微波電路西電雷振亞老師的第8章放大器設(shè)計(jì)ppt課件

1、第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 第第8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.1 放大器的根本原理8.2 小信號(hào)微帶放大器的設(shè)計(jì)8.3 MMIC引見8.4 射頻/微波功率放大器第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.1 8.1 放大器的根本原理放大器的根本原理放大器可分為低噪聲放大器、 高增益放大器、 中功率放大器和大功率放大器。電路組態(tài)按任務(wù)點(diǎn)的位置依次為A類、 B類、 C類,如圖 8-1(a)、 (b)、 (c)所示。A類放大器用于小信號(hào)、 低噪聲,通常是接納機(jī)前端放大器或功率放大器的前級(jí)放大。B類和C類放大器電源效率高,輸出信號(hào)諧波成分高,需求有外部

2、混合電路或?yàn)V波電路。由B類和C類放大器還可派生出D類、 E類、 F類等放大器。為了獲得更大的輸出功率,就要運(yùn)用功率合成器,將許多功放單元組合起來?？梢韵胂?合成的效率不能夠是百分之百。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-1 放大器電路組態(tài)ICIB0AIpeakUbctIC0AUbcICA0Ubc(a)(b)(c)tt第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.1.1 放大器的目的放大器有以下性能目的：(1) 頻率范圍: 放大器的任務(wù)頻率范圍是選擇器件和電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)的前提。(2) 增益: 它是放大器的根本目的。按照增益可確定放大器的級(jí)數(shù)和器件類型。(3) 噪聲系數(shù): 放大器的噪聲系數(shù)是輸

3、入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值,表示信號(hào)經(jīng)過放大器后信號(hào)質(zhì)量的變壞程度。級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中,越靠前端的元件對(duì)整個(gè)噪聲系數(shù)的影響越大。在接納前端,必需做低噪聲設(shè)計(jì)。放大器的設(shè)計(jì)要遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)。噪聲的好壞主要取決于器件和電路設(shè)計(jì)。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) (4) 動(dòng)態(tài)范圍: 放大器的線性任務(wù)范圍。最小輸入功率為接納靈敏度,最大輸入功率是引起1 dB緊縮的功率。動(dòng)態(tài)范圍影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用間隔范圍8.1.2 放大器的設(shè)計(jì)原理思索圖8 - 2 所示二端口網(wǎng)絡(luò), 它代表單級(jí)放大器,其輸入端接信號(hào)源,輸出端接負(fù)載。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-2 二端口網(wǎng)絡(luò)和放大器的增益定義Z

4、sUssinU1(Z0)SoutLU2ZL1U1U輸入匹配Gs晶體管SG0輸出匹配GLZ0sinoutLZ0(a)(b)2U2UUs第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 1. 三個(gè)增益的定義根據(jù)信號(hào)源阻抗Zs和負(fù)載阻抗ZL與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系,可以有以下三個(gè)功率增益:(1) 實(shí)踐功率增益: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(2) 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)。它是放大器增益的最大潛力,即inLPPG avsavnAPPG 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) (3) 轉(zhuǎn)換功率增益

5、:負(fù)載吸收功率與二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的資用功率之比, 與兩端阻抗都有關(guān), 即 三個(gè)增益與電路參數(shù)的關(guān)系為 avsLTPPG 22222221221122212222222111)1)(1 (11)1 (1)1 ()1 (LinsLsinLToutssavsavnALLLinLSSPPGSSPPGSSPPG(8 - 1) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 式中SSoutoutoutLLinininLLLLLLSSSSZZZZSSSSZZZZZZZZZZZZ112112220022211211000000118 - 2a 8 - 2b 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 放大器電路中輸入、 輸出

6、端都匹配,L=s=0和單向化S12=0,轉(zhuǎn)換功率增益變?yōu)?可以把單向轉(zhuǎn)換功率增益分為輸入、 器件、 輸出三部分。 2222112222122111)1)(1 (LLLsTUTSSSGSG8 - 3 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2. 穩(wěn)定性判據(jù) 圖8-2所示電路產(chǎn)生振蕩的條件是|in|1或|out|1,這意味著輸入口或輸出口有負(fù)阻。由于in 或out取決于s或L,故定義穩(wěn)定條件為11111121122222211211ssoutLLinSSSSSSSS8 - 4 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 穩(wěn)定性判據(jù)為式中, =S11S22-S12S21。實(shí)踐放大器設(shè)計(jì)中有兩種情況：(1)

