射頻與微波放大器設(shè)計(jì)ppt課件

1、u 射頻與微波放大器設(shè)計(jì)射頻與微波放大器設(shè)計(jì)p射頻和微波放大器設(shè)計(jì)射頻和微波放大器設(shè)計(jì)的基本考慮的基本考慮p1 1 功率或信號(hào)電平功率或信號(hào)電平p小信號(hào)小信號(hào)p大信號(hào)大信號(hào) ( (高功率高功率) )p2 2 工作帶寬工作帶寬p窄帶窄帶p寬帶寬帶3 3 增益增益 高增益高增益 ( (窄帶窄帶) )常數(shù)增益常數(shù)增益 ( (寬帶寬帶) )4 4 噪聲噪聲低噪聲低噪聲5 5 多級(jí)放大器多級(jí)放大器u 射頻與微波放大器設(shè)計(jì)射頻與微波放大器設(shè)計(jì)o基本設(shè)計(jì)方法基本設(shè)計(jì)方法o采用采用S S參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)o微波放大器用基本器件微波放大器用基本器件o雙極晶體管雙極晶體管 ( (較低頻率較低頻率) )o

2、場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管( (較高頻率，可以一直工作到毫米波較高頻率，可以一直工作到毫米波段）段）射頻與微波放大器設(shè)計(jì)射頻與微波放大器設(shè)計(jì) 放大器的分類(lèi)放大器的分類(lèi) A A 類(lèi)甲類(lèi)放大器類(lèi)甲類(lèi)放大器 A A 類(lèi)甲類(lèi)放大器的特點(diǎn)是，在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，放大類(lèi)甲類(lèi)放大器的特點(diǎn)是，在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，放大器都工作于晶體管的工作區(qū)。器都工作于晶體管的工作區(qū)。B B 類(lèi)乙類(lèi)放大器類(lèi)乙類(lèi)放大器B B 類(lèi)放大器的特點(diǎn)是，在放大器的工作過(guò)程中，大約半個(gè)信類(lèi)放大器的特點(diǎn)是，在放大器的工作過(guò)程中，大約半個(gè)信號(hào)周期的時(shí)間工作于晶體管的工作區(qū)。號(hào)周期的時(shí)間工作于晶體管的工作區(qū)。u 射頻與微波放大器設(shè)計(jì)射頻與微波放大器設(shè)計(jì) 放大器

3、的分類(lèi)放大器的分類(lèi)AB AB 類(lèi)甲乙類(lèi)放大器類(lèi)甲乙類(lèi)放大器在小信號(hào)時(shí)，放大器為在小信號(hào)時(shí)，放大器為A A類(lèi)工作，在大信號(hào)時(shí)，放大器類(lèi)工作，在大信號(hào)時(shí)，放大器為為B B類(lèi)工作的放大器稱(chēng)為類(lèi)工作的放大器稱(chēng)為ABAB類(lèi)放大器。類(lèi)放大器。 C C 類(lèi)丙類(lèi)放大器類(lèi)丙類(lèi)放大器放大器在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，晶體管在工作區(qū)工作的時(shí)間放大器在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，晶體管在工作區(qū)工作的時(shí)間明顯少于半個(gè)信號(hào)周期的放大器為明顯少于半個(gè)信號(hào)周期的放大器為C C類(lèi)放大器。類(lèi)放大器。u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)o小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的基小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的基本步驟本步驟 o選擇適當(dāng)?shù)钠骷蛐酒x擇適當(dāng)?shù)钠骷蛐酒琽工作頻率工作頻率o

4、增益增益o噪聲噪聲o功率電平功率電平直流偏置設(shè)計(jì)直流偏置設(shè)計(jì)偏置電壓偏置電壓Q點(diǎn)的選點(diǎn)的選擇擇一般來(lái)說(shuō)，放大器直流一般來(lái)說(shuō)，放大器直流偏置電壓對(duì)于應(yīng)該選擇偏置電壓對(duì)于應(yīng)該選擇在在IC-VCE曲線雙極曲線雙極晶體管或晶體管或ID-VDS曲曲線場(chǎng)效應(yīng)管的中部，線場(chǎng)效應(yīng)管的中部，以保證晶體管在工作區(qū)以保證晶體管在工作區(qū)雙極晶體管或飽和雙極晶體管或飽和區(qū)場(chǎng)效應(yīng)管任務(wù)。區(qū)場(chǎng)效應(yīng)管任務(wù)。 u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)直流偏置電路的設(shè)計(jì)直流偏置電路的設(shè)計(jì)直流偏置電路的設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是：直流偏置的引入對(duì)微直流偏置電路的設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是：直流偏置的引入對(duì)微波和射頻信號(hào)沒(méi)有影響，即一方面要防止微波和射頻信波和

