第8章放大器的穩(wěn)定性、增益和噪聲

1、射頻電路理論與設(shè)計射頻電路理論與設(shè)計（第（第2版）版）在放大器的設(shè)計中，需要考慮的因素在放大器的設(shè)計中，需要考慮的因素很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益和很多，其中最重要的就是穩(wěn)定性、增益和噪聲。本章將對上述問題的特性作系統(tǒng)討噪聲。本章將對上述問題的特性作系統(tǒng)討論，以便下一章集中討論各類放大器的設(shè)論，以便下一章集中討論各類放大器的設(shè)計。計。 放大器的穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性8.1 放大器的增益放大器的增益8.2 輸入、輸出電壓駐波比輸入、輸出電壓駐波比8.3 放大器的噪聲放大器的噪聲8.4設(shè)計射頻放大器時，必須考慮電路的設(shè)計射頻放大器時，必須考慮電路的穩(wěn)定性，這一點與低頻電路的設(shè)計方法完穩(wěn)定性，這

2、一點與低頻電路的設(shè)計方法完全不同。由于反射波的存在，射頻放大器全不同。由于反射波的存在，射頻放大器在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩在某些工作頻率或終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用，因此必的傾向，不再發(fā)揮放大器的作用，因此必須分析射頻放大器的穩(wěn)定性。須分析射頻放大器的穩(wěn)定性。8.1.1 穩(wěn)定準(zhǔn)則穩(wěn)定準(zhǔn)則放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖放大器的二端口網(wǎng)絡(luò)如圖8.1所示，在所示，在它的輸入端接有一個內(nèi)阻為它的輸入端接有一個內(nèi)阻為ZS的源的源VS，在，在它的輸出端接有負載它的輸出端接有負載ZL。 圖圖8.1 接有源和負載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)接有源和負載的放大器二端口網(wǎng)絡(luò)圖中傳輸線上有反射波傳輸

3、，源的反圖中傳輸線上有反射波傳輸，源的反射系數(shù)為射系數(shù)為S;負載的反射系數(shù)為負載的反射系數(shù)為L；二端口；二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為網(wǎng)絡(luò)輸入端的反射系數(shù)為in；二端口網(wǎng)絡(luò)；二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端的反射系數(shù)為輸出端的反射系數(shù)為ou。如果反射系數(shù)的模大于如果反射系數(shù)的模大于1，傳輸線上，傳輸線上反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將反射波的振幅將比入射波的振幅大，這將導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。因此，放大器穩(wěn)定意導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定。因此，放大器穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于味著反射系數(shù)的模小于1，即，即8.1.2 穩(wěn)定性判別的圖解法穩(wěn)定性判別的圖解法L、S和和S參量對放大器的穩(wěn)定性有參量對放大器的穩(wěn)定性有影響，但由于影響

4、，但由于S參量對于特定條件（頻率、參量對于特定條件（頻率、溫度、外加信號的大小等）是固定值，所溫度、外加信號的大小等）是固定值，所以對穩(wěn)定性有影響的就只有以對穩(wěn)定性有影響的就只有L和和S。下面。下面在在L和和S的復(fù)平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖的復(fù)平面上討論穩(wěn)定區(qū)域，用圖解的方法給出結(jié)論。解的方法給出結(jié)論。1. 輸出穩(wěn)定判別圓輸出穩(wěn)定判別圓 L復(fù)平面上輸出穩(wěn)定判別圓及史密斯復(fù)平面上輸出穩(wěn)定判別圓及史密斯圓圖如圖圓圖如圖8.2所示，輸出穩(wěn)定判別圓將所示，輸出穩(wěn)定判別圓將L復(fù)復(fù)平面劃分為圓內(nèi)和圓外兩部分，從圖中可平面劃分為圓內(nèi)和圓外兩部分，從圖中可見輸出穩(wěn)定判別圓決定了史密斯圓圖內(nèi)見輸出穩(wěn)定判別圓決定了

5、史密斯圓圖內(nèi)L的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論的穩(wěn)定區(qū)域。下面討論L的穩(wěn)定區(qū)域。的穩(wěn)定區(qū)域。 （1）若）若(|S11|1，則史密斯圓圖中心，則史密斯圓圖中心點（點（L=0點）在穩(wěn)定區(qū)域外。分點）在穩(wěn)定區(qū)域外。分2種種情況。情況。 若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖若輸出穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點（如圖中心點（如圖8.2（c）所示），）所示），L的穩(wěn)定的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓外。L的穩(wěn)定區(qū)域的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖的區(qū)域，是圖8.2（c）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 若輸出穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓若輸出穩(wěn)定判別圓不

6、包含史密斯圓圖中心點（如圖圖中心點（如圖8.2（d）所示），）所示），L的穩(wěn)的穩(wěn)定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。定區(qū)域在輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)。L的穩(wěn)定區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸出穩(wěn)定判別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖內(nèi)的區(qū)域，是圖8.2（d）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 2. 輸入穩(wěn)定判別圓輸入穩(wěn)定判別圓 （1）若）若|S22|1，則史密斯圓圖中心，則史密斯圓圖中心點在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。點在穩(wěn)定區(qū)域外。分兩種情況。 若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖若輸入穩(wěn)定判別圓包含史密斯圓圖中心點（如圖中心點（如圖8.3（c）所示），）所示），S的穩(wěn)定的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入