7、晶體管為單向器件：S12=0,絕對(duì)穩(wěn)定,|S11|1,|S22|1。對(duì)輸入和輸出匹配電路的設(shè)計(jì)沒有限定條件,根據(jù)噪聲和增益目的進(jìn)展設(shè)計(jì)。 (2) 晶體管為雙向器件, 也就是S120時(shí),又分兩種情況：112121122222211SSSSK第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 滿足穩(wěn)定判據(jù),是絕對(duì)穩(wěn)定。對(duì)輸入和輸出匹配電路的設(shè)計(jì)沒有限定條件,根據(jù)噪聲和增益目的進(jìn)展設(shè)計(jì)。不滿足穩(wěn)定判據(jù),是條件穩(wěn)定。要用圓圖找出s和L的取值范圍,也就是采用穩(wěn)定圓判別法,如圖8 - 3 所示。穩(wěn)定圓可以直接計(jì)算,也可用商業(yè)軟件,如Ansoft, MicrowaveOffice, SUPER COMPACT等。第第8

8、8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-3 條件穩(wěn)定下的輸入平面上的輸出穩(wěn)定圓 (a) |S11|1|in| 1(穩(wěn) 定 )CLRLCLRL|in| 1(穩(wěn) 定 )(a)(b)第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 輸入平面上, 輸出穩(wěn)定圓的圓心和半徑為輸出平面上,輸入穩(wěn)定圓的圓心和半徑為 2222211222221122)(SSSRSSSCLL2211211222222211)(SSSRSSSCss第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 絕對(duì)穩(wěn)定判據(jù)的另一種方式為8.1.3 放大器的設(shè)計(jì)思緒1. 單向化設(shè)計(jì)S120或S120(1) 確定反射系數(shù): in=S11，out=S22。(2) 單向轉(zhuǎn)換功率

9、功率增益分為輸入、 器件、 輸出三部分,即GTU=GsG0GL 8 - 91112211122211SSSSS第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 其中 (3) 最大增益設(shè)計(jì): 輸入、輸出端共軛匹配,即s=*inL=out,給定了兩端匹配網(wǎng)絡(luò)。 2222221021121111LsLLssSGSGSG8 - 10222221211max1111SSSGTU8 - 11第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) (4) 單向化因子: 由于S12=0的情況設(shè)計(jì),計(jì)算過程簡(jiǎn)單,實(shí)踐設(shè)計(jì)中可以把|S12|比較小的情況按S12=0計(jì)算,最后再估計(jì)帶來的增益誤差。定義那么誤差滿足2222112211211211

10、SSSSSSU8 - 1222)1 (1)1 (1UGGUTUT8 - 13第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2. 雙向設(shè)計(jì)S120 (1) 滿足判據(jù),絕對(duì)穩(wěn)定。確定反射系數(shù)：22222212221111211222222221121111242411CCBBCCBBSSSSSSSSSSLsssoutLLin8 - 148 - 15第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) B1=1+|S11|2-|S22|2-|2B2=1+|S22|2-|S11|2-|2C1=S11-S*22C2=S22-S*11 8 - 16 (2) 最大增益設(shè)計(jì): 輸入、 輸出端兩邊共軛匹配,即s=*inL=*out,給

11、定了兩端匹配網(wǎng)絡(luò)。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) (3) 低噪聲時(shí)按源最正確反射系數(shù)設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。放大器的噪聲系數(shù)與源反射系數(shù)有關(guān),每個(gè)器件都有一個(gè)最小噪聲系數(shù),并要求有一個(gè)最正確源反射系數(shù)。任一噪聲系數(shù)都對(duì)應(yīng)一系列反射系數(shù),在輸入平面上是個(gè)圓,稱為等噪聲系數(shù)圓,圓心和半徑見式8 - 17。噪聲系數(shù)圓結(jié)合穩(wěn)定圓和等增益圓運(yùn)用,用來分析放大器的頻帶特性。2021/4min11)1(optNFoptFZRFFNNoptCNNNR8 - 17第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) (4) 不滿足穩(wěn)定條件,利用圓圖找出穩(wěn)定區(qū),確定s和L的取值范圍。8.1.4 放大器設(shè)計(jì)中的其他問題1. 圓圖中

