放大器的設計

放大器的設計第1頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

本章介紹各類放大器的設計。設計放大器首先要選擇適當?shù)木w管，在選擇了有特定參量的晶體管后，放大器主要通過設計輸入輸出匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)。第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

本章首先討論放大器的分類和偏置網(wǎng)絡；然后對小信號討論高增益、低噪聲和寬帶放大器；最后討論功率放大器和多級放大器。第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

放大器的工作狀態(tài)和分類8.1放大器的偏置網(wǎng)絡8.2小信號放大器的設計8.3功率放大器的設計8.4多級放大器的設計8.5第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一8.1放大器的工作狀態(tài)和分類

8.1.1基于靜態(tài)工作點的放大器分類 根據(jù)靜態(tài)工作點的不同，放大器可以分為以下4類。第5頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（1）A類放大器（2）B類放大器（3）AB類放大器（4）C類放大器第6頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.1基于靜態(tài)工作點的放大器分類第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.1.2基于信號大小的放大器分類 根據(jù)信號大小的不同，放大器可以分為小信號工作模式和大信號工作模式，分述如下。第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（1）小信號分析法 當輸入交流信號的幅度與恒定偏壓值相比是一個小量級時，器件的工作狀態(tài)近似線性，可以采用小信號分析法。第9頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（2）大信號分析法 當輸入交流信號的幅度很大時，交流信號的工作區(qū)域會超出器件的線性工作區(qū)域，進入非線性工作區(qū)域，引起器件非線性工作，這時用大信號分析法。第10頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

在小信號及大信號這2種不同的工作模式下，放大器的設計方法不同，本章重點討論小信號放大器的設計方法。第11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一8.2放大器的偏置網(wǎng)絡 偏置網(wǎng)絡的設計是直流電路的設計，偏置電路的作用是在特定的工作條件下為放大器提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，以保持放大器工作特性的恒定。第12頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.2.1偏置電路與射頻電路之間的連接 偏置電路是直流的通路，射頻電路是射頻交流信號的通路，偏置電路與射頻電路是一個放大器中不可分割的兩部分，但希望直流的通路與射頻交流信號的通路之間能夠完全隔離，以消除直流與射頻交流信號之間的耦合。第13頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

為此，偏置電路與射頻電路之間的連接可以采取以下3種方案。第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（1）在直流源與射頻電路之間連接一個電感，即通常所說的射頻扼流圈（RFC）。射頻扼流圈可以有效阻塞射頻信號，但對直流可以視為無損耗通路。第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（2）在直流源與射頻電路之間連接一個λ/4的阻抗變換器，阻抗變換器的特性阻抗應很高，可以對射頻信號產(chǎn)生很高的阻抗。第16頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（3）將一個大電容作為負載接于λ/4阻抗變換器的終端，可以有效地短路可能泄露到偏置電路中的射頻信號。大電容在射頻頻率下呈現(xiàn)短路，經(jīng)λ/4阻抗變換器后，相當于開路，從而可以隔斷射頻信號。第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.2.2偏置電路的設計 偏置電路有許多設計方法，這里舉例說明?？疾烊鐖D8.2所示的2種偏置電路，圖中RFC將射頻信號與直流電源隔離開。第18頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.2偏置電路第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

RFC可以更換為λ/4阻抗變換器，這時λ/4阻抗變換器可將大電容CB端口對射頻信號的短路狀態(tài)變換為晶體管端口的開路狀態(tài)。第20頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一8.3小信號放大器的設計 本節(jié)討論多種小信號放大器的射頻電路設計，其中每種放大器都是注重放大器某些方面的特性，如注重增益、噪聲系數(shù)或帶寬等。下面首先給出小信號放大器的設計步驟，然后分別討論各類小信號放大器的設計。第21頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.3.1小信號放大器的設計步驟（1）根據(jù)放大器設計指標的要求，選擇合適的晶體管。第22頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