5、射頻信號(hào)沒(méi)有影響，即一方面要防止微波和射頻信號(hào)從偏置泄漏，干擾偏置回路的正常工作，同時(shí)也要防號(hào)從偏置泄漏，干擾偏置回路的正常工作，同時(shí)也要防止外界干擾信號(hào)通過(guò)偏置回路影響微波和射頻系統(tǒng)的工止外界干擾信號(hào)通過(guò)偏置回路影響微波和射頻系統(tǒng)的工作。作。因此直流偏置回路應(yīng)該是一個(gè)低通濾波器，并且在與微因此直流偏置回路應(yīng)該是一個(gè)低通濾波器，并且在與微波回路相關(guān)的連接處向直流偏置看去的輸入阻抗應(yīng)該為波回路相關(guān)的連接處向直流偏置看去的輸入阻抗應(yīng)該為近似開(kāi)路。近似開(kāi)路。 u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定

6、性判據(jù)絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件穩(wěn)定采用負(fù)反饋、電阻加載采用負(fù)反饋、電阻加載等措施等措施 留意：留意：不但要考慮工作帶寬內(nèi)不但要考慮工作帶寬內(nèi)的穩(wěn)定性，也要考慮工的穩(wěn)定性，也要考慮工作帶寬外的穩(wěn)定性作帶寬外的穩(wěn)定性匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)根據(jù)不同放大器的要求，根據(jù)不同放大器的要求，進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。帶寬的考慮帶寬的考慮雙向還是單向設(shè)計(jì)雙向還是單向設(shè)計(jì)增益與噪聲設(shè)計(jì)的平衡增益與噪聲設(shè)計(jì)的平衡級(jí)間匹配共軛匹配）級(jí)間匹配共軛匹配）u 小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)o窄帶放大器設(shè)計(jì)窄帶放大器設(shè)計(jì)o工作帶寬小于工作帶寬小于10%的放大器可認(rèn)為是窄帶放大器的放大器可認(rèn)為是窄帶

7、放大器o窄帶放大器分類(lèi)窄帶放大器分類(lèi)o最大增益放大器最大增益放大器o高增益放大器高增益放大器o最低噪聲放大器最低噪聲放大器u 高增益放大器設(shè)計(jì)舉例高增益放大器設(shè)計(jì)舉例例例 15.115.1設(shè)計(jì)一工作頻率為設(shè)計(jì)一工作頻率為3GHz3GHz，增益為，增益為15dB15dB的放大器，選擇如下的放大器，選擇如下S S參數(shù)的雙極晶體管參數(shù)的雙極晶體管VCE=4V VCE=4V ，IC=5mAIC=5mA）：）：解解u 最大增益放大器設(shè)計(jì)最大增益放大器設(shè)計(jì) 最大增益放大器實(shí)際上是高增益放大器設(shè)計(jì)的特例最大增益放大器實(shí)際上是高增益放大器設(shè)計(jì)的特例設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入和輸出端的共軛匹配設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上是實(shí)

8、現(xiàn)對(duì)輸入和輸出端的共軛匹配當(dāng)當(dāng)S120S120時(shí)，采用單向設(shè)計(jì)應(yīng)該核對(duì)設(shè)計(jì)誤差是否滿足時(shí)，采用單向設(shè)計(jì)應(yīng)該核對(duì)設(shè)計(jì)誤差是否滿足指標(biāo)誤差要求指標(biāo)誤差要求設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例 u 低噪聲放大器低噪聲放大器 (LNA)(LNA)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使放大器的在噪聲低于規(guī)定設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使放大器的在噪聲低于規(guī)定值的前提下，盡可能獲得較高的增益。值的前提下，盡可能獲得較高的增益。 大多數(shù)情況下，最小噪聲和最大增益并不是同大多數(shù)情況下，最小噪聲和最大增益并不是同時(shí)出現(xiàn)！時(shí)出現(xiàn)！u 低噪聲放大器低噪聲放大器 (LNA)(LNA)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)步驟基本設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)的前五個(gè)步驟與其它類(lèi)型的放