12、的五個(gè)圓 放大器設(shè)計(jì)實(shí)際中會(huì)遇到穩(wěn)定判別圓、 等噪聲系數(shù)圓、等增益圓、等Q值圓、等駐波比圓等特殊圓。在條件穩(wěn)定的放大器設(shè)計(jì)中,用這五個(gè)圓來確定輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)的取值,才干滿足放大器的一切目的。如今所能得到的器件根本上都是滿足穩(wěn)定條件的。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2. 多級(jí)放大器單級(jí)放大器的增益無法滿足目的要求時(shí),可用多級(jí)級(jí)聯(lián), 前級(jí)為低噪聲,后級(jí)為高增益。 級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)阻抗的變換, 而不是分別變換到特性阻抗。3. 寬帶放大器 寬帶放大器的設(shè)計(jì)在器件確定后,要添加電抗性頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或電阻反響網(wǎng)絡(luò)。在低頻端失配或衰減,在高頻端接高增益設(shè)計(jì),放大器的增益在寬帶內(nèi)

13、動(dòng)搖不大。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 4. 大功率放大器 采用平衡放大器或功率合成技術(shù),可實(shí)現(xiàn)大功率輸出。功率合成的效率是功率合成器的關(guān)鍵。5. MMIC 微波低端MMIC技術(shù)曾經(jīng)相當(dāng)成熟,個(gè)人挪動(dòng)通訊領(lǐng)域的放大器大量運(yùn)用這種電路。其他頻段各種用途的MMIC電路也有商品可選。直接選擇MMIC產(chǎn)品,按照器件手冊(cè),合理運(yùn)用,曾經(jīng)成為微波電路設(shè)計(jì)的一個(gè)主要途徑。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.1.5 放大器的設(shè)計(jì)步驟放大器的設(shè)計(jì)步驟總結(jié)如下：步驟一: 在頻率、 增益、 噪聲目的條件下選擇器件, 得到偏置條件下器件的S 參數(shù)。步驟二: 滿足判據(jù),那么進(jìn)入步驟三； 不滿足判據(jù),在

14、圓圖中畫出穩(wěn)定區(qū),必要時(shí)畫出等增益圓和等噪聲圓。步驟三： 確定輸入輸出反射系數(shù)in及out。步驟四: 設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮⒁姷?章。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.2 8.2 小信號(hào)微帶放大器的設(shè)計(jì)小信號(hào)微帶放大器的設(shè)計(jì)8.2.1 射頻/微波晶體管射頻/微波放大器的中心器件是晶體管,常用的晶體管有BJT、 FET、 MMIC。從上面的原理可知,設(shè)計(jì)放大器的根底是器件的S參數(shù)。無論器件的內(nèi)部原理如何,在一定偏置下,就會(huì)呈現(xiàn)一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。設(shè)計(jì)微波放大器,應(yīng)該關(guān)懷器件的偏置和S參數(shù)。在偏置確定的條件下， 可用網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合公用測(cè)試夾具丈量 S參數(shù)。圖8 - 4 給出了常用

15、的BJT和FET偏置電路。分壓電阻值由滿足S參數(shù)的任務(wù)點(diǎn)決議,表8 - 1給出了偏置點(diǎn)的參考值。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路UCCRcRbL2RF I/PRF O/PL1UCCUCCRcL1RF O/PUCCRb3RF I/P(a)(b)Rb1Rb2Ub1第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) R3R1R4R5R2UbR6L1微波I/PL2O/PR7微波GaAs FET(c)(d)UrefRF I/PRF器件LF器件L2R3RF O/PR1R2UrefLF器件L1圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) RF

16、I/PUg UDDRF O/P UDDRF I/PRF O/PR5(e)( f )圖 8-4 常用的BJT和FET偏置電路第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 表8-1 偏置點(diǎn)參考值第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 在射頻/微波電路中,接地對(duì)目的的影響很大,要把該接地的點(diǎn)就近接地,如圖8 - 5所示。扼流電感的大小視位置尺寸而定。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-5 就近接地UDD第一接地RF I/P第二接地RF O/PUDD第三接地第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.2.2 三種射頻/微波放大器設(shè)計(jì)原那么表8 - 2歸納出了低噪聲放大器、 高增益放大器和高功率放大器的

