試驗七放大器設(shè)計AmplifierDesign-硬件和射頻工程師

實驗七：放大器設(shè)計（ AmplifierDesign ）*一、實驗目的：了解射頻放大器的基本原理與設(shè)計方法。利用實驗模組實際測量以了解放大器的特性。學會使用微波軟件對射頻放大器的設(shè)計和仿真，并分析結(jié)果。二．預習內(nèi)容：1．熟悉放大器原理等理論知識。2．熟悉放大器設(shè)計相關(guān)理論知識。三．實驗設(shè)備：項次設(shè)備名稱數(shù)量備注1MOTECHRF2000測量儀1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2放大器模組1組RF2KM7-1A350ΩBNC及1MΩBNC連接線4條CA-1、CA-2、CA-3、CA-44直流電源連接線1條DC-15MICROWAVE軟件1套微波軟件四．理論分析：一個射頻晶體放大順電路可分為三大部分：二端口有源電路、輸入匹配電路及輸出匹配電路，如圖7-1所示。一般而言，二端口有源電路采用共射極（或共源極）三極管（BJT、FET）電路，此外，還包括直流偏壓電路。而輸入匹配電路及輸出匹配電路大多采用無源電路，即利用電容、電感或傳輸線來設(shè)計電路。一般放大器電路，根據(jù)輸入信號功率不同可以分為小信號放大器、低噪聲放大器及功率放大器三類。而小信號放大器依增益參數(shù)及設(shè)計要求，可分成最大增益及固定增益兩類。而就S參數(shù)設(shè)計而言，則可有單向設(shè)計及雙邊設(shè)計兩種。本單元僅就小信號放大器來說明射頻放大器之基本理論及設(shè)計方法。ΓS=ΓIN*ΓL=ΓOUT*輸入二端口輸出匹配電路有源電路匹配電路SGOGLRSΓSΓIN=S’ΓOUT=S’22ΓLRL11S'SS12S21LS22'S22S12S21S11111SL圖7-1放大器電路方框圖1S11S22'S12S21LS11S111SL22（一）單邊放大器設(shè)計（UnilateralAmplifierDesign）所謂單邊設(shè)計即是忽略有源器件S參數(shù)中的S12，即是S12=0。此時可得：ΓIN=S11及ΓOUT=S22則放大器之單邊轉(zhuǎn)換增益(UnilateralTransducerGain,GTU)為：GTUGSGOGL1212S2L其中GSS112GOS21GL121SS22L假若電路又符合下列匹配條件：ΓS=S11* 及 ΓL=S22*則可得到此放大器電路之最大單邊轉(zhuǎn)換增益(MaximumUnilaterlaTransducerGain,GTU,max)：GTU,max1S21212121S11S22（二）雙邊放大器設(shè)計(BilateralAmplifierDseign)雙邊設(shè)計即是考慮有源器件 S參數(shù)中的S12，即是S12≠0。此時可得：'SSS'S22S12S21SS1221L及OUTS221SIN11111SS22L11若利用最大增益匹配法（亦稱共軛阻抗匹配法），則可得ΓS=Γ*及ΓL=Γ*INOUT經(jīng)過推導可利用下列公式計算出最佳輸入反射系數(shù)ΓSm和最佳輸出反射系數(shù)ΓLm：C1B1B124C12C2B2B224C22，LmSm2C1222C2其中B11222S11S22B21222S11S22C1S11S22C2S22S11S11S22S12S21（三）單邊設(shè)計評價因子（UnilateralFigureofMerit,M）在判斷有源元件是否適用單邊設(shè)計時，主要看它的評價因子是否夠小。一般而言，當M值小于0.03或-15dB時即可采用單邊設(shè)計。其計算公式如下：S12S21S11S22M2(12(1S11)S22)最大增益誤差比則為：1 GT 12 2其中GT是有源元件的轉(zhuǎn)換增益(TransducerGain)(122(12)S)S21LGTS)(1S22L)S12S212(1S11SL（四）放大器的穩(wěn)定條件（StabilityCriteria）（1）無條件穩(wěn)定Unconditionallystable）一個良好的放大器設(shè)計電路除考慮增益和輸出入匹配外，還需要考慮放大器在工件頻段中是否為無條件穩(wěn)定，以避免電路產(chǎn)生振蕩。如圖7-2（a）所示:rScLrLcScS||cL|-rL|>1||cS|-rS|>1|S22|<1|S11|<1穩(wěn)定區(qū)域(斜線區(qū))不穩(wěn)定區(qū)域(交叉區(qū))圖7-2(a)無條件穩(wěn)定圓示意圖對于一個放大器電路而言，其有源器件在ΓS=0及ΓL=0情況下，無條件穩(wěn)定的充要條件為K>1