9、大器是相同，以后，設(shè)計(jì)的前五個(gè)步驟與其它類(lèi)型的放大器是相同，以后，有有 計(jì)算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的分配增益。計(jì)算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的分配增益。將常數(shù)噪聲圓、源輸入常數(shù)增益圓繪在同一張將常數(shù)噪聲圓、源輸入常數(shù)增益圓繪在同一張SmithSmith圓圖上。圓圖上。選擇與預(yù)設(shè)的常噪聲系數(shù)圓相交的輸入源常增益選擇與預(yù)設(shè)的常噪聲系數(shù)圓相交的輸入源常增益圓，作為增益設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到帶寬的要圓，作為增益設(shè)計(jì)的考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到帶寬的要求。求。 u 低噪聲放大器低噪聲放大器 (LNA)(LNA)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(4) (4) 在選定的輸入常數(shù)增益圓上選擇在預(yù)定噪聲圓內(nèi)的在選定的輸入常數(shù)增益圓上選擇在預(yù)定噪聲圓

10、內(nèi)的SS值，設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。值，設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。(5) (5) 根據(jù)增益和帶寬要求，選擇根據(jù)增益和帶寬要求，選擇L L 值，設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)值，設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。絡(luò)。設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 1 1 寬帶放大器的定義寬帶放大器的定義在寬帶范圍一個(gè)倍頻程甚至十個(gè)倍頻程內(nèi)具有平坦響在寬帶范圍一個(gè)倍頻程甚至十個(gè)倍頻程內(nèi)具有平坦響應(yīng)的放大器為寬帶放大器。應(yīng)的放大器為寬帶放大器。2 2 寬帶放大器設(shè)計(jì)的基本考慮寬帶放大器設(shè)計(jì)的基本考慮 設(shè)計(jì)的基本方法與前面研究的高增益放大器的基本設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)的基本方法與前面研究的高增益放大器的基本設(shè)計(jì)方法是相同的。法是相同的。由于器

11、件參數(shù)和匹配網(wǎng)絡(luò)特性隨頻率變化，寬帶放大器的由于器件參數(shù)和匹配網(wǎng)絡(luò)特性隨頻率變化，寬帶放大器的設(shè)計(jì)比高增益放大器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。設(shè)計(jì)比高增益放大器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 寬帶放大器的設(shè)計(jì)考慮寬帶放大器的設(shè)計(jì)考慮l晶體管的晶體管的 |S21| |S21| 和和 |S12| |S12| 隨頻率變化的規(guī)律隨頻率變化的規(guī)律l u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 寬帶放大器的設(shè)計(jì)考慮寬帶放大器的設(shè)計(jì)考慮l寬工作頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性寬工作頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性lK因子依賴(lài)于因子依賴(lài)于|S12S21|的乘積，因此放大器的穩(wěn)定的乘積，因此放大器的穩(wěn)定性依賴(lài)于性依賴(lài)于|S12

12、S21|隨頻率變化曲線的平坦度。隨頻率變化曲線的平坦度。lS11 和和 S22在整個(gè)工作頻率范圍的變化在整個(gè)工作頻率范圍的變化l直接影響到輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶設(shè)計(jì)。輸入和輸直接影響到輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶設(shè)計(jì)。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的特性本身隨頻率變化。出匹配網(wǎng)絡(luò)的特性本身隨頻率變化。 l噪聲系數(shù)在寬頻帶內(nèi)的變化特性噪聲系數(shù)在寬頻帶內(nèi)的變化特性l影響工作頻帶內(nèi)的噪聲特性影響工作頻帶內(nèi)的噪聲特性 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)3 3、寬帶放大器設(shè)計(jì)的主要方法、寬帶放大器設(shè)計(jì)的主要方法（1 1匹配補(bǔ)償技術(shù)匹配補(bǔ)償技術(shù)（2 2綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)（3 3平衡放大器技術(shù)平衡