17、設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)原那么。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 表 8-2 三種射頻/微波放大器設(shè)計(jì)原那么abcd最 佳 DC偏 置f 1.8 GHzUC E 2 VIC 15 mA特 征 參 數(shù)最 佳 源反 射 系 數(shù)電 路 結(jié) 構(gòu)輸 入電 路級(jí) 間電 路級(jí) 間電 路輸 出電 路低 噪 聲高 增 益高 線 性 輸 出 功 率 /低 高 調(diào) 失 真噪 聲 系 數(shù)資 用 功 率 增 益三 階 交 調(diào)線 性 輸 出 功 率dB2.01.51.00.500.151.0IC / ICm a xdB1210500.7IC / ICm a xdB30201000.51.0IC/m A3002001000102

18、0IC / ICm a xUC E / V0.4 m A0.8 m A1.2 m A1.6 m A2 m AFm in ,o p t , RnS1 2S2 2S1 1S2 1S1 2S2 2S1 1S2 1S1 2S2 2S1 1S2 1G H z432 .41 .80 .90o p tyy0yy0G H z0 .91 .82 .434sm0yy0sp0 .92 .41 .834G H z0f 4 G H zk 1LZ0Rg4或R100.85第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 下面以實(shí)例方式給出放大器的設(shè)計(jì)步驟。設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用Mathcad進(jìn)展計(jì)算,運(yùn)用Ansoft進(jìn)展仿真圖解。 設(shè)計(jì)實(shí)例一

19、： 穩(wěn)定判別圓知GaAs FET散射參數(shù)如表8 - 3 所示,判別晶體管的穩(wěn)定性,畫出穩(wěn)定圓。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 表 8-3 GaAs FET的散射參數(shù) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 由式8 - 5用Mathcad軟件計(jì)算得出K0.6071和|=0.6961 和 |=0.4881,絕對(duì)穩(wěn)定。 s=*in,L=*out由式(8 -14)、 式8 - 15和式8 - 16求得L=0.872123.407, s=0.87661.026 采用開路單枝節(jié)匹配,拓?fù)錁?gòu)造和頻帶傳輸反射參數(shù)如圖8 - 7所示。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-7 高增益放大器 (a)

20、(b)3.003.504.004.505.00FREQGHz20.0012.004.004.0012.0020.00Y1第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 由式(8-9)和式8 - 10求增益：Gs=6.17 dB, G0=8.299 dBGL=2.213 dB, GTmax=16.71 dB設(shè)計(jì)實(shí)例三： 低噪聲設(shè)計(jì)知 GaAs FET參數(shù)如表 8 - 5 所示,設(shè)計(jì)4.0 GHz放大器,保證噪聲為2 dB, 增益最大。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 表 8-5 GaAs FET的器件參數(shù) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 由式(8 -17)計(jì)算2 dB噪聲圓的圓心和半徑: 245

21、. 01|)(|11102. 0|)1(|4)(1020min102NNNRNCRZFFNFoptFoptFoptN (|CF|=0.563, arg (CF)=100deg)第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 如圖 8-8 所示,當(dāng)s=opt時(shí),噪聲最小。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-8 噪聲系數(shù)圓與穩(wěn)定圓r0, .2, .5, 1, 2, 5x0, .2, .5, 1, 2, 5, .2, .5, 1, 2, 5噪聲系數(shù)圓噪聲系數(shù)圓心源穩(wěn)定圓源穩(wěn)定圓心第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 按照下式計(jì)算等增益圓,借助Mathcad軟件, 給gs不同試探值,直到與等噪聲系數(shù)圓

22、相切。realCs(step):=Re(f(Rs, 2step)+Cs)imagCs(step):=Im(f(Rs, 2step)+Cs) 21121121111|)1 (1)|1 (1|)1 (1SgSgRSgSgCssssss第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 相切點(diǎn)的源反射系數(shù)為s0.141035+j0.522189=0.54174.886 由式(8 -10)計(jì)算增益： 輸入匹配噪聲為Gs=1.702,輸出匹配共軛為GL=1.249, 器件增益為G0=5.575, 放大器增益為GTU=8.527 dB。分別用開路單枝節(jié)實(shí)現(xiàn)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò),電路構(gòu)造和仿真結(jié)果見圖8-9。 第第8 8章章

23、 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-9 低噪聲放大器設(shè)計(jì)結(jié)果 (a)(b) 30.0020.0010.000.0010.00Y13.004.004.505.003.50FREQGHz第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.3 MMIC8.3 MMIC引見引見 微電子工業(yè)的快速開展,給射頻/微波技術(shù)帶來了革命。單片微波集成電路的設(shè)計(jì)原那么是保證各項(xiàng)目的,使功率耗費(fèi)盡能夠的少。低噪聲接納前端的LNA開展最為成熟?，F(xiàn)代挪動(dòng)通訊接納機(jī)MMIC不僅包含LNA,而且包括本振、混頻等。曾經(jīng)有整個(gè)射頻前端的MMIC如圖8 - 10、圖8 - 11和圖8-12所示。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-1

