電路設計中，只能選擇等噪聲 系數(shù)和等功率增益圓的較差區(qū)域，進行噪聲和功 率的折中設計。常用的雙極性晶體管無源偏

6、置電路 有右邊這兩種。 偏置電路中的射頻 線圈RFC和電容CB是用來隔離射頻 信號， 電容Cc是用來耦合射頻輸入 和輸出信號 O上圖中的R和心構成了直流偏置電 阻網(wǎng)絡，并形成并聯(lián)直流電壓負反 饋；下圖中的&到心組成了直流偏 置網(wǎng)絡，采用直流分流的方式為晶 體管提供基極電流IB。射無源偏詫網(wǎng)絡射頻放大器偏置電路已知VCE=3V,lc=10mA, VCC=5V,VBE=0.8V,p=100,求無源偏置網(wǎng)絡阻值.解：上圖|1=IC4-|B=10+10/100=10.1 mA則：R=(VCC-VCE)/II=4 98QR2=(VCEVBE)/IB=22IQ下圖，先任選Vx=1.5V(也竺三Yd

7、飛 則：FV(VXVBE)/IB二jig一融 4 凹R1=Vx/lx=Vx/10lB=1.5kQR2=(VCc-Vx)/(lx+lB)=3-18kQR4=(VCC-VCE)/IC=200Q射頻放大器偏置電路場效應晶體管的偏置網(wǎng)絡與雙極結晶體管偏置網(wǎng)絡基本相同，主要缺點是 需要兩個極無源偏置網(wǎng)絡17射頻放大器偏置電路性不同的電源。低噪聲放大器設計低噪聲放大器(lownoise amplifier, 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。低噪聲放大器的主要技術指標：-工作頻率：放大器能夠工作的頻率取決于

8、晶體管的特 征頻率齊，常選擇齊是工作頻率的510倍。-噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)在不同的應用場合有不同的要求 ,它的值可以從ldB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，是低噪聲放大器最為重 要的指標。低噪聲放大器設計低噪聲放大器的主要技術指標：-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當適 中，一般在25dB以下。-輸入/輸出阻抗匹配：輸出匹配通常采用共馳匹配方式 ,以實現(xiàn)最大功率傳輸。輸

9、入匹配電路一般有兩種， 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馳匹配。-反向隔離度：反向隔離反應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。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。直流（電壓/電流）偏置電路：給放大器提供需要的直流電壓或電 流；-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，放大器相應有增益、噪聲和功率匹配網(wǎng)絡。-控制和保護電路：控制電路通常由開關、衰減器、移相器和限幅 器等器件構成，它的主要作用是提高

10、放大器線性度和控制增益。低噪聲放大器基本電路常見的LNA電路配置-對場效應管而言，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。共源極共柵極共漏極FET和BJT的At共源極夬共射極-共基極低噪聲放大器的設計步驟依據(jù)應用要求（噪聲，頻率，帶寬，增益，功耗 等）選擇合適的晶體管或工藝。確定LNA電路拓撲。確定放大器的直流工作點和設計偏置電路。確定最小噪聲輸入阻抗，將最小噪聲輸入阻抗匹 配到信號源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡設計。確定放大器輸出阻抗，將放大器輸出阻抗匹配到

11、 負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡設計。低噪放性能仿真和優(yōu)化。電路制作和性能調(diào)試。功率放大器射頻功率放大器的工作頻率很高（從幾十兆赫茲 直到幾百兆赫茲，甚至到幾吉赫茲），按工作 頻帶分類，可以分為窄帶射頻功率放大器和寬帶 射頻功率放大器。窄帶射頻功率放大器的頻帶相對較窄，一般都采 用選頻網(wǎng)絡作為負載回路，例如LC諧振回路。寬帶射頻功率放大器不采用選頻網(wǎng)絡作為負載回 路，而是以頻率響應很寬的傳輸線作為負載。這 樣它可以在很寬的范圍內(nèi)變換工作頻率，而不必 重新調(diào)諧。功率放大器的應用功率放大器的應用高保真音響系統(tǒng)電視、汽車音響等功率放大器的應用信號頻率在幾十兆到幾百兆赫茲功率放大器的應用發(fā)射無線電廣播電信號