13、放大器技術(shù)（4 4負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù) u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 匹配補(bǔ)償設(shè)計(jì)技術(shù)匹配補(bǔ)償設(shè)計(jì)技術(shù)基本設(shè)計(jì)思想基本設(shè)計(jì)思想在放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)晶體管增益在放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)晶體管增益隨頻率的變化特點(diǎn)，在輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的隨頻率的變化特點(diǎn)，在輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入適當(dāng)?shù)氖湟话闶鞘垢哳l設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入適當(dāng)?shù)氖湟话闶鞘垢哳l端盡可能匹配，低頻端適當(dāng)失配），使放大器端盡可能匹配，低頻端適當(dāng)失配），使放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到增益平衡的目的。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到增益平衡的目的。設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 平衡放大器

14、設(shè)計(jì)平衡放大器設(shè)計(jì) l平衡放大器電原理圖平衡放大器電原理圖 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 平衡放大器的工作原理平衡放大器的工作原理(1) (1) 端口端口1 1的輸入功率通過(guò)的輸入功率通過(guò)3dB3dB輸入定向耦合器，在端口輸入定向耦合器，在端口2 2和和3 3等分輸出，相位相差等分輸出，相位相差900900。在理想情況下，端口。在理想情況下，端口4 4沒(méi)有沒(méi)有功率輸出。功率輸出。(2) (2) 放大器放大器 a a 和和 放大器放大器 b b 分別對(duì)端口分別對(duì)端口2 2和端口和端口3 3的輸出功的輸出功率進(jìn)行放大，由于兩個(gè)放大器的特性是一樣的，因此，率進(jìn)行放大，由于兩個(gè)放大器的

15、特性是一樣的，因此，放大后的信號(hào)仍然是大小相等，相位相差放大后的信號(hào)仍然是大小相等，相位相差900900。 (3) (3) 在輸出在輸出3 3分貝定向耦合器的輸入口，由放大器分貝定向耦合器的輸入口，由放大器b b輸出的輸出的信號(hào)比放大器信號(hào)比放大器a a的輸出信號(hào)滯后的輸出信號(hào)滯后900900，經(jīng)過(guò)輸出定向耦合，經(jīng)過(guò)輸出定向耦合器后，在輸出定向耦合器的端口器后，在輸出定向耦合器的端口2 2，合成信號(hào)的振幅相，合成信號(hào)的振幅相等，相位相差等，相位相差18001800，端口，端口2 2沒(méi)有輸出，而端口沒(méi)有輸出，而端口3 3合成的合成的信號(hào)振幅相等，相位相同，即合成信號(hào)從端口信號(hào)振幅相等，相位相同，

16、即合成信號(hào)從端口3 3輸出。輸出。寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)平衡放大器的優(yōu)點(diǎn)平衡放大器的優(yōu)點(diǎn)l反射系數(shù)反射系數(shù) l如果兩個(gè)放大器特性是完全一致的平衡），則整個(gè)放如果兩個(gè)放大器特性是完全一致的平衡），則整個(gè)放大器是完全匹配的。因此平衡放大器允許各放大器的輸大器是完全匹配的。因此平衡放大器允許各放大器的輸入和輸出口是失配的。入和輸出口是失配的。l增益增益 l在理想情況下，整個(gè)放大器的增益等于單支路放大器的在理想情況下，整個(gè)放大器的增益等于單支路放大器的增益增益 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)平衡放大器的優(yōu)點(diǎn)平衡放大器的優(yōu)點(diǎn)l功率容量功率容量l合成輸出功率能力是單個(gè)放大器

17、的兩倍合成輸出功率能力是單個(gè)放大器的兩倍l可靠性可靠性l即使有一路放大器損壞，仍然可以工作增益將下降即使有一路放大器損壞，仍然可以工作增益將下降6dB）l設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù)對(duì)于寬帶寬達(dá)對(duì)于寬帶寬達(dá)2020倍頻程）、低增益變化的放倍頻程）、低增益變化的放大器，負(fù)反饋是一項(xiàng)非常有效的技術(shù)。負(fù)反饋大器，負(fù)反饋是一項(xiàng)非常有效的技術(shù)。負(fù)反饋技術(shù)唯一的缺點(diǎn)是由于在反饋回路中有電阻，技術(shù)唯一的缺點(diǎn)是由于在反饋回路中有電阻，因此必然使噪聲增加，增益降低。因此必然使噪聲增加，增益降低。 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反

18、饋技術(shù)u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù)反饋放大器的分析反饋放大器的分析反饋放大器的等效電路反饋放大器的等效電路 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù)分析：分析：由圖由圖15.19b15.19b，負(fù)反饋放大器的導(dǎo)納矩陣，負(fù)反饋放大器的導(dǎo)納矩陣 Y Y 為為其中其中 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)分析）負(fù)反饋技術(shù)分析）得出得出S S參數(shù)參數(shù)其中其中 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)分析）負(fù)反饋技術(shù)分析）輸入和輸出口無(wú)反射，輸入和輸出口無(wú)反射，有有即即或或 由此得到由此得到 公式公式 15.