24、0 900 MHz和1900 MHz CMOS低噪放 inUbiasUb2400 180 255 UDDout10 k300 10 kinUDD2 k20 k2 pF1 pFout(a)(b)第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-11 2 GHz內(nèi)置選頻LNAin5 pF13 nH偏置1 pF18 nH13 nH10 50 UDD13 nH13 nHout0.7 pF13 nHUT13 nHLC帶阻偏置1.3pF(a)UT第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-11 2 GHz內(nèi)置選頻LNA頻率/GHz回波損耗/dB0.00.51.01.52.02.53.028242016128

25、40S11S22(b)第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-12 5GHz接納前端低噪放+混頻LO1LO1CtV3V4V5V6IF1CCUCCT2RIFCe50 IF1IFOT3CeRIF50 IFOUCCCCV7V8V9V10LOOLOOLO BufferCtCtCtCpCpT1RFRBBUBBLCCRBBUBBRFV1V2第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 57第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 鎳鉻系電阻具有良好的粘附性，多用蒸發(fā)工藝，但較難控制合金成分比例。 ， 鉭系電阻，充氮反響濺射制備氮化鉭電阻， 金屬陶瓷系電阻。如Cr-Si電阻、

26、NiCr-Si電阻和CrNi- 體電阻是利用GaAs N型層的本征電阻第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.4 8.4 射頻射頻/ /微波功率放大器微波功率放大器 8.4.1 放大器的任務(wù)效率和功率緊縮任務(wù)效率和功率緊縮是功率放大器要處理的兩個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題。1. 任務(wù)效率任務(wù)效率描畫供電電源的能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)功率的程度。小信號(hào)放大器是A類,在沒有信號(hào)時(shí),器件的集電極漏極不斷有電流,耗費(fèi)能量。功率放大器電路中這種耗費(fèi)是不能容忍的,電池的運(yùn)用時(shí)間是任何一種設(shè)備的質(zhì)量根底?；叵胍幌路糯笃鞯男逝c導(dǎo)通角的關(guān)系,如圖8-13

27、所示。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) A類線性放大器: 360全波導(dǎo)通,最大效率為50；B類：180半波導(dǎo)通,最大效率為78.5；C類: 180半波導(dǎo)通,效率為78.5100；AB類：效率為050?？梢韵胂?效率與輸出功率有關(guān),圖8-14給出了導(dǎo)通角與輸出功率的關(guān)系,效率越高,輸出功率越小。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-13導(dǎo)通角與效率關(guān)系 100.090.080.070.060.004590135180315225270360BABC50.0A第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-14 導(dǎo)通角與輸出功率的關(guān)系 0.1500.1250.1000.0750.0500

28、.0250.00004590135180225270315360ABBC第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2. 功率緊縮和交調(diào)輸入功率大到一定值時(shí),放大器就會(huì)飽和,輸出功率不隨輸入功率線性添加,堅(jiān)持一個(gè)定值。定義 1 dB緊縮點(diǎn)為描畫這個(gè)特性的參數(shù),如圖8 - 15 所示的線性增益與緊縮起點(diǎn)相差 1 dB時(shí)的輸入功率值。交調(diào)也是輸入大信號(hào)時(shí)的一個(gè)特性。大信號(hào)時(shí),輸出端會(huì)有干擾信號(hào)輸出,尤以三階干擾突出。在雙頻信號(hào)輸入時(shí),必需思索三階交調(diào)。這里,三階是功率的變換倍數(shù),并非頻率的倍數(shù)。假設(shè)直角坐標(biāo)中,信號(hào)是11線性,那么三階干擾是13線性,干擾信號(hào)的輸出就會(huì)很快與信號(hào)的輸出幅度一樣并超越,由于

