第9章射頻放大器無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計[文光俊]

1、1第9章 射頻放大器教學教學重點重點本章重點介紹了射頻放大器的相關(guān)基礎(chǔ)理論；介紹了射頻本章重點介紹了射頻放大器的相關(guān)基礎(chǔ)理論；介紹了射頻放大器的放大器的DC偏置電路、阻抗匹配、穩(wěn)定電路的功能、基偏置電路、阻抗匹配、穩(wěn)定電路的功能、基本拓撲類型及相應的特點；介紹了低噪聲放大器、功率放本拓撲類型及相應的特點；介紹了低噪聲放大器、功率放大器的各種電路拓撲與特點、設(shè)計要點、設(shè)計步驟和設(shè)計大器的各種電路拓撲與特點、設(shè)計要點、設(shè)計步驟和設(shè)計實例，以及功放的線性化技術(shù)、效率增強技術(shù)。實例，以及功放的線性化技術(shù)、效率增強技術(shù)。 教學教學重點重點教學教學重點重點掌握：低噪聲放大器、功率放大器的設(shè)計要點和步驟。掌

2、握：低噪聲放大器、功率放大器的設(shè)計要點和步驟。了解：射頻放大器的了解：射頻放大器的DC偏置電路、阻抗匹配、穩(wěn)定電路偏置電路、阻抗匹配、穩(wěn)定電路 的功能、基本拓撲類型及相應的特點。的功能、基本拓撲類型及相應的特點。熟悉：射頻放大器的穩(wěn)定性、增益、噪聲、輸出功率的相熟悉：射頻放大器的穩(wěn)定性、增益、噪聲、輸出功率的相 關(guān)基礎(chǔ)理論。關(guān)基礎(chǔ)理論。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 射頻放大器的相關(guān)理論v第二節(jié) 射頻放大器偏置電路v第三節(jié) 低噪聲放大器設(shè)計v第四節(jié) 功率放大器設(shè)計 3知識結(jié)構(gòu)射射頻頻放放大大器器射頻放大器的相關(guān)理論射頻放大器的相關(guān)理論放大器的噪聲系數(shù)圓放大器的噪聲系數(shù)圓場效應晶體管偏置網(wǎng)

3、絡(luò)場效應晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)射頻放大器的功率增益射頻放大器的功率增益雙極型晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)雙極型晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)低噪聲放大器簡介低噪聲放大器簡介低噪聲放大器主要技術(shù)指標低噪聲放大器主要技術(shù)指標放大器的穩(wěn)定性放大器的穩(wěn)定性低噪聲放大器基本電路低噪聲放大器基本電路射頻放大器偏置電路射頻放大器偏置電路低噪聲放大器設(shè)計低噪聲放大器設(shè)計功率放大器設(shè)計功率放大器設(shè)計常見的常見的LNA電路配置電路配置低噪聲放大器設(shè)計步驟低噪聲放大器設(shè)計步驟低噪聲放大器設(shè)計舉例低噪聲放大器設(shè)計舉例功率放大器簡介功率放大器簡介功放的工作類型功放的工作類型功率放大器的主要性能指標功率放大器的主要性能指標功率放大器的設(shè)計步驟功率放大器的設(shè)計

4、步驟功率放大器設(shè)計舉例功率放大器設(shè)計舉例功率合成技術(shù)功率合成技術(shù)功率放大器線性化技術(shù)功率放大器線性化技術(shù)功率放大器的效率增強技術(shù)功率放大器的效率增強技術(shù)49.1 射頻放大器的相關(guān)理論in19.1.1 放大器的穩(wěn)定性輸入反射系數(shù)：1221Lin1122L1S SSs1221Lout2211L1S SSS輸出反射系數(shù)：兩類穩(wěn)定性：in1out1out1 (1) 絕對穩(wěn)定：無論晶體管放大器接什么樣的無源負載阻抗和源阻抗，均有 和 。 (2) 條件穩(wěn)定：不是所有的無源負載阻抗和源阻抗，均使晶體管放大器的 和 。59.1 射頻放大器的相關(guān)理論1、穩(wěn)定性判定圓放大器穩(wěn)定性邊界條件：1221L11Lin11