19、19b 表明了兩表明了兩個(gè)反饋電阻個(gè)反饋電阻R1和和R2滿滿足輸入和輸出口無(wú)反射足輸入和輸出口無(wú)反射所必須的條件。所必須的條件。 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)分析）負(fù)反饋技術(shù)分析）l負(fù)反饋放大器的增益負(fù)反饋放大器的增益l適合于并適合于并-串反饋設(shè)計(jì)的三極管的條件串反饋設(shè)計(jì)的三極管的條件lR1的值總是正值即的值總是正值即R10），考慮最壞情況，即），考慮最壞情況，即 R1=0,由公式由公式 15.9b,得到得到(gm)min的值的值 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)分析）負(fù)反饋技術(shù)分析）匹配條件下匹配條件下(gm)min(gm)min的簡(jiǎn)單表達(dá)

20、式：的簡(jiǎn)單表達(dá)式：將式將式15.9c15.9c中的中的R2R2代入式代入式15.2015.20，有，有 由公式由公式 15.19c 15.19c 可以看出，一旦晶體管滿足可以看出，一旦晶體管滿足(gm)min(gm)min情情況，增益況，增益S21S21只與反饋電阻只與反饋電阻R2R2有關(guān)，而與器件的參數(shù)無(wú)有關(guān)，而與器件的參數(shù)無(wú)關(guān)。因此，只要器件是線性工作的，在一個(gè)寬的頻帶內(nèi)關(guān)。因此，只要器件是線性工作的，在一個(gè)寬的頻帶內(nèi)放大器就可以保證增益的平坦性。放大器就可以保證增益的平坦性。 u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)分析）負(fù)反饋技術(shù)分析）獲得最小輸入和輸出駐波比的條件獲得

21、最小輸入和輸出駐波比的條件設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例u 寬帶放大器寬帶放大器BBABBA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 負(fù)反饋技術(shù)高頻情況）負(fù)反饋技術(shù)高頻情況）l隨著工作頻率的增加，隨著工作頻率的增加，S21S21的相位將趨向于的相位將趨向于900900，也就是說(shuō)可能出現(xiàn)正反饋的成分，由此引起放也就是說(shuō)可能出現(xiàn)正反饋的成分，由此引起放大器的不穩(wěn)定，為了保證放大器的穩(wěn)定性，可大器的不穩(wěn)定，為了保證放大器的穩(wěn)定性，可以在并聯(lián)反饋元件上附加一個(gè)串聯(lián)電感，以改以在并聯(lián)反饋元件上附加一個(gè)串聯(lián)電感，以改變反饋分量的相位。變反饋分量的相位。 u 多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì) u 多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì) 最大增

22、益多級(jí)放大器設(shè)計(jì)最大增益多級(jí)放大器設(shè)計(jì) l設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)l獲得最大的級(jí)連增益，也就是說(shuō)應(yīng)該使放大器的各級(jí)都獲得最大的級(jí)連增益，也就是說(shuō)應(yīng)該使放大器的各級(jí)都工作于最大增益條件下。工作于最大增益條件下。l l設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理 l所有端口輸入和輸出都應(yīng)該共軛匹配。所有端口輸入和輸出都應(yīng)該共軛匹配。u 多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)多級(jí)小信號(hào)放大器設(shè)計(jì) 多級(jí)低噪聲放大器設(shè)計(jì)多級(jí)低噪聲放大器設(shè)計(jì)l設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)l在滿足最低噪聲的基礎(chǔ)上達(dá)到最大的帶內(nèi)增益在滿足最低噪聲的基礎(chǔ)上達(dá)到最大的帶內(nèi)增益l設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理l第一級(jí)采用最低噪聲設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益足夠時(shí)，后第一級(jí)采用最低噪聲設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益足夠時(shí)，后續(xù)各