29、頻率接近,輸出濾波器無法抑制此干擾。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 如圖 8 - 1所示,用無失真動(dòng)態(tài)范圍描畫這個(gè)特性,靈敏度門限與三階信號(hào)的交點(diǎn)到信號(hào)的間隔為動(dòng)態(tài)范圍。從圖8 - 15還可看出,干擾信號(hào)由背景噪聲變?yōu)檩敵鲂盘?hào)的過程很短,要防止輸入信號(hào)接近這一區(qū)域，否那么輸出信號(hào)就會(huì)有干擾。輸出信號(hào)比交調(diào)干擾高的量度就是 1 dB緊縮點(diǎn)與三階交調(diào)線的間隔,稱為交調(diào)干擾IMD。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-15 雙頻功率放大器的緊縮和交調(diào)輸出功率基波信號(hào)雙頻三階交調(diào)DRIMD靈敏度信噪比背景噪聲最大不失真電平1dB壓縮點(diǎn)輸出功率三階交調(diào)點(diǎn)二階交調(diào)輸入功率f1f2功放輸出 f

30、1輸出 f22f1f22f2f1f2f1f2f1(IM2)2f2f1(IM1)2f1f2O第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)實(shí)例:雙頻放大器的增益為 10 dB,輸入信號(hào)為10 dBm時(shí),干擾輸出IM3=-50 dBm, 計(jì)算輸入信號(hào)為20 dBm時(shí)的干擾輸出IM3以及信號(hào)與干擾信號(hào)的差值。 IM3=-50 dBm320 dBm-(-10 dBm)=-80 dBm 輸出信號(hào)20 dBm10 dB 10 dBm 信號(hào)與干擾信號(hào)的差值10 dBm-80 dBm70 dB 圖8-16 是計(jì)算過程的圖解。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-16 三階交調(diào)計(jì)算 80 70 60 50

31、40 30 20 1013三 階 交 調(diào)11 20 10Pout / dBm基 波Pin / dBm0第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 8.4.2 各類功率放大器1. B類功率放大器這類放大器的導(dǎo)通角為180,效率為78.5,半周任務(wù)。采用正負(fù)半周疊加的方法可以恢復(fù)輸入信號(hào)波形。為了彌補(bǔ)疊加時(shí)管子開通電壓帶來的誤差,可采用AB類。1) 互補(bǔ)型B類放大器NPN/PNP互補(bǔ)電路中兩個(gè)管子分別任務(wù)于正負(fù)半周,是一種成熟的實(shí)例,如圖8 - 17 所示。圖a,V3是驅(qū)動(dòng)器,V1和V2是互補(bǔ)對(duì)管,兩個(gè)管子的BE結(jié)共有1.4V左右的交叉區(qū)帶來信號(hào)損耗。圖b和圖c都可以補(bǔ)償這種損耗,還可以補(bǔ)償整個(gè)組件的溫

32、度特性。圖c中的R1和R2分別調(diào)整正半周和負(fù)半周的大小。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-17 NPN/PNP互補(bǔ)B類放大電路UinUbUCCV1V2UCCRLUCCIQIQV1UinUCCV2RLR1R2UinV3V4IQUCCV1V2RLUCC(a)(b)(c)V3UbV3第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2) 復(fù)合晶體管互補(bǔ)型電路要求有兩個(gè)嚴(yán)厲一樣的晶體管,而且電路尺寸較大,可用圖8 - 18 所示復(fù)合型晶體管實(shí)現(xiàn)。電路中V1是高功率管,V2是低管,兩個(gè)管子不會(huì)同時(shí)任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)了正負(fù)半周的疊加。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-18 NPN/PNP復(fù)合管B

33、類放大電路BIBIC1V1V2IEICECECIEICBIB(a)(b)第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 3) 全NPN晶體管B類放大器要構(gòu)成兩個(gè)特性一樣的NPN和PNP晶體管,工藝難度很大。兩個(gè)管子都用NPN型(或PNP)可以降低對(duì)管子的要求,采用變壓器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成疊加電路,如圖8 - 19 所示。這種電路構(gòu)造復(fù)雜,任務(wù)頻率不太高。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-19 全NPN晶體管B類放大器LRUinUB BV1RLUC CCLV21n濾 波 器第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 2. C類功率放大器在高功率CW和FM輸出中C類放大器用途很廣,在AM放大器中可以改動(dòng)偏置來調(diào)