5、22L22L111S SSSSS 22S1221Lout2211L11S111SS SSSS 其中： 。11221221S SS S 輸出穩(wěn)定圓輸出穩(wěn)定圓輸入穩(wěn)定圓輸入穩(wěn)定圓（1）對于輸出穩(wěn)定性判定圓輸出穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)輸出穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)69.1 射頻放大器的相關(guān)理論（2）對于輸入穩(wěn)定性判定圓輸入穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)輸入穩(wěn)定區(qū)與非穩(wěn)定區(qū)2、絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定條件：ininr1Coutoutr1C111SoutS 時， 與 平面上的絕對穩(wěn)定條件79.1 射頻放大器的相關(guān)理論用穩(wěn)定因子k描述絕對穩(wěn)定條件：將輸入穩(wěn)定圓的圓心和半徑的表達式：*1122ininin2211()RISSCCjCS 1221i

6、n2222-S SrS代入穩(wěn)定條件：ininr1C可得：*1122122122111SSS SS 整理得： 222222221122111221140SSSS S 上式大括號中的表達式必須大于0，故可得：22211221221112SSkSS 89.1 射頻放大器的相關(guān)理論3、放大器的穩(wěn)定措施（1）電阻性加載 電阻性加載是場效應晶體管或雙極型晶體管的一種常用穩(wěn)定措施，這種方法即為在有源器件的不穩(wěn)定端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。（2）并聯(lián)反饋 通過在晶體管的輸出端到輸入端之間添加一個電阻器，引入負反饋，能很好地改善晶體管的穩(wěn)定性。 串聯(lián)反饋要求在器件的公共端接入一個電阻器或者電感器。 （3）串聯(lián)

7、反饋用串聯(lián)或并聯(lián)的電阻穩(wěn)定措施用串聯(lián)或并聯(lián)的電阻穩(wěn)定措施放大器的反饋型穩(wěn)定措施放大器的反饋型穩(wěn)定措施99.1 射頻放大器的相關(guān)理論9.1.2 射頻放大器的功率增益1、 放大器功率增益定義單級放大器網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸圖單級放大器網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸圖源反射系數(shù)：S0SS0ZZZZ 負載反射系數(shù)：L0LL0ZZZZ 平均輸入功率：2222122SS1ininin2000Sin1112281VVVPZZZ 109.1 射頻放大器的相關(guān)理論傳送到負載的平均功率：22222222221L21SL221S2LL222000022L22LSin11112228111SSVVVVPZZZZSS 傳送到負載的最大功率：*

8、outL222221SoutSL,maxL22*022outSin11811SVPPZS （1）功率轉(zhuǎn)換增益定義：負載吸收功率和信號源資用功率之比。 222S21LLT22ASin22L(1)(1)11SPGPS 119.1 射頻放大器的相關(guān)理論（2）資用功率增益和工作功率增益 資用功率增益：*Lout22L,max21SAT22A11Sout(1)1(1)PSGGPS 工作功率增益：22L21LP22inin22L(1(1)1SPGPS 129.1 射頻放大器的相關(guān)理論 2、放大器的功率增益特性 （1）單向化設(shè)計法單向化功率轉(zhuǎn)換增益的原理圖單向化功率轉(zhuǎn)換增益的原理圖 單向化功率轉(zhuǎn)換增益：22

9、2SLTU21211SL221111GSSS 139.1 射頻放大器的相關(guān)理論（2）最大增益設(shè)計12S 實際的放大器電路設(shè)計中，當 大到不能忽略時，采用單向化設(shè)計法導致的誤差不能容忍，此時應采用雙共軛匹配法做放大器的最大增益設(shè)計。 輸入端口反射系數(shù)：1221LS1122L1S SSS 輸出端口反射系數(shù)：1221SL2211S1S SSS 由（1）和（2）可得： （1） （2）22111S142BBCC 22222L242BBCC 149.1 射頻放大器的相關(guān)理論 其中：222111221BSS 222222111BSS 11122CSS22211CSS最大增益與穩(wěn)定因子k的關(guān)系為：212Tma