23、級(jí)可采用盡可能提高增益的方法。續(xù)各級(jí)可采用盡可能提高增益的方法。l留意！留意！l在多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)中，一定要注意版圖的布局，防止在多級(jí)放大器的設(shè)計(jì)中，一定要注意版圖的布局，防止前后級(jí)之間的串?dāng)_與耦合。前后級(jí)之間的串?dāng)_與耦合。u 大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)l大信號(hào)放大器和小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的不同之處大信號(hào)放大器和小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的不同之處l設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)：l 采用大信號(hào)采用大信號(hào) S S 參數(shù)。參數(shù)。l工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：l 大部分為非線性狀態(tài)。大部分為非線性狀態(tài)。 l分析方法：分析方法：l 非線性分析方法非線性分析方法 u 大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)l大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器

24、設(shè)計(jì)的基本考慮的基本考慮l穩(wěn)定性穩(wěn)定性l功率電平功率電平 l增益增益 ( (線性和非線線性和非線性性) ) l效率效率 l線性特性線性特性 ( (諧波特諧波特性性) )交調(diào)交調(diào)散熱問(wèn)題散熱問(wèn)題動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍電磁兼容設(shè)計(jì)電磁兼容設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)u 大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)l大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法大信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法l修正修正 S-參數(shù)法參數(shù)法 l采用小信號(hào)放大器的采用小信號(hào)放大器的S參數(shù)模型，但參數(shù)模型，但S21用大用大信號(hào)下的新參數(shù)代替信號(hào)下的新參數(shù)代替u 大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)源和負(fù)載反射系數(shù)法源和負(fù)載反射系數(shù)法依據(jù)生產(chǎn)廠商提供的在一分貝壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的源依據(jù)生產(chǎn)廠商

25、提供的在一分貝壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的源反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)和輸出功率參量進(jìn)行反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)和輸出功率參量進(jìn)行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)u 大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)l大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的基本概念大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)的基本概念l 1-dB 壓縮點(diǎn)壓縮點(diǎn): l一分貝壓縮點(diǎn)定義為在一分貝壓縮點(diǎn)定義為在POUTPIN曲線上，曲線上，功率增益相對(duì)于小信號(hào)增益值減小一分貝的點(diǎn)。功率增益相對(duì)于小信號(hào)增益值減小一分貝的點(diǎn)。它表征了放大器的非線性特性。即它表征了放大器的非線性特性。即 u 功率放大器的最小信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍功率放大器的最小信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍l最小信號(hào)電平最小信號(hào)電平 l放大器的最小輸入可檢測(cè)信號(hào)功率放大器的最小輸

26、入可檢測(cè)信號(hào)功率Pi,mdsPi,mds所對(duì)應(yīng)的輸所對(duì)應(yīng)的輸出功率出功率Po,mdsPo,mds，必須大于放大器的輸出噪聲功率。，必須大于放大器的輸出噪聲功率。l Po,mdsPo,mds定義為高于輸出噪聲功率電平定義為高于輸出噪聲功率電平 x x 分貝。分貝。 l或或u功率放大器的最小信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍功率放大器的最小信號(hào)電平和動(dòng)態(tài)范圍l功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍l功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍定義為放大器的線性最功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍定義為放大器的線性最大輸出功率大輸出功率P1dBP1dBdBdB和最小可檢測(cè)輸出功率和最小可檢測(cè)輸出功率P0,mdsP0,mdsdBdB之差，即之差，即 o

27、例u 交調(diào)的概念交調(diào)的概念u定義定義 u當(dāng)非線性網(wǎng)絡(luò)的輸入端輸入兩個(gè)以上不同頻率的當(dāng)非線性網(wǎng)絡(luò)的輸入端輸入兩個(gè)以上不同頻率的正弦波信號(hào)時(shí)，如果在輸出端得到了多余頻率的正弦波信號(hào)時(shí)，如果在輸出端得到了多余頻率的輸出信號(hào)，則可以說(shuō)由于網(wǎng)絡(luò)的非線性，使信號(hào)輸出信號(hào)，則可以說(shuō)由于網(wǎng)絡(luò)的非線性，使信號(hào)產(chǎn)生了交調(diào)。產(chǎn)生了交調(diào)。u u 大信號(hào)放大器的交調(diào)現(xiàn)象大信號(hào)放大器的交調(diào)現(xiàn)象 考慮在放大器輸入端的兩個(gè)歸一振幅為考慮在放大器輸入端的兩個(gè)歸一振幅為1 1，不同頻率的，不同頻率的正弦信號(hào)，即正弦信號(hào)，即 在非線性放大器的輸出端，有在非線性放大器的輸出端，有即，輸出信號(hào)即，輸出信號(hào)V0(t)V0(t)不僅有原來(lái)