7、穩(wěn)定判別區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判別圓外的區(qū)域，是圖圓外的區(qū)域，是圖8.3（c）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓若輸入穩(wěn)定判別圓不包含史密斯圓圖中心點（如圖圖中心點（如圖8.3（d）所示），）所示），S的穩(wěn)的穩(wěn)定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判定區(qū)域是史密斯圓圖單位圓內(nèi)輸入穩(wěn)定判別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖別圓內(nèi)的區(qū)域，是圖8.3（d）中的陰影區(qū)。）中的陰影區(qū)。 3. 絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定 絕對穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個特例，是指在絕對穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個特例，是指在頻率等特定的條件下，放大器在頻率等特定的條件下，放大器在L和和S的的整個史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。整個史密斯圓圖內(nèi)都處

8、于穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，也就是說，L和和S選擇任何選擇任何|L|1和和|S|1的值，放大器都絕對穩(wěn)定。的值，放大器都絕對穩(wěn)定。 若若|S11|1且且|S22|1或或|out|1，使放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時，使放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時應(yīng)當(dāng)采取措施使放大器進入穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)采取措施使放大器進入穩(wěn)定狀態(tài)。 |in|1和和|out|1用輸入阻抗表達，為用輸入阻抗表達，為穩(wěn)定放大器的措施就是在其不穩(wěn)定的穩(wěn)定放大器的措施就是在其不穩(wěn)定的端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)電阻，以保證總輸入阻抗為正。圖輸入阻抗為正。圖8.7示出了輸入端口的穩(wěn)示出了輸入端口的穩(wěn)定電路，增加了串聯(lián)電阻定

9、電路，增加了串聯(lián)電阻Rin或并聯(lián)電導(dǎo)或并聯(lián)電導(dǎo)Gin。 圖圖8.7 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸入端口同樣，在輸出端口增加一個串聯(lián)或并同樣，在輸出端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻，如圖聯(lián)的電阻，如圖8.8所示，若保證總輸出阻所示，若保證總輸出阻抗為正，也可以保證輸出端口穩(wěn)定?？篂檎部梢员ＷC輸出端口穩(wěn)定。 圖圖8.8 串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口串聯(lián)或并聯(lián)電阻穩(wěn)定輸出端口 圖圖8.9 例例8.3用圖用圖由于晶體管輸入端加電阻會增加輸入由于晶體管輸入端加電阻會增加輸入損耗，進而轉(zhuǎn)化為輸出端較大的噪聲指數(shù)，損耗，進而轉(zhuǎn)化為輸出端較大的噪聲指數(shù)，因此一般不在輸入端加電阻，而采用在輸因此

10、一般不在輸入端加電阻，而采用在輸出端加電阻來達到晶體管穩(wěn)定的目的。出端加電阻來達到晶體管穩(wěn)定的目的。對輸入信號進行放大是放大器最重要對輸入信號進行放大是放大器最重要的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計中，增益的的任務(wù)，因此在放大器的設(shè)計中，增益的概念很重要。概念很重要。8.2.1 功率增益的定義功率增益的定義圖圖8.10 單級放大器的一般框圖單級放大器的一般框圖放大器的功率增益有多種定義，它們放大器的功率增益有多種定義，它們?nèi)Q于放大器的運行機制?，F(xiàn)分別對與增取決于放大器的運行機制。現(xiàn)分別對與增益相關(guān)的不同功率給予定義。益相關(guān)的不同功率給予定義。 圖圖8.11 單級放大器及信號流圖單級放大器及信號流圖1

11、. 轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益2. 資用功率增益資用功率增益3. 功率增益功率增益 功率增益為功率增益為4. 單向化功率增益單向化功率增益8.2.2 最大功率增益最大功率增益由于晶體管的增益由于晶體管的增益G0是固定的，放大是固定的，放大器的總增益受輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益器的總增益受輸入匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GS和和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益輸出匹配網(wǎng)絡(luò)有效增益GL的控制。的控制。GS和和GL的值可能大于的值可能大于1。當(dāng)。當(dāng)GS和和GL的的值達到最大化時，放大器可以有最大增益。值達到最大化時，放大器可以有最大增益。當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能保證晶當(dāng)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)能保證晶體管的輸入和輸出端分別

12、實現(xiàn)共軛匹配時，體管的輸入和輸出端分別實現(xiàn)共軛匹配時，放大器可以實現(xiàn)最大增益。放大器可以實現(xiàn)最大增益。在共軛匹配的狀態(tài)下，晶體管既能從在共軛匹配的狀態(tài)下，晶體管既能從源獲得最大輸入功率，又能輸出給負載最源獲得最大輸入功率，又能輸出給負載最大功率。大功率?；诠曹椘ヅ涞母拍睿?dāng)基于共軛匹配的概念，當(dāng)8.2.3 晶體管單向情況晶體管單向情況當(dāng)當(dāng)S12=0時，晶體管是單向的。實際應(yīng)時，晶體管是單向的。實際應(yīng)用中，有時可以忽略晶體管自身反饋的影用中，有時可以忽略晶體管自身反饋的影響，視響，視S120。當(dāng)晶體管近似為單向時，可以帶來設(shè)當(dāng)晶體管近似為單向時，可以帶來設(shè)計上的諸多便利，此時計上的諸多便利，此