12、功率放大器的應用發(fā)射電視信號功率放大器的應用功率放大器的應用藍牙耳機功率放大器的應用信號頻率在24G赫茲，屬于射頻范圍功率放大器的應用功率放大器的應用deIIO a3 O I 無線通信基站電腦無線上網(wǎng)功率放大器的主要技術指標功率效率功帑放人器的功率效率耳 0 是功率放大器的射頻輸出功率 9 供給晶體管 的直流功率之比。_射頻輸出功率% =直流輸入功率對于雙極晶休管情況，叩稱為集電極效率，對于 MOSFET,稱之為漏極 效率。考慮到放大器的功率增益，乂給出另一種定義：_射頻輸出功率-射頻輸入功率% =直流輸入功率Tladd 稱為功率放人器的功率附加效率，它既反映了直流功率轉(zhuǎn)換成射頻 功率的能力，

13、乂反映了放大射頻功率的能力。很明顯，用功率附加效率 TUki 衡量功率放大器的功率效率是比較合理的。當功率增益很大時，兩 種定義得到的功率效率會非常接近。飽和輸出功率一當功率放大器的輸入功率加大到某一值后， 再加 大輸入功率并不會改變輸出功率的大小，該輸出 功率稱為功率放大器的飽和輸出功率。 IdB壓縮點輸出功率PWB-功率放大器增益壓縮IdB所對應的輸出功率 稱為ldB壓縮點輸出功率，記作PldBo交調(diào)失真交調(diào)失真是具有不同頻率的兩個或更多的輸入信號經(jīng)過功率放大器而產(chǎn)生 的混合分量，它是由于功率放人器的非線性造成的。若輸入1個信號，It角頻率 分別是0、0、C0由于功率放大器的非線性作用，輸

14、出分量中將包含許多 混合分最nco2土pcolm,n,p = 0,1,2,各分量分別稱為(m+n+-*-+p)階交調(diào)分量。功率放大器的非線性越強， 交調(diào)分量越大。 交調(diào)分量的大小可以用交調(diào)系數(shù) 表示，假如輸入1個等幅信號，(m+p)階交調(diào)系數(shù)可以寫成M,”+P = llg = =101g* (dBc)式中，P|、P|分別對應于角頻率3、3的波輸入功率；Pm+p是(m+p)階交調(diào)功率。的單位是dBc,它的含義是交調(diào)分屋比載頻分最的分貝數(shù)。/入功三階交調(diào)等幅信號輸入功率放大器時，輸出信號中存在各種階次的交調(diào)分量, 其中三階交調(diào)分量(23,-3i + |和3i + |-23i )和與基波信號角頻率(

15、和3i+|)年常接近，不町能把它從信道中濾除，因此，三階交調(diào)分量就成為丁擾信 號。同理，五階交調(diào)分量(3。2。+|和33沖23j)也是干擾信號，但它 比三階交調(diào)分量要小得多，在系統(tǒng)要求不嚴時可以不考慮。三階交調(diào)系數(shù)A/3=101g- = 101gA- (dBc)耳打+1式中,Pi和Pi+I是分別對應角頻率和Q+I的基波信號輸出功率;p3是三 階交調(diào)頻率(2-和 2gL3i)處的三階交調(diào)功率；三階交調(diào)系數(shù)是 度量功率放人器非線性的一項重要指標，不同的系統(tǒng)對它的要求是不一樣 的。 PdB點二階父調(diào)系數(shù)M3(idB)PgB和M3(IdB)是度量功率放大器非線性的兩個不同指標，它 們乞間肓一定聯(lián)系。假

16、定功率放大器是一個無慣性非線性網(wǎng)絡， 且在P|dB點的幅 度非線性很小，在上述兩個假設條件下，兩個角頻率為和32的等幅信號輸入時，PgB點的三階交調(diào)系數(shù)近似為M3(】dB)=-2375dBc由于理論分析中的假設，實際測量的誤差以及微波晶體管實 際非線性特性優(yōu)劣程度的不一致，在工程估算時，常取M3(ldB)為-2()dBc。這里還得注意，上式僅適用雙信號等幅情 況，如果三信號等幅輸入時，上式就不適用了。任意輸入功率的三階交調(diào)系數(shù)M3下圖是雙頻等幅信號輸入時基波信號輸出功率和三階交調(diào)功率對應基波 信號輸入功率的變化特性。由圖看出，基波信號輸出功率與輸入功率是1：1（dB數(shù)）變化關系，即 輸入功率增