10、x121SGkkS 當k=1時可以得到有用的數(shù)值，它通常別稱為最大穩(wěn)定增益，表達式為:21msg12SGS159.1 射頻放大器的相關(guān)理論 3、等增益圓 考慮了晶體管反饋效應的實際放大器設(shè)計中，根據(jù)工作功率增益和資用功率增益的定義可以推導出相應的等增益圓形式。 1、工作功率增益圓 在晶體管輸入阻抗和源阻抗共軛匹配的條件下，可以將工作功率增益的表達式改寫成如下形式：2222L21L212PP212222112Lin22L1122L22L1111111SSGgSS SSSSS Pg其中 為比例系數(shù)：22LLPP2222122L11L2112L1122L22L111111GgSSSS SSSS 16

11、9.1 射頻放大器的相關(guān)理論L將上式改寫為負載反射系數(shù) 的圓方程形式，即：LPPCr 其中圓心坐標： P2211P22P221gSSCgS 圓半徑：22P122101221P22P22121kgS SgS SrgS 式中k為Rollett穩(wěn)定因子。179.1 射頻放大器的相關(guān)理論 2、資用功率增益圓資用功率增益圓方程為：SAACr 其中圓心坐標：A1122A22A111gSSCgS 圓半徑：22A2112a1221A22A11121kgS SgS SrgS Ag比例系數(shù) 由下式確定：2SAA22212112S2211S11S1111GgSS SSSS AG其中 是要求的資用功率增益。 189.

12、1 射頻放大器的相關(guān)理論 9.1.3 放大器的噪聲系數(shù)圓等噪聲系數(shù)圓方程：2optoptS111N NNN 圓心： optF1CN半徑： 2optF11N NrN FoptC minFFoptFCFr從圓方程可以看出：當 時， 得到最小噪聲系數(shù)，等噪聲系數(shù)圓約簡化成一點；所有等噪聲系數(shù)圓的圓心都落在原點與 的連線上；噪聲系數(shù)越大，則圓心 距離原點越近而且半徑 越大。199.2 射頻放大器偏置電路 9.2.1 雙極型晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò) 對于射頻雙極型晶體管的偏置電路，常見的有固定基流偏置電路和基極分壓射極偏置電路兩種，它們的拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示：雙極型晶體管的無源偏置電路雙極型晶體管的無源偏置電路20

13、9.2 射頻放大器偏置電路CC10 VVCE5 VVC10 mAI BE0.7 VV100CBO0I參照上圖所示的無源偏置電路，為雙極型晶體管設(shè)計偏置。已知晶體管的工作狀態(tài)為 ， ， 。假定晶體管的電流放大系數(shù) ， 且 。解：偏置電路的直流通路可簡化成：簡化電路簡化電路固定基流偏置電路中，基極電流為：3CB10 100.1 mA100IICCCE1B549.5 110.1VVRICEBE23B4.343 k0.1 10VVRIXBEXBE33BC1.5=15 k0.1 10VVVVRIIX2.2 VV 假定 ，則： XV1RXIBI為了保證中間電位 為近似固定值，流過電阻 的電流 的值至少為

14、的10倍，則：CCX1XB7.878 k10VVRIIX23XB2.22.44 k0.9 10VRIICCCE43C5200 10 10VVRI219.2 射頻放大器偏置電路 9.2.2 場效應晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò) 場效應晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)和雙極型晶體管偏置網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)基本相同。由于場效應管的偏置條件許多時候需要負的柵極電壓，通常采用雙電源供電。 場效應晶體管的雙極性無源偏置網(wǎng)絡(luò)場效應晶體管的雙極性無源偏置網(wǎng)絡(luò)傳輸線偏置傳輸線偏置229.3 低噪聲放大器設(shè)計 9.3.1 低噪聲放大器簡介低噪聲放大器（low-noise 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

15、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。 9.3.2 低噪聲放大器的主要技術(shù)指標 1、工作頻率TfTf放大器能夠工作的頻率取決于晶體管的特征頻率 ，常選擇 是工作頻率的510倍。 2、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1dB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(guān)，是低噪聲放大器最為重要的指標。239.3 低噪聲放大器設(shè)計 3、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

