課件 10放大器增益及穩(wěn)定性1課件

1、TOPIC 10主要內(nèi)容主要內(nèi)容o放大器的基本原理n放大器的分類n放大器的特性指標o放大器的功率關系o放大器的功率增益o放大器的穩(wěn)定性判定n穩(wěn)定性判別圓n絕對穩(wěn)定n有條件穩(wěn)定n穩(wěn)定性措施RF/MW放大器的基本原理放大器的基本原理o放大器是無線收發(fā)機中的重要組成部件。o類似于低頻放大器，RF/MW放大器電路是為了獲取穩(wěn)定的增益，其基本原理相同。o在RF/MW放大器電路中通常使用二端口網(wǎng)絡進行描述，用S參量表述晶體管的特性，因此其分析和設計也是基于S參量和二端口網(wǎng)絡。o對射頻電路而言，要特別關注輸入端與輸出端的阻抗匹配問題。RF/MW放大器的分類放大器的分類o按用途：n低噪聲放大器n中頻放大器n可

2、變增益放大器n功率放大器o中功率放大器、大功率放大器。o按信號的強弱：n小信號放大器n大信號放大器o按工作范圍：n寬帶放大器n窄帶放大器o按電路組態(tài)工作點的位置：nA(甲)類、B(乙)類、C（丙）類等小信號放大器的性能指標小信號放大器的性能指標o增益和增益平坦度（以dB表示）o工作頻率及帶寬（單位Hz）o穩(wěn)定性o噪聲系數(shù)（以dB表示）o輸出功率（單位dBm）o輸入輸出端口匹配( 反射系數(shù)或駐波比)o直流工作電壓和電流（單位V和A）o其他參數(shù)：n線性度（動態(tài)范圍）、交調(diào)失真、諧波、反向隔離等放大器的二端口網(wǎng)絡表示放大器的二端口網(wǎng)絡表示o所有放大器，不管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么，都可以用線性二端口模型來描

3、述。o當頻率在RF頻段以上時，通常采用S（散射）參量來描述網(wǎng)絡。 b = s a b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2011112aabs012212aabs022221aabs021121aabsai、bi分別為輸入、輸出信號的振幅大小。a2b1b2a11122S放大器的網(wǎng)絡模型放大器的網(wǎng)絡模型o下圖為典型單級放大器，其輸入端接信號源，輸出端接負載。n輸入、輸出匹配網(wǎng)絡可用于減小有害反射從而增加功率流容量。n放大器的指標由其在特定偏置條件下的S參量確定。放大器的功率關系放大器的功率關系o如果把兩個匹配網(wǎng)絡分別歸入信號源和負載阻抗中，則放大器電路可以簡化如下圖。o由此模型分

4、析放大器的功率關系。放大器的功率關系放大器的功率關系o設信號源阻抗為Zs，匹配網(wǎng)絡阻抗為Z0，則信號源的歸一化電壓：o已知b1是放大器輸入端口的反射波，但對信號源來說它是入射波。b1被信號源Zs再反射后變成了向放大器入射的波。o于是輸入端口的入射波：000/ZZZZVbsss21111111()1SSSSSbbb 因為in=1=b1/a1， sinsba11放大器的功率關系放大器的功率關系p所以，放大器的入射波功率：p顯然，放大器輸入端的實際輸入功率應為入射波功率減去反射波功率，即:221211221sincinsbPa )1 (121)1 (212121212122222121212121i

5、nsinsinininbaaabaP放大器的功率關系放大器的功率關系o如果放大器的輸入阻抗與信號源的阻抗共軛匹配，即: ，或 。則信號源到放大器之間有最大功率傳輸。o在共軛匹配下信號源傳給負載（放大器）的最大功率定義為信號源的資用功率（記作PA）：sinZZsin2222211(1)2211insinsssAinininssbbPP p可見，信號源資用功率與s有關。放大器的功率關系放大器的功率關系p對于輸出端口，應用同樣的原理分析。p已知a2是放大器端口2的入射波，但對負載來說它是反射波，所以有：p又由S參量定義，p整理得：p因此，負載的輸入功率（即負載吸收的功率）：Lba22221 1222

6、21 1222,LbS aSaS aS bLSaSb221212122222221 12222221111(1)(1)22221LLLLS aPbabS 放大器的功率增益放大器的功率增益o射頻微波晶體管放大器功率增益是管子S參數(shù)、信號源阻抗和負載阻抗的函數(shù)。o信號源阻抗、負載阻抗與放大器的匹配狀態(tài)不同時，所得功率增益是不同的，通常有：n轉(zhuǎn)換功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入端的資用功率之比，與兩端阻抗都有關，即：GT=PL/Pa。n實際功率增益：負載吸收功率與二端口網(wǎng)絡輸入端吸收功率之比，與源阻抗無關，與負載阻抗有關，即：G=PL/Pin 。n資用功率增益：二端口網(wǎng)絡輸入資用功率與輸出資用