34、整幅度的變化。由前所述知,C類功率放大器的導(dǎo)通角小于180,非線性任務(wù)輸出信號(hào)不是輸入信號(hào)的簡(jiǎn)單倍乘,A類放大器用一個(gè)管子,B類用兩個(gè)管子,C類用一個(gè)管子,只是偏置點(diǎn)不同,B類放大器輸出電路中可以經(jīng)過添加濾波器改良信號(hào)質(zhì)量,而C類輸出電路中必需有諧振回路來恢復(fù)基波信號(hào)，C類放大器的最大優(yōu)勢(shì)是效率高。如圖8 - 20 所示,晶體管可用功率BJT,也可用FET,諧振回路的Q值影響放大器的帶寬。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-20 C類功率放大器tU sinGRGCBRFCUbbCBRFCUCCC0L0RL第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 普通地,廠家會(huì)給出一定頻率和頻帶上放大器的

35、最正確源阻抗和負(fù)載阻抗。這種電路的設(shè)計(jì)有兩個(gè)內(nèi)容: (1) 諧振回路: (2) 輸入偏置：Ubb=UBE-UGcos QRLRQCffQLL00000第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 3. D類功率放大器C類功率放大器的效率可以到達(dá)100,但輸出功率是零。改動(dòng)B類功率放大器的偏置,使得輸出不是半周線性而是非線性削波,輸出為正負(fù)方波,再經(jīng)過諧振回路恢復(fù)正弦,如圖8 - 21 所示。在D類放大器中,管子接近處于開關(guān)形狀。假設(shè)開關(guān)時(shí)間為零,那么漏源電壓為零時(shí),漏電流為最大,實(shí)際上可以得到100的效率?，F(xiàn)實(shí)上,BJT可任務(wù)到幾MHz,FET可任務(wù)到幾十MHz,不能夠無限快。第第8 8章章 放大器設(shè)

36、計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-21 D類功率放大器UinM2M11n濾波器RLLCLRUCC第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 4. E類功率放大器前述功率放大器可稱為開關(guān)功率放大器。為了防止開關(guān)器件的并聯(lián)電容放電,降低開關(guān)瞬間的功率損耗, 可以給放大器設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò),決議關(guān)斷后器件兩端的電壓, 這就是E類功率放大器,如圖8 - 22 所示。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-22 E類功率放大器根本構(gòu)造開關(guān)器件負(fù)載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載ILoadC2L2L1C1IcapIin第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)E類功率放大器的原那么是:(1) 電壓關(guān)斷后緩慢上升,關(guān)斷瞬間不耗費(fèi)功率。(2) 電

37、壓在后半周末降為零,保證開通瞬間器件的并聯(lián)寄生電容上沒有電荷,就不會(huì)放電。(3) 后半周末的變化率為零。當(dāng)開通時(shí),保證器件上的電壓為零可以緩慢降低開通瞬間的功率損耗。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8 - 22 中,負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中C1的部分或全部是器件的并聯(lián)寄生電容。諧振回路的頻率低于任務(wù)頻率,在任務(wù)頻率上可以看作一個(gè)與外部電抗負(fù)載串聯(lián)的調(diào)諧回路。調(diào)諧電路經(jīng)過正弦波負(fù)載電流時(shí),電抗性負(fù)載導(dǎo)致了這個(gè)電流與電壓基波分量相移。輸入電流與正弦波負(fù)載電流的差在器件導(dǎo)通時(shí)經(jīng)過器件,在關(guān)斷時(shí)經(jīng)過C1,這個(gè)電流差也是正弦波,但是它與負(fù)載電流有180相差,且含有經(jīng)過扼流電感的直流成分。電流的關(guān)系見圖8-2

38、3。開關(guān)電壓是C1電流的積分,相移量可以用諧振回路調(diào)整,這樣就可以保證滿足上述三個(gè)原那么。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-23 E類功率放大器負(fù)載回路的電流關(guān)系201.0202.0203.0204.0205.0206.0207.0208.0200.050.040.030.020.010.00.010.020.030.040.050.0I/mAT/nsILoadISwitchIinIcap開關(guān)電壓第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 5. F類功率放大器在C類放大器中,輸出網(wǎng)絡(luò)諧振于輸入信號(hào)的基波和一個(gè)或多個(gè)高次諧波上就是F類放大器。圖8-24為一個(gè)三次諧波峰值功率放大器,串聯(lián)諧振