16、此，低噪聲放大器的增益應當適中，一般在25dB以下。 4、輸入/輸出阻抗匹配輸出匹配通常采用共軛匹配方式，以實現(xiàn)最大功率傳輸。輸入匹配電路一般有兩種，一為實現(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軛匹配。5、線性度低噪聲放大器的線性范圍主要由三階互調(diào)截點輸入功率IIP3或輸出功率OIP3和1dB壓縮點的輸入或輸出功率來衡量。 6、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。 249.3 低噪聲放大器設(shè)計 9.3.3 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

17、和控制保護電路三部分。 1、直流（電壓/電流）偏置電路偏置電路的作用就是給放大器提供需要的直流電壓或電流，它通常有固定基極、基極分壓、傳輸線和有源偏置等形式。 2、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(luò)。 3、控制和保護電路控制電路通常由開關(guān)、衰減器、移相器和限幅器等器件構(gòu)成，它的主要作用是提高放大器線性度和控制增益。 放大器電路結(jié)構(gòu)框圖放大器電路結(jié)構(gòu)框圖259.3 低噪聲放大器設(shè)計 9.3.4 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

18、，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。 FET和和BJT的基本電路配置的基本電路配置 269.3 低噪聲放大器設(shè)計 9.3.5 低噪聲放大器的設(shè)計步驟1、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。 2、確定LNA電路拓撲。 3、確定放大器的直流工作點和設(shè)計偏置電路。 4、確定最小噪聲輸入阻抗。 5、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(luò) 設(shè)計。 6、確定放大器輸出阻抗。 7、將放大器輸出阻抗匹配到負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 8、低噪放性能仿真和優(yōu)化。 9、電路制作和性能調(diào)試。 10、性能的測量和標定。 279

19、.3 低噪聲放大器設(shè)計 9.3.6 低噪聲放大器設(shè)計舉例 1、LNA設(shè)計的性能指標低噪聲放大器預期性能指標低噪聲放大器預期性能指標 2、晶體管的選擇本例選用的晶體管為英飛凌公司的BFP405_BJT，這種晶體管適合用來設(shè)計小信號放大器。單管在2.02.3GHz處的最小噪聲系數(shù)大于1.5dB，能達到的最大資用增益為17dB。3、LNA電路方案的確定根據(jù)設(shè)計的性能指標，LNA的電路方案為兩級放大，為簡便起見，前后兩級采用對稱結(jié)構(gòu)。晶體管的工作點選在負載線的中點，使放大器工作在A類。289.3 低噪聲放大器設(shè)計4、偏置電路設(shè)計本例的低噪聲放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端射頻

20、短路的四分之一波長傳輸線。 5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計為了節(jié)省元件，并使放大器的性能穩(wěn)定且布局合理，設(shè)計的低噪聲放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線匹配法。 偏置電路偏置電路單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)單節(jié)短截線匹配網(wǎng)絡(luò)299.3 低噪聲放大器設(shè)計6原理圖仿真及優(yōu)化低噪聲放大器的偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計好以后，便可形成一個完整的低噪放原理圖，如圖所示。仿真和優(yōu)化整個低噪聲放大器的性能，直到滿足要求為止。低噪聲放大器原理圖低噪聲放大器原理圖309.3 低噪聲放大器設(shè)計7、生成版圖并焊裝元件當原理圖仿真達到預期的性能指標后，生成版圖。 8、測試結(jié)果測試實際電路的性能，得到放大器的S參數(shù)和噪聲系數(shù)。 低噪聲

21、放大器版圖低噪聲放大器版圖低噪聲放大器實物圖低噪聲放大器實物圖S參數(shù)測量結(jié)果參數(shù)測量結(jié)果噪聲系數(shù)測量結(jié)果噪聲系數(shù)測量結(jié)果319.4 功率放大器設(shè)計9.4.1 功率放大器簡介 功率放大器位于發(fā)射機的末級，它將已調(diào)制的頻帶信號放大到所需要的功率值，再送到天線中進行發(fā)射，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機可以收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。9.4.2 功放的工作類型 在小信號條件下A類工作是線性的，而大信號時A類工作會導致某些輸出信號出現(xiàn)非線性失真。在B類狀態(tài)下，晶體管在輸入信號的半個周期內(nèi)導通。C類工作的晶體管，一般情況處于截止狀態(tài)，除非基極和發(fā)射極之間的交流信號將其導通?；净綛類互補放大