7、功率之比，源端和負載端均共軛匹配，與源阻抗有關，與負載阻抗無關。它是放大器增益的最大潛力，即：GA=Pavs/Pavs。轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益o負載吸收功率與信號源資用功率的比值稱為放大器的轉(zhuǎn)換功率增益，即：2222222121121)1 (121/ssLLALTbSaSPPG)1 (1sinsab22222222111)1)(1 (sinLsLTSSG由輸入、輸出反射系數(shù)輸入、輸出反射系數(shù)o在輸出端口接ZL負載時，La2 / b2，代入S參量公式，有：n求出輸出端入反射系數(shù)：o同理，當輸入端口接源阻抗Zs時，由n求出輸出端入反射系數(shù)：111 112 2221 122 2,LLbS aS b

8、bS aS bLLinSSSSab22122111111111 1122221 1222,ssbS bS abS bS a ssoutSSSS111221221轉(zhuǎn)換功率增益轉(zhuǎn)換功率增益o應用in、out的表達式，轉(zhuǎn)換功率增益可以改寫成：oGT的物理意義是：插入放大器后，負載實際得到的功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。oGT反映了晶體管S參數(shù)和網(wǎng)絡輸入、輸出端匹配程度對增益的影響。21122222111)1)(1 (sLoutsLTSSG單向轉(zhuǎn)換功率增益單向轉(zhuǎn)換功率增益p如果忽略放大器反饋的影響，即認為S12=0，則in=S11，out=S22，這時有： GTU與GT通常是非常接近的，

9、因而常用上式作為放大器及其輸入、輸出網(wǎng)絡近似設計的基礎。p由放大器的轉(zhuǎn)換功率增益，可導出放大器的實際功率增益和資用功率增益。2112222222111)1)(1 (sLsLTUSSSG單向化轉(zhuǎn)換功率增益實際功率增益實際功率增益o實際功率增益是指負載吸收功率與放大器輸入功率的比值。o實際功率增益只與S參數(shù)、L 有關，而與s 無關（式中in也與s無關，只與L有關）。o應用G的表達式便于研究負載變化對放大器功率增益的影響。22222121222222122222212222(1)(1)/(1)/11(1)/ 1(1)(1)1LsssLALinAinLinssininsLinLSbPPGPPPPSbS

10、S 資用功率增益資用功率增益p放大器資用功率增益是指放大器的資用功率與信號源資用功率的比值。o因為 時，放大器的資用功率=負載吸收的功率。o由資用功率增益定義可得oGA的物理意義是：n插入放大器后負載可能得到的最大功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。n實際上，放大器在輸入、輸出端都不見得是共軛匹配，GA只是表明放大器功率增益的一種潛力。n應用GA的表達式便于研究信號源阻抗變換對放大器增益的影響。outLZZoutLTAGG22222212122221111(1)(1)(1)11(1) 1LoutLssAoutLsoutsSSGSS 放大器增益總結(jié)放大器增益總結(jié)2221222222212

11、211222212222(1)(1)1(1)11(1)(1)11LLinLLsavnAavssoutsLLTinsinLSPGPSSPGPSSPGPS 00000122111022012212201111LLLSSSinLininLoutSoutoutSZZZZZZZZZZS SSZZSZZS SSZZS 2112222222111)1)(1 (sLsLTUSSSG放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定o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。o源反射系數(shù)、輸入端口反射系數(shù)、輸出端口反射系數(shù)和負載反射系數(shù)這四個概念是理解雙端口網(wǎng)絡穩(wěn)定性的關鍵。o這四個反射系數(shù)是各自

12、獨立的，由S參量確定。p根據(jù)的物理意義，如果|1，則反射波幅度超過入射波，這說明電路出現(xiàn)正反饋，從而導致不穩(wěn)定現(xiàn)象。p因此，可以通過反射系數(shù)來判斷放大器的穩(wěn)定性。111abininLAC輸入匹配電路輸出匹配電路R0R0FETS12S11微波管有內(nèi)部反饋微波管有內(nèi)部反饋 S12是反饋，是反饋，S12、S21有相位移有相位移判斷不穩(wěn)定依據(jù)判斷不穩(wěn)定依據(jù) ：輸入或輸出端是否等效有負阻輸入或輸出端是否等效有負阻22022000)()(inininininininXZRXZRZZZZLLinSSSS222112111穩(wěn)定性判別圓穩(wěn)定性判別圓穩(wěn)定性判別圓p將放大器看作二端口網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由S參數(shù)及外部端接條