17、加ldB時，輸出信號也增加ldB。三階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號輸入功率是3:1（dB）變化關系，即基波信號 輸入功率增加ldB,使三階交調(diào)系數(shù)M3惡化2dB。因此，任意輸入功率Pg時的三階交調(diào)系數(shù)M3可由下式仿算、M嚴2（乙-乙嗣）-M艸）（c）Pin基波信號（5 或）輸入功率；Pin（idB）基波信號1dB增益壓縮點輸入功 率。注意上式中各變量都是以dB為運算單位。圖中基波信輸出功率特性延長線與三階 交調(diào)特性延長線的交點稱為三階交調(diào)交截 點 O三階交調(diào)交截點圖中基波信號輸出功率特性延長線與三階交調(diào)特性延長線的 交點稱為三階交調(diào)交截點，用符號IP3表示，對應的輸出功 率是P,它也反映了微波功率放大器

18、的非線性當輸出功率一定時，三階交調(diào)交截點輸出功率P越大，微波 功率放大器的線性就越好。由P也可以估計三階交調(diào)系數(shù)M嚴2（歳-引（dBc）式中是基波信號輸出功率所有變量都是以dB為運算單位,它只適用信號功率較小的情況。 三階交調(diào)交截點比ldB壓縮點 大l（）dB,它是放大器在A類工作 時的一個假想點。入功諧波失真為信號增加到一定程度，功率放人器因工作在非線性區(qū)而產(chǎn)生一系列諧波。對丁 窄帶功率放人器，這些諧波都不在通帶內(nèi)，用濾波器很容易濾掉這些諧波。通常町以 使諧波降到60dBc以下（相對基波信號），因此這些諧波不會使系統(tǒng)件能變壞。諧波 失其大小由下式計算HDn= lOlg- （dBc）式中HDn

19、n次諧波失貞：Ps基波信號輸出功率；Pnn次諧波輸出功率?；∝笆龇治?，窄帶功率放人器的諧波失真指標可以好到-6OdBc；而寬帶功率放人器 的諧波失貞指標都很差，人約在-2（klBc左右，何的叮能還要差。通常在設汁小功率放 大器（兒I電瓦至兒百毫乩）時，可以不考慮諧波失貞這項技術指標，但是在人功率 放大器中必須考慮，并應盡量避免它對其他電子系統(tǒng)的干擾。在接收和發(fā)射單元相互 靠近的小型化電子系統(tǒng)中，諧波失真也必須考慮。輸入/輸出駐波比大功率管的輸入阻抗和輸出阻抗都很低，BJT的輸入阻抗實 部只有幾個歐姆，與50Q系統(tǒng)失配得比較厲害。而場效應管 的輸入阻抗較高，與50G系統(tǒng)失配得也很大，失配嚴重時

20、， 會損壞功率管。輸入、輸出駐波比變壞還會使系統(tǒng)的增益起伏和群遲延變壞 ,因此功率放大器的輸入、輸出駐波比應該滿足一定要求。在大容量數(shù)字通信系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比 取121,而在一般系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比 可以取到2:1 o它也是設計微波功率放大器時必須考慮的一 項技術指標。功率放大器的工作狀態(tài)射頻功率放大器按照電流導通角綁不同分類，可分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類。A類放大器電流的導通角*180。，適用于小信號低功率 放大。B類放大器電流的導通角隹9（）；C類放大器電流 的導通角促90 oB類和C類都適用于大功率工作狀態(tài)。C類工作狀態(tài)的輸 出功率和效率是三種

21、工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于C類狀態(tài)， 但C類放大器的電 流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負載諧振 功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電 壓仍然接近于正弦波形，失真很小。功率放大器的工作狀態(tài)射頻功率放大器除了以上幾種按電流導通角來分類以外 ,還有使功率器件工作于開關狀態(tài)的?。―）類放大器和 戊（E）類放大器。 丁類放大器的效率高于丙類放大器，理論上可達100% ,但它的最高工作頻率受到開關轉(zhuǎn)換瞬間所產(chǎn)生的器件功 耗（集電極耗散功率或陽極耗散功率）的限制。如果在電路上加以改進，使電子器件在通斷轉(zhuǎn)換瞬間的 功耗盡量減小，則丁類放大器的工作頻率可以提高，即 構成所謂的戊類放大器。這兩類放大器是晶體管射頻功率放大器的新發(fā)展。A類功率放大器 A類射頻功率放大器電路屬于線性放大器，放大器電流 的導通角4180。，即在正弦信號一周期內(nèi)，放