22、器類互補放大器基本基本AB類互補放大器類互補放大器基本基本C類放大器類放大器329.4 功率放大器設(shè)計9.4.3 功率放大器的主要性能指標1、工作頻率 隨著頻率的上升，不僅放大器的增益會降低，而且輸出功率也會減小。 2、輸出功率 輸出功率是功放最為重要的性能指標之一，通常用飽和輸出功率的大小來衡量。 3、效率C 功放效率有集電極效率 和功率增加效率PAE兩種定義方式，它們的表達式為： outCdcPPputinPAECdcP1(1)PPPAEPG339.4 功率放大器設(shè)計4、功率增益 功率增益的定義為輸出功率與輸入功率之比。 5、線性度在大信號工作條件下，功率放大器的非線性效應較為明顯，導致所

23、放大的信號失真。 9.4.4 功率放大器的設(shè)計步驟1、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。 2、確定功率放大器的電路拓撲。 3、確定放大器的直流工作點和設(shè)計偏置電路。 4、確定最大功率輸出阻抗。 5、將最大功率輸出阻抗匹配到負載阻抗，即輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 6、 確定放大器輸入阻抗。 349.4 功率放大器設(shè)計 7、將放大器輸入阻抗匹配到源阻抗，即輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。 8、功放性能仿真和優(yōu)化。 9、電路制作和性能調(diào)試。 10、性能的測量和標定。 9.4.5 功率放大器的設(shè)計舉例1、PA設(shè)計的性能指標功率放大器預期性能指標功率放大器預期性能指標2、功放管的選擇 本例選用的

24、晶體管為安捷倫公司的ATF54143_PHEMT。單管在1.82.5GHz處能達到的最大資用增益大于18dB，而1dB壓縮輸出功率點高于22.5dBm。359.4 功率放大器設(shè)計3、PA電路方案的確定使第一級工作在A類，第二級工作在AB類，這樣可以使功放具有較好的線性度和較高的效率。第一級采用最大增益匹配，第二級輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，級間共軛匹配。4、直流偏置電路設(shè)計 本例所用功率放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼流圈換為一端開路的四分之一波長傳輸線。 功率放大器偏置電路功率放大器偏置電路 功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)均采用單節(jié)短截線匹配法。匹配順序為從后級向前級匹配。第二級的輸出匹配

25、網(wǎng)絡(luò)采用功率匹配，第一級采用最大增益匹配。5、阻抗匹配/轉(zhuǎn)換電路設(shè)計369.4 功率放大器設(shè)計6、功放原理圖仿真及優(yōu)化功率放大器的偏置電路和輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計好以后，便可形成一個完整的功放原理圖，如圖所示： 功率放大器原理圖功率放大器原理圖379.4 功率放大器設(shè)計7、生成版圖并焊裝元件功率放大器版圖功率放大器版圖功率放大器實物圖功率放大器實物圖8、測試結(jié)果 功率放大器的小信號功率放大器的小信號S參數(shù)測量結(jié)果參數(shù)測量結(jié)果功率放大器的功率放大器的1dB壓縮點和壓縮點和3階交調(diào)階交調(diào)截點截點389.4 功率放大器設(shè)計9.4.6 功率合成技術(shù) 利用混合分配器和混合合成器，將輸入功率等分到幾個放大器,并且又將每個放大器的輸出功率合成。一個放大器不工作了不會影響整個功放單元，整個單元將繼續(xù)工作，僅僅輸出功率下降。 混合分配器混合分配器/合成器方法合成器方法 399.4 功率放大器設(shè)計9.4.7 功率放大器的線性化技術(shù) 1、功率回退法 功率回退技術(shù)選用大功率晶體管放大小功率信號，即通過犧牲功放效率獲得功放的高線性度，令功率放大器的輸入功率遠小于1dB壓縮點，使功率放大器遠離飽和壓縮區(qū)，進入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的線性度。 2、前饋法 前饋線