28、輸入信號(hào)的頻率分量不僅有原來(lái)輸入信號(hào)的頻率分量f1f1和和f2f2，同時(shí)也包含這兩個(gè)信號(hào)頻率的交調(diào)分量。，同時(shí)也包含這兩個(gè)信號(hào)頻率的交調(diào)分量。u 非線性放大器的輸出頻譜非線性放大器的輸出頻譜u 交調(diào)的分類(lèi)交調(diào)的分類(lèi) a) a) 二次諧波二次諧波: 2f1, 2f2: 2f1, 2f2b) b) 三次諧波三次諧波: 3f1, 3f2: 3f1, 3f2c) c) 高階諧波高階諧波: nf1, nf2 n3: nf1, nf2 n3d) d) 二階交調(diào)二階交調(diào): f1: f1f2f2e) e) 三階交調(diào)三階交調(diào): 2f1: 2f1f2, 2f2f2, 2f2f1f1u 交調(diào)對(duì)接收系統(tǒng)的影響分析u對(duì)

29、于窄帶功率放大器，除了三階交調(diào)項(xiàng)即對(duì)于窄帶功率放大器，除了三階交調(diào)項(xiàng)即2f1-f22f1-f2和和2f2-f12f2-f1外，所有附加的頻率分量都外，所有附加的頻率分量都可以通過(guò)濾波器被濾除掉?？梢酝ㄟ^(guò)濾波器被濾除掉。u由于三階交調(diào)項(xiàng)落在放大器的工作帶寬之內(nèi)，由于三階交調(diào)項(xiàng)落在放大器的工作帶寬之內(nèi)，無(wú)法通過(guò)濾波去除。因此三階交調(diào)是衡量信號(hào)無(wú)法通過(guò)濾波去除。因此三階交調(diào)是衡量信號(hào)通過(guò)放大器失真程度的重要指標(biāo)。通過(guò)放大器失真程度的重要指標(biāo)。 u 三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍 u 三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍三階交調(diào)與放大器動(dòng)態(tài)范圍 o由于三階交調(diào)點(diǎn)比二階交調(diào)低。因此三階交由于三階交

30、調(diào)點(diǎn)比二階交調(diào)低。因此三階交調(diào)點(diǎn)決定了放大器動(dòng)態(tài)范圍或帶寬的上限。調(diào)點(diǎn)決定了放大器動(dòng)態(tài)范圍或帶寬的上限。o u 三階交調(diào)點(diǎn)三階交調(diào)點(diǎn)(TOI)(TOI)與放大器的動(dòng)態(tài)范圍與放大器的動(dòng)態(tài)范圍 u 三階交調(diào)點(diǎn)三階交調(diào)點(diǎn)(TOI)(TOI)與放大器的動(dòng)態(tài)范圍與放大器的動(dòng)態(tài)范圍三階交調(diào)點(diǎn)的功率三階交調(diào)點(diǎn)的功率 偽自由動(dòng)態(tài)范圍偽自由動(dòng)態(tài)范圍DRf)DRf)DRfDRf是使是使PIPPIP為零時(shí)，為零時(shí)，P0,mdsP0,mds與與Pf1Pf1的差值?？梢宰C明當(dāng)?shù)牟钪怠？梢宰C明當(dāng)P2f1-f2P2f1-f2等于等于P0,mdsP0,mds時(shí)，有時(shí)，有 例例u 三階交調(diào)功率的測(cè)量三階交調(diào)功率的測(cè)量 雙頻測(cè)試