，

|S

11|<1

且

|S

22|<1其中

K稱為穩(wěn)定因子（

stabilityfactor

）2

2

2K

1 S11

S222 S12S21（2）條件穩(wěn)定（Conditionallystable ）當有源器件不符合上述無條件穩(wěn)定的三大規(guī)定時， 即稱為條件穩(wěn)定。在此情況下，在輸入端平面及輸出端平面，必存一些不穩(wěn)定區(qū)域，如圖 7-2（b）所示:cLrLcSrS||cL|-rL|<1||cS|-rS|<1|S22|<1|S11|<1穩(wěn)定區(qū)域(斜線區(qū))圖7-2(b)條件穩(wěn)定圓示意圖而在設(shè)計輸出入匹配電路時，務(wù)必避免使用這些區(qū)域，以免造成放大器電路自激。其對應無條件穩(wěn)定的條件為||cS|-rS|>1，|S11|<1且||cL|-rL|>1，|S22|<1而條件穩(wěn)定則是||cS|-rS|<1，|S11|<1或||cL|-rL|<1，|S22|<1（A）輸出穩(wěn)定圓（LoadStabilityCircle）：LcLrL半徑rLS12S21；圓心cLC22222S22S22（B）輸入穩(wěn)定圓（SourceStabilityCircle）：Scsrs半徑rsS12S21；圓心csC12222S11S11(五)設(shè)計步驟：步驟一：設(shè)定放大器工件頻率(f0)與輸出入阻抗(RS,RL)。一般射頻放大器的輸出入阻抗設(shè)定為 50Ω。步驟二：根據(jù)電源選用晶體三極管，同時設(shè)定三極管的偏壓條件(VCE,IC)，決定出在該條件下的三極管的S參數(shù)(S11,S21,12,S22)，并設(shè)計適用它的偏壓電路。步驟三：將步驟二所獲得的 S參數(shù)代入上述公式計算出下列設(shè)計參數(shù)。穩(wěn)定因子，K單邊設(shè)計評價因子，M最大單邊轉(zhuǎn)換增益，GTU,max輸入穩(wěn)定圓的圓心，CS及半徑，rS輸出穩(wěn)定圓的圓心，CL及半徑，rL最佳輸入反射系數(shù) ΓSm最佳輸出反射系數(shù) ΓLm步驟四：檢查K值是否小于1。若K值大于1，則為無條件穩(wěn)定可進行下一步驟。若小于，則須將輸出入穩(wěn)定圓標示于單位圓的史密斯圓圖上，以便在設(shè)計輸出入匹配電路時，避免使用到不穩(wěn)定區(qū)域（如圖7-2(b)）所示。步驟五：檢查M值是否夠小。（1）若M值接近0.03(-15dB)則適用單邊設(shè)計，可得ΓS=S11* 及 ΓL=S22*最大增益即為GTU,max（2）若M值大于0.03(-15dB)則須用雙邊設(shè)計，可得ΓS=ΓSm 及 ΓL=ΓLm最大增益即為GT,max步驟六：利用步驟五所得ΓS及ΓL設(shè)計輸出入匹配電路五、硬件測量：1、對MOD-7A,MMIC放大器的S11及S21測量以了解MMIC放大電路的特性。對MOD-7B,BJT放大器的S11及S21測量以了解射頻 BJT放大電路的特性。2、準備電腦，測量軟件， RF2000,相關(guān)模組，若干小器件等。3、測量步驟：MOD-7A的P1端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-4；用DC-1連接線將RF-2000后面12VDC輸出端子連接起來；對模組P1端子做S11測量，并將測量結(jié)果記錄于表（9-1）中。