例如，若設計要求放大器的增益為G，則應選擇在要求的頻率范圍內滿足|S21/S12|>G的晶體管；若設計要求放大器的噪聲系數(shù)為F，則應選擇最小噪聲系數(shù)Fmin<F的晶體管。第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（2）確定晶體管的直流工作點。 對雙極結型晶體管（BJT），將工作點偏置在IC-VCE曲線的中部；對場效應晶體管（FET），將工作點偏置在ID-VDS曲線的中部。第24頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（3）在直流工作點下，測量晶體管的S參量。 如果沒有測量條件，可以參考生產(chǎn)商提供的典型參數(shù)值。第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（4）在工作頻率下，用解析法（k>1，|Δ|<1）檢驗晶體管的穩(wěn)定性。 如果晶體管不是絕對穩(wěn)定，應在史密斯圓圖上畫出輸入和輸出穩(wěn)定判別圓，確定穩(wěn)定區(qū)域。第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（5）考察能否使用單向化設計。 若S12=0，可以使用單向化設計；若S12≠0，計算單向化設計誤差因子U，如果誤差在可允許的范圍內，可以使用單向化設計；若S12≠0，但U表明誤差超出可允許的范圍，使用雙向化設計。第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（6）設計射頻輸入、輸出匹配網(wǎng)絡，以達到下面的設計指標要求。第28頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

●最大增益放大器 ●固定增益放大器 ●最小噪聲放大器 ●低噪聲放大器 ●寬帶放大器第29頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.3示出了小信號放大器的設計步驟。第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.3小信號放大器的設計步驟第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.3.2最大增益放大器的設計 最大增益放大器，需要考慮單向化設計和雙向化設計2種情況。第32頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

無論是單向化設計還是雙向化設計，都要保證信源與晶體管之間以及晶體管與負載之間達到共軛匹配，這導致ΓS和ΓL的取值是唯一的。當?shù)玫溅和ΓL后，可以設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡，并可以得到最大增益的數(shù)值。第33頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.4例8.1用圖第34頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.5例8.2用圖第35頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.3.3固定增益放大器的設計 固定增益是小于最大增益的某一特定值。在許多情況下，設計要求達到固定增益而不是最大增益，以便兼顧放大器的其他指標或滿足放大器增益的設定值。第36頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

固定增益放大器的設計需要考慮單向化設計和雙向化設計2種情況，下面分別給出設計過程。第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

單向化設計需要根據(jù)指標要求分配GS和GL的取值，并根據(jù)GS和GL取值畫出輸入、輸出等增益圓。第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

在輸入等增益圓上任選滿足穩(wěn)定性的ΓS，在輸出等增益圓上任選滿足穩(wěn)定性的ΓL，以此為依據(jù)完成輸入、輸出匹配網(wǎng)絡的設計。此時，滿足增益要求的ΓS和ΓL可有多種選擇，不是唯一的。第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

輸入、輸出等增益圓分別表示為第40頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

晶體管雙向時，可以采用功率增益法設計放大器。這時需要根據(jù)功率增益的值畫出等功率增益圓，在任選等功率增益圓上滿足穩(wěn)定性的一個ΓL后，可以計算出Γin，進而利用ΓS=Γin可以計算出ΓS。第41頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

需要說明的是，當選擇了ΓL后，ΓS唯一確定。由ΓS和ΓL可以設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡。等功率增益圓表示為|ΓL－CgP|=rgP第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.6例8.3用圖第43頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.7例8.4用圖第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.8例8.5用圖第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.9例8.6用圖第46頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.10例8.7用圖第47頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.3.5低噪聲放大器的設計 低噪聲放大器的設計目標是要在輸入端噪聲系數(shù)不超過給定值的前提下，獲得設定的增益。低噪聲放大器的設計需要畫出等噪聲系數(shù)圓。等噪聲系數(shù)圓可以寫為|ΓS－CF|=rF第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.11例8.8用圖第50頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.12例8.9用圖第51頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.3.6寬帶放大器的設計 帶寬為中心工作頻率的10%（或更低）的放大器為窄帶放大器。例如，中心工作頻率為1GHz的窄帶放大器，工作頻率范圍小于950～1050MHz。前面討論的小信號放大器的設計思路和方法適用于窄帶放大器。第52頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

帶寬可以用倍頻程表示，一個倍頻程是任意一個給定頻率f與該頻率的2倍（2f）或二分之一（f/2）之間的頻率區(qū)域。在一個倍頻程以上的寬頻帶范圍內，若放大器具有基本平坦的頻率曲線和基本平坦的功率增益，可以稱為寬帶放大器。第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

例如，可以工作在1～2GHz的放大器可以稱為寬帶放大器。第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