39、器為三次諧波振蕩,并聯(lián)諧振器諧振于基波頻率。延續(xù)波鼓勵(lì)放大器后,放大器近似為半周通斷形狀。串聯(lián)諧振回路阻斷三次諧波,使其前往放大器C極。假設(shè)相位和幅度適宜,可以使C極方波電壓比UCC的平均值高兩倍,加強(qiáng)開關(guān)效果,增大基波的幅度。三次諧波是基波幅度的九分之一時(shí),效果最好,效率可達(dá)88。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-24 三次諧波反射的F類功率放大器UCCCBL3C3L1C1RL第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 方波的傅立葉分析為奇次項(xiàng),要想在C極構(gòu)成好的方波,負(fù)載必需對(duì)偶次成分呈現(xiàn)低阻,對(duì)奇次成分呈現(xiàn)高阻。圖中, CB對(duì)二次諧波起短路作用,同時(shí)有隔直流作用。C類放大器的設(shè)計(jì)也

40、是從Q值入手。Q由RL以及基波諧振回路的L1和C1決議。1201110011CLRCRCffQLL第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 輸出回路對(duì)2f0呈現(xiàn)短路,有 思索兩個(gè)諧振回路的參數(shù)與諧振頻率的關(guān)系, CB和串聯(lián)諧振回路對(duì)基波是短路,可得而L3、 L1 由3f0和f0與上述兩個(gè)電容的關(guān)系決議。 0)2(122)2(12211120103320300CLLCLLCB13316081,8CCCCB第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 串聯(lián)諧波諧振器可以用基頻四分之一波長(zhǎng)傳輸線取代,對(duì)射頻/微波功率放大器的設(shè)計(jì)和加工都是比較方便的。傳輸線對(duì)偶次諧波而言,是四分之一波長(zhǎng)的偶次倍,是半波長(zhǎng)諧振器,

41、相當(dāng)于短路; 對(duì)奇次諧波而言,是四分之一波長(zhǎng)的奇次倍,是四分之一波長(zhǎng)諧振器,相當(dāng)于開路,符合構(gòu)成良好方波的要求。仿真實(shí)例：900 MHz, 18 MHz帶寬F類功率放大器如圖8 - 25 所示。計(jì)算后電路中CB=1 F, Z0=20, C1=936.6pF, L1=33.39 pH, RL=42.37 , UCC=24 V, R1=5 k, R2=145 k。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-25 傳輸線F類功率放大器CBR1R2CBRFCZ0L1C1RLtU sininUCCLZ4第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 集電極電流、電壓和負(fù)載功率的結(jié)果見圖8 - 26。輸入功率為

42、2.363 mW, 電壓為0.11 V,輸出功率為5.5 W,這是最好情況。這類放大器的輸出功率對(duì)輸入功率非常敏感,有個(gè)最正確值。 6. 線性功率放大器為了改善前述開關(guān)類功率放大器的線性特性,目前也有兩種方法： LINC和S類放大器。LINCLinear Amplification with Non Linear Components)是用非線性元件實(shí)現(xiàn)線性放大,把大功率調(diào)幅信號(hào)分成兩路相位固定的信號(hào)送入開關(guān)高效率放大器,然后再組合。每個(gè)放大器都是深度開關(guān)形狀,整體放大器線性非常好,與C類效率相當(dāng),線性比A類還好,電路構(gòu)造如圖8 - 27所示。第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) S類是用帶通

43、-調(diào)制輸入信號(hào),這是音視頻功率放大器向微波技術(shù)的開展。圖8-28a為經(jīng)典的S類放大器,圖b為微波S類放大器。微電子技術(shù)使得這類微波功率放大器得到突破性進(jìn)展。 第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-26 900 MHzF類功率放大器的輸出信號(hào)70.070.571.071.572.072.573.073.574.01.000.500.000.501.001.502.002.503.003.504.00IC/AT/ns70.070.571.071.572.072.573.073.574.0T/ns30.0020.0010.000.0010.0020.0030.0040.0050.00UL / V第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-27 LINC功率放大器SCSuin(t)AA1800S2S1SSCSuin(t)AAS1S2S44(a)(b)SCS：信號(hào)分配器 A：開關(guān)模放大器第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 圖 8-28 S類放大器構(gòu)造PWM產(chǎn)生器驅(qū)動(dòng)電流-調(diào)制器UCC 高 Q濾波器負(fù)載UoutPWMUCC 高 Q濾波器負(fù)載Us(a)(b)00tt第第8 8章章 放大器設(shè)計(jì)放大器設(shè)計(jì) 7. 前饋式功率放大器前饋放大器的思想是抵消發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生的雜波。發(fā)射機(jī)的失真主要來源于功率放大器的諧波、 交調(diào)和噪聲。圖8