31、技術(shù)雙頻測(cè)試技術(shù) 在放大器輸入端輸入兩個(gè)頻率相近、功率相等在放大器輸入端輸入兩個(gè)頻率相近、功率相等的信號(hào)。放大器的輸出端接頻譜儀，在頻譜儀的信號(hào)。放大器的輸出端接頻譜儀，在頻譜儀上直接讀出主輸出功率上直接讀出主輸出功率Pf1 dBmPf1 dBm和三階交調(diào)和三階交調(diào)輸出功率輸出功率(P2f1-f2 dBm)(P2f1-f2 dBm)，那么，那么 PIP(dBm)PIP(dBm)可以可以得到得到其中其中u 大信號(hào)條件下的源反射系數(shù)大信號(hào)條件下的源反射系數(shù)spsp和和負(fù)載反射系數(shù)負(fù)載反射系數(shù)LpLpu定義定義u晶體管的大信號(hào)源反射系數(shù)晶體管的大信號(hào)源反射系數(shù)sp sp 是指在大信號(hào)是指在大信號(hào)條件

32、下，晶體管輸入端的反射系數(shù)。條件下，晶體管輸入端的反射系數(shù)。u晶體管的大信號(hào)負(fù)載反射系數(shù)晶體管的大信號(hào)負(fù)載反射系數(shù)Lp Lp 是指在大信是指在大信號(hào)條件下，晶體管輸出端的反射系數(shù)。號(hào)條件下，晶體管輸出端的反射系數(shù)。 u 大信號(hào)源反射系數(shù)和大信號(hào)源反射系數(shù)和 負(fù)載反射系數(shù)的測(cè)量負(fù)載反射系數(shù)的測(cè)量 u 等功率線等功率線l根據(jù)測(cè)量出根據(jù)測(cè)量出SP SP 和和LPLP后后, , 我們可以得出一套我們可以得出一套大信號(hào)下的反射系數(shù)數(shù)大信號(hào)下的反射系數(shù)數(shù)據(jù)，由此可以根據(jù)相同據(jù)，由此可以根據(jù)相同的輸出功率，繪出在的輸出功率，繪出在LPLP平面上反射系數(shù)的平面上反射系數(shù)的變化曲線，以作為大信變化曲線，以作為大

33、信號(hào)設(shè)計(jì)的參考號(hào)設(shè)計(jì)的參考 u A A類(lèi)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)類(lèi)大信號(hào)放大器設(shè)計(jì)修正修正S S參數(shù)法參數(shù)法 l對(duì)于在大信號(hào)情況下工作的對(duì)于在大信號(hào)情況下工作的A A類(lèi)放大器，除了類(lèi)放大器，除了S21S21外，所有其它小信號(hào)外，所有其它小信號(hào)S S參數(shù)都可以作為設(shè)計(jì)參數(shù)都可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。而依據(jù)。而S21S21則會(huì)隨功率電平和頻率的增加而減則會(huì)隨功率電平和頻率的增加而減小，如果我們知道大信號(hào)時(shí)的小，如果我們知道大信號(hào)時(shí)的S21S21，我們就可以，我們就可以直接采用小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法，來(lái)設(shè)計(jì)直接采用小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法，來(lái)設(shè)計(jì)A A類(lèi)類(lèi)大信號(hào)放大器。大信號(hào)放大器。l例例 u 大信號(hào)功率放大器設(shè)計(jì)2

34、 源和負(fù)載反射系數(shù)法l設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟: :l1. 1. 對(duì)于給出的輸出功率電平，在對(duì)于給出的輸出功率電平，在 Smith Smith 圓圖上繪出圓圖上繪出相應(yīng)的等功率曲線。相應(yīng)的等功率曲線。l2. 2. 在曲線上，選擇在曲線上，選擇 L=LP L=LP 的適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。的適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。l3. 3. 基于基于LpLp，計(jì)算，計(jì)算InIn。l4. 4. 對(duì)于最大增益設(shè)計(jì)對(duì)于最大增益設(shè)計(jì)sp=sp=* *ININ。l5. 5. 由由spsp和和LPLP，計(jì)算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)l例例u AB AB、B B、和、和 C C 類(lèi)放大器設(shè)計(jì)類(lèi)放大器設(shè)計(jì) l 設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則l小信號(hào)的小信號(hào)的S參數(shù)不能使用，必須采用大信號(hào)參數(shù)不能使用，必須采用大信號(hào)S參數(shù)作為參數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)計(jì)的依據(jù)。l器件生產(chǎn)廠商常常會(huì)提供另一套設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如器件生產(chǎn)廠商常常會(huì)提供另一套設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如sp, Lp