1.寬帶放大器的特性隨頻率而變化 隨著工作帶寬的增加，放大器晶體管參量和匹配網(wǎng)絡的特性將隨頻率的變化而變化，造成放大器設計復雜化。這些變化主要如下。第55頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（1）晶體管參量S21隨頻率的升高而下降，下降可達6dB/倍頻程。晶體管參量S12隨頻率的升高而升高，升高可達6dB/倍頻程。第56頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（2）穩(wěn)定性因子k與|S12S21|有關，所以放大器的穩(wěn)定性取決于|S12S21|隨頻率的變化。（3）放大器的增益與S參量有關，S參量隨頻率的變化會影響增益的平坦性。第57頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（4）放大器的噪聲與S參量有關，S參量隨頻率的變化會影響噪聲系數(shù)。（5）放大器輸入、輸出匹配網(wǎng)絡的特性隨頻率變化。第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

2.寬帶放大器的設計方法 由于寬帶放大器帶來了上述問題，必須對寬帶放大器的設計給予特殊考慮。第59頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

寬帶放大器的設計目標是在工作寬帶內獲得相對平坦的功率增益，而不再是獲得最大功率增益，這是以犧牲功率增益來換取寬頻帶內功率增益的平坦性。寬帶放大器的設計方法是多樣的，可以采取以下4個方法設計。第60頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（1）補償匹配網(wǎng)絡。（2）平衡放大器。（3）負反饋。（4）分布放大器。第61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

3.寬帶放大器的設計舉例（1）補償匹配網(wǎng)絡（2）平衡放大器第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.13例8.10用圖第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.14平衡放大器第64頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一8.4功率放大器的設計 前面只討論了小信號放大器。小信號放大器輸入信號功率足夠小，可以假定晶體管是線性器件，此時放大器的設計是基于小信號的S參量進行的。第65頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

功率放大器是大信號放大器。由于信號幅度比較大，晶體管時常工作于非線性區(qū)域，在這種情況下，小信號S參量本身對大信號放大器通常失效，此時需要求出晶體管大信號時的相應參數(shù)，以便得到放大器的合理設計。第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

功率放大器可以設計為A類放大器、AB類放大器、B類放大器或C類放大器。當工作頻率大于1GHz時，常使用A類功率放大器。下面討論A類功率放大器的設計及交調失真。第67頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.4.1A類放大器的設計

1.大信號下晶體管的特性參數(shù)（1）1dB增益壓縮點 小信號線性功率增益記為G0dB，1dB增益壓縮點相應的增益記為G1dB，即

G1dB=G0dB－1dB（8.20）第68頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.15功率放大器輸入功率與輸出功率的關系第69頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（2）動態(tài)范圍DR

相對于最小輸入可檢信號功率Pin,mds，相應的最小輸出可檢信號功率Pout,mds必須大于噪聲功率方可檢測到。第70頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

為檢測得到輸出信號，假定Pout,mds比輸出熱噪聲PNo高XdB(通常XdB取3dB)。功率放大器的動態(tài)范圍定義為

DR=Pout,1dB－Pout,mdsdB（8.23）第71頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（3）ΓSP和ΓLP ΓSP和ΓLP是晶體管在1dB增益壓縮點時源和負載的反射系數(shù)。第72頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

（4）等功率線 在史密斯圓圖上，作為負載反射系數(shù)ΓLP的函數(shù)的等輸出功率點，構成等功率線。由于晶體管的非線性，等功率線通常不是圓。第73頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

2.A類功率放大器的設計（1）利用小信號S參量設計（2）利用大信號S參量設計（3）利用ΓSP和ΓLP設計（4）利用等功率線設計第74頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖8.16例8.11用圖第75頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

8.4.2.交調失真

1.三階截止點IP

在非線性放大器的輸入端加2個或2個以上頻率的正弦信號時，在輸出端會產(chǎn)生附加頻率分量，這會引起輸出信號的失真。第76頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

由圖8.17可以看出，三階交調輸出功率隨輸入功率變化的斜率為3，線性產(chǎn)物輸出功率隨輸入功率變化的斜率為1，說明當輸入功率增大時，三階交調輸出功率比線性產(chǎn)物輸出功率增長得快。第77頁，共88頁，2023年，2月20日，星期一

圖中延伸三階交調與線性產(chǎn)物的線性區(qū)，可以得到2條曲線的假想交叉點，這個假想交叉點稱為三階截止點IP，IP點的輸出功率值為PIP。