13、件L、s確定。p穩(wěn)定意味著反射系數(shù)的模小于1，即：1,1sL12212211SSSS111221122122111LLLLinSSSSSS111112211122122ssssoutSSSSSS式中穩(wěn)定性判別圓穩(wěn)定性判別圓p由于S參數(shù)在晶體管以及工作頻率給定時是個定值，所以對穩(wěn)定性有影響的參數(shù)是L和s。p考察|in|1的穩(wěn)定性條件。將其中各參數(shù)分解為實部和虛部：ILRLLIRIRIRjjjSSSjSSS,222222111111代入|in|=1，整理可得圓方程：222)()(outIoutILRoutRLrCC推導過程可參考趙國湘、高葆新編微波有源電路P199穩(wěn)定性判別圓穩(wěn)定性判別圓o上述圓方

14、程可由以下參數(shù)確定：o圓心：o半徑：o由rout和Cout的表示式可見，S參數(shù)確定后rout和Cout在L復平面上確定一個圓，稱為穩(wěn)定性判別圓（簡稱穩(wěn)定圓）。22222112SSSrout22221122)(SSSCCCIoutRoutout放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定p以上討論的是L復平面上的|in|=1圓，用同樣方法由可得到在s復平面上的穩(wěn)定性判別圓：111112211122122ssssoutSSSSSS222)()(inIinIsRinRsrCC22112112SSSrin22112211)(SSSCCCIinRinin圓半徑圓心12212211SSSS式中放大器的穩(wěn)定性判定放

15、大器的穩(wěn)定性判定inReinImLIm LRe復平面in復平面L不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定LIm LRe復平面L11S穩(wěn)定S2圓S2圓1in1L1L輸入端穩(wěn)定性判別圓輸入端穩(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)域放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定p右圖示L復平面上的穩(wěn)定性判別圓的一種情況。|in|=1圓將L復平面分成兩個區(qū)域，根據(jù)定義：p|in|1的區(qū)域是潛在不穩(wěn)定區(qū)。outroutC1in1LRLIL111S穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)潛在不穩(wěn)定是指在|L|1單位圓內(nèi)存在不穩(wěn)定區(qū)圓外還是圓內(nèi)是穩(wěn)定區(qū)域？放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定o由公式o可見，如果L=0，則|in|=|S11|，對應于|S11|

16、1，有以下兩種情況：p若|S11|1 則|in|1，這時L復平面原點（L=0點）所在的區(qū)域是穩(wěn)定區(qū)。因為|S11|1 時，L=0，則|in|=|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的|S11|均小于1，不會發(fā)生這種情況。LLLLinSSSSSS22112212211111放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定p由以上分析可知，在|S11|1的條件下，穩(wěn)定圓將L平面分成圓內(nèi)和圓外兩個區(qū)域：p其中包含原點的區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)，再考慮|L|1K1K1K1K1K1穩(wěn)定性判斷實例穩(wěn)定性判斷實例條件：|S11|1f3f4f1f2陰影范圍：頻帶的不穩(wěn)定區(qū)判別圓判別圓判別圓多頻率點穩(wěn)定性判別

17、圓多頻率點穩(wěn)定性判別圓放大器的穩(wěn)定性判定放大器的穩(wěn)定性判定p|S22|1時，在s復平面上穩(wěn)定圓與單位圓的相對關系類似于|in|=1圓與|L|=1單位圓的關系。p潛在不穩(wěn)定原因是管內(nèi)存在反饋S12。p設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L、s兩個平面上同時避開不穩(wěn)定區(qū)。p判別圓大小、位置取決于自身S參數(shù)。p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L、s的取值范圍。2222*22SCR222221122SSSP*22211SSC21122211SSSS 輸入端穩(wěn)定性判別圓輸入端穩(wěn)定性判別圓 圓心位置向量圓心位置向量 判別圓的半徑判別圓的半徑 輸出端穩(wěn)定性判別

18、圓輸出端穩(wěn)定性判別圓 圓心位置向量圓心位置向量 判別圓的半徑判別圓的半徑式中：2211*11SCR221121121SSSP*22111SSC|in|=1穩(wěn)定性判別圓位置總結(jié)穩(wěn)定性判別圓位置總結(jié)|out|=1絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定o顧名思義絕對穩(wěn)定是指在選定的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。o由L復平面上穩(wěn)定圓可知，a、d情況L單位圓內(nèi)全部是穩(wěn)定區(qū)，即對于任意的|L |1的點都滿足|in|1。o若同時對任意的|s|1的點，也都滿足|out|1是放大器絕對穩(wěn)定的必要條件，但還不是充分條件。o可以證明絕對穩(wěn)定的充分必要條件是：o若S12=0，即單向化情況下，充分必要條件為：1, 1K1, 1, 12211KSS1. K1，但只要在輸入端口所接s能滿足|sin|1，則仍然可以使之穩(wěn)定。n同理，只要|Lout|1 ，放大器也不會自激。o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)定有條件穩(wěn)定o網(wǎng)絡輸入端口接Zs，但|in|1。已知：ob1經(jīng)s再反射后進入輸入端口為：o如果 ，則說明來回反射趨于衰減，不可能引起自激。11aa inab11sinsaba11111111insinsaaaa 1a1a1bs