MOD-7A的P1及P2端子的S21測量:設(shè)定頻段:BAND-4；對模組P1及P2端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表(9-2)中。⑶MOD-7B的P3端子的S11測量：設(shè)定頻段：BAND-4；對模組P3端子做S11測量，并將測量結(jié)果記錄于表（9-3）中。⑷MOD-7B的P3及P4端子的S21測量：設(shè)定頻段：BAND-4；對模組P3及P4端子做S21測量，并將測量結(jié)果記錄于表（9-4）中。4、實驗記錄表9-1、9-2、9-3、9-4均為以下此表:5、硬件測量的結(jié)果建議如下為合格 :RF2KM7-1AMOD-7A(908-920MHZ)S11≤-8dBS21 ≥+10dBMOD-7B(908-920MHZ)S11 ≤-8dBS21 ≥+10dB6、待測模組方框圖：MMIC放大器和 BJT放大器六、軟件仿真1．進入微波軟件MICROWAVE。2．在原理圖上設(shè)計好相應的電路，設(shè)置好 P1,P2,P3,P4端口，完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)范、器件的加載、仿真圖型等等的設(shè)置。3．最后進行仿真，結(jié)果應接近實際測量所得到的仿真圖形。4．電路圖(推薦以下)，接著是相應的仿真圖。圖7-3(a)放大器電路圖圖7-3（b）模擬結(jié)果七、實例分析：試利用AT41511設(shè)計一900MHz放大器。其中電源為12VDC，輸出入阻抗為50Ω。AT41511的S參表(VCE=8V，IC=25mA，Zo=50Ω，TA=25℃)如下列：FreqencyS11S21S12S22(GHz)Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.Mag.Ang.0.50.49-15312.7980.030500.42-350.60.48-15910.7940.034520.39-350.70.48-1639.3900.037530.38-350.80.47-1678.2870.040550.37-360.90.47-1707.3850.044560.36-371.00.47-1716.6820.047570.37-381.50.441774.9710.065590.40-422.00.411633.4610.083580.42-45設(shè)計結(jié)果：經(jīng)公式計算結(jié)果，有源器件的K值在工件頻率上大于1，為無條件穩(wěn)定。此結(jié)果也可由輸出輸入穩(wěn)定圓來驗證。輸入穩(wěn)定圓的圓心距離大小|cS|=2.675，大于其半徑大小rS=1.644，輸出穩(wěn)定圓的圓心距離大小|cL|=4.123，也大于其半徑大小rL=3.085，故可證得為無條件穩(wěn)定。而計算所得單邊設(shè)計評價因子M=0.08>0.03，所以不可以用單邊設(shè)計，而須采用雙邊設(shè)計。經(jīng)雙邊設(shè)計計算公式，可得：最佳輸入反射系數(shù)ΓSm=0.821⊿172.6oo最佳輸出反射系數(shù) ΓLm=0.787⊿41.2本例中最佳輸入反射系數(shù)和最佳輸出反射系數(shù)經(jīng)匹配 F0，再加入偏壓電路后，可得該放大器電路及模擬結(jié)果。八．mathcad分析:通過mathcad軟件的分析，可以通過已知S參數(shù)，對要設(shè)計的雙邊放大器的性能進行評估，通過求得最佳輸入反射系數(shù)Γsm及最佳輸出反射系數(shù)Γlm,來判定放大