13、時in和和out彼此獨立，這意味著輸入匹彼此獨立，這意味著輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，可以各自獨配網(wǎng)絡(luò)與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，可以各自獨立設(shè)計。下面在晶體管單向的前提下，討立設(shè)計。下面在晶體管單向的前提下，討論放大器的增益，同時給出單向化設(shè)計帶論放大器的增益，同時給出單向化設(shè)計帶來的誤差。來的誤差。1. 最大增益最大增益2. 固定增益設(shè)計和等增益圓固定增益設(shè)計和等增益圓3. 單向化設(shè)計誤差因子單向化設(shè)計誤差因子 圖圖8.12 例例8.6用圖用圖8.2.4 晶體管雙向情況晶體管雙向情況當(dāng)當(dāng)S120且采用單向化設(shè)計會產(chǎn)生較大且采用單向化設(shè)計會產(chǎn)生較大誤差時，就不能忽略晶體管反饋的影響，誤差時，就不

14、能忽略晶體管反饋的影響，這時必須考慮晶體管的雙向情況。這時必須考慮晶體管的雙向情況。由于由于所以雙向晶體管的所以雙向晶體管的in和和out不再彼此不再彼此獨立，這使雙向晶體管比單向晶體管的情獨立，這使雙向晶體管比單向晶體管的情況復(fù)雜。下面在晶體管雙向的前提下，討況復(fù)雜。下面在晶體管雙向的前提下，討論放大器的增益。論放大器的增益。 1. 最大增益最大增益 當(dāng)晶體管雙向時，同時滿足式（當(dāng)晶體管雙向時，同時滿足式（8.47）和（和（8.48）可以得到放大器的最大增益。）可以得到放大器的最大增益。式（式（8.47）和（）和（8.48）是輸入與輸出同時達）是輸入與輸出同時達到共軛匹配到共軛匹配2. 固定

15、增益、等功率增益和等資固定增益、等功率增益和等資用功率增益圓用功率增益圓 固定增益是指放大器的增益達到某一固定增益是指放大器的增益達到某一期望的值，這一期望的值小于放大器的最期望的值，這一期望的值小于放大器的最大增益。對于雙向晶體管來說，固定增益大增益。對于雙向晶體管來說，固定增益放大器的設(shè)計將變得比較復(fù)雜。放大器的設(shè)計將變得比較復(fù)雜。 可以采用固定功率增益法設(shè)計放大器，可以采用固定功率增益法設(shè)計放大器，此時預(yù)期的放大器功率增益為此時預(yù)期的放大器功率增益為GP，這一期，這一期望的值小于望的值小于GPmax。也可以采用固定資用功。也可以采用固定資用功率增益法設(shè)計放大器，此時預(yù)期的放大器率增益法設(shè)

16、計放大器，此時預(yù)期的放大器資用功率增益為資用功率增益為GA，這一期望的值小于，這一期望的值小于GAmax。（1） 固定功率增益法固定功率增益法（2）固定資用功率增益法）固定資用功率增益法在很多情況下，放大器的特性用輸入在很多情況下，放大器的特性用輸入和輸出電壓駐波比描述，而且電壓駐波比和輸出電壓駐波比描述，而且電壓駐波比必須保持在特定指標(biāo)之下。信源與晶體管必須保持在特定指標(biāo)之下。信源與晶體管之間及晶體管與負載之間的失配程度對駐之間及晶體管與負載之間的失配程度對駐波比有影響，下面討論失配因子及電壓駐波比有影響，下面討論失配因子及電壓駐波比。波比。8.3.1 失配因子失配因子源失配因子定義為源失配

17、因子定義為負載失配因子為負載失配因子為8.3.2 輸入、輸出駐波分析輸入、輸出駐波分析放大器如圖放大器如圖8.13所示，輸入、輸出電所示，輸入、輸出電壓駐波比為壓駐波比為 圖圖8.13放大器輸入及輸出端口的失配放大器輸入及輸出端口的失配設(shè)計有源網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮噪聲問題。設(shè)計有源網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮噪聲問題。對放大器來說，噪聲的存在對整個設(shè)計有對放大器來說，噪聲的存在對整個設(shè)計有重要影響，在低噪聲的前提下對信號進行重要影響，在低噪聲的前提下對信號進行放大是對放大器的基本要求。放大是對放大器的基本要求。前面討論過放大器的穩(wěn)定性和增益，前面討論過放大器的穩(wěn)定性和增益，但放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增但放大器的低噪聲與放大器的穩(wěn)定性和增益相沖突，例如最小噪聲與最大增益就不益相沖突，例如最