《高频与射频电路》第3章-有源网络.ppt

,射频放大电路,射频放大电路,射频放大器的相关理论 低噪声放大器设计 功率放大器设计,放大电路稳定性分析,放大电路稳定性分析,绝对稳定：,有条件稳定,绝对稳定的充要条件,放大电路稳定性分析,放大电路稳定性分析,对于单向传输的晶体管(S12 0)，一定有K，且当|S11| 1， |S22| 1时，满足| 1的条件，因此晶体管构成的放大器一定是无条件稳定的。 当放大器电路不满足稳定性条件时，出现 的情况，说明放大器电路出现负电阻。可以调节信号源内阻Zs和负载阻抗ZL，使得放大电路回到稳定状态。此时需要输入回路总电阻和输出回路总电阻均为正值：,放大器的稳定措施,通常有两种方法可以采用： 在输入或输出回路中增加纯电阻（由于放大电路存在功率增益，为了不增大电路的噪声系数，通常电阻都加在输出电路中） 在放大电路中引入负反馈，减少S12形成的正反馈，降低输入和输出电路中的电压反射系数。,放大器的稳定措施,缺点： 降低放大电路功率增益 增加放大电路噪声 减少可用输出功率 对于窄带放大电路，应该尽量避免依靠在输入或输出电路增加电阻的方法，而应该尽可能的调节电源和负载的反射系数使得放大电路处于稳定状态。,放大电路的增益,放大电路的增益,单向传输情况：由S12 0可得 进一步得到 要使晶体管获得最大转换功率增益，要满足 此时有,放大电路的增益,等增益圆,其一般形式：,归一化增益：,上式中：,分别对应输入增益和输出增益,等增益圆,的求解结果是一族圆：,其中圆心坐标： 半径：,结论： 1. 在 = Sii 时, gi = 1, d = Sii , r = 0, 可得最大增益Gimax。 2. 所有等增益圆的圆心都落在原点(gi=0)到Sii 的连线上。增益越小，则圆心越靠近原点，同时半径越大。 3. 当= 0时，gi=1- Sii ，d = r = Sii /(1+ Sii )。即Gi=1(0dB)圆总是与平面的原点相切。,注意单位,噪声系数和等噪声系数圆,噪声系数的定义：,噪声系数只与输入端有关，而与负载无关。在Smith圆图上可以画出等噪声系数圆：,可以证明：,其中噪声参数,噪声系数和等噪声系数圆,射频晶体管的噪声参数主要包括 、 和 ，这些参数一般由生产厂家提供，设计时可以直接使用。 在Smith圆图上可以看出，等功率增益圆和等噪声系数圆是不重合的，在两个圆族中，从小圆到大圆变化时，噪声系数逐渐增大，功率增益逐渐减少。不可能同时实现最小噪声系数和最大功率增益，因此在实际电路设计中，只能选择等噪声系数和等功率增益圆的较差区域，进行噪声和功率的折中设计。,射频放大器偏置电路,常用的双极性晶体管无源偏置电路有右边这两种。偏置电路中的射频线圈RFC和电容CB是用来隔离射频信号，电容CC是用来耦合射频输入和输出信号。 上图中的R1和R2构成了直流偏置电阻网络，并形成并联直流电压负反馈；下图中的R1到R4组成了直流偏置网络，采用直流分流的方式为晶体管提供基极电流IB。,16,无源偏置网络,射频放大器偏置电路,17,已知 VCE=3V, IC=10mA, VCC=5V, VBE=0.8V, =100, 求无源偏置网络阻值.,下图，先任选VX=1.5V,R1=VX/IX=VX/10IB=1.5k,则：R3=(VXVBE)/IB=7k,解：上图 I1=IC+IB=10+10/100=10.1mA,R2=(VCCVX)/(IX+IB)=3.18k,则：R1=(VCCVCE)/I1=198,(VBEVXVCC),R4=(VCCVCE)/IC=200,R2=(VCEVBE)/IB=22k,无源偏置网络,射频放大器偏置电路,场效应晶体管的偏置网络 与双极结晶体管偏置网络基本相同，主要缺点是需要两个极性不同的电源。,低噪声放大器设计,低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA）是射频接收机前端的重要组成部分。通常低噪声放大器位于接收机的最前端，它对微弱的接收信号进行放大并尽可能少地引入本地噪声。 低噪声放大器的主要技术指标： 工作频率：放大器能够工作的频率取决于晶体管的特征频率 ，常选择 是工作频率的510倍。 噪声系数：噪声系数在不同的应用场合有不同的要求，它的值可以从1dB到几个dB。噪声系数与放大器所选用的晶体管噪声特性、静态工作点、输入/输出匹配特性、工作频率和工艺有关，是低噪声放大器最为重要的指标。,低噪声放大器设计,低噪声放大器的主要技术指标： 增益：放大器增益的大小取决于系统的要求，较大的增益利于抑制后续电路的噪声对整个接收机系统的影响，但是增益太大会导致后面的下变频器输入过载，产生非线性失真。因此，低噪声放大器的增益应当适中，一般在25dB以下。 输入/输出阻抗匹配：输出匹配通常采用共轭匹配方式，以实现最大功率传输。输入匹配电路一般有两种，一为实现噪声系数最小的噪声匹配，二是实现最大功率增益和最小回波损耗为目的共轭匹配。 反向隔离度：反向隔离反应了低噪声放大器输出端与输入端的隔离度，良好的反向隔离可以减少本振信号到天线的泄露。,低噪声放大器基本电路,低噪声放大器基本电路框图如图所示，主要包括偏置电路、输入/输出匹配电路和控制保护电路三部分。 直流（电压/电流）偏置电路：给放大器提供需要的直流电压或电流； 阻抗匹配/转换电路：为了实现最大增益、最小噪声系数或最大功率传输，放大器相应有增益、噪声和功率匹配网络。 控制和保护电路：控制电路通常由开关、衰减器、移相器和限幅器等器件构成，它的主要作用是提高放大器线性度和控制增益。,低噪声放大器基本电路,常见的LNA电路配置 对场效应管而言，电路配置可以分为共源、共栅、共漏和共源-共栅（cascode）四种基本类型；相应地，对双极型晶体管而言，电路配置又可以分为共射、共基、共集和共射-共基（cascode）四种基本类型。,FET和BJT的基本电路配置,低噪声放大器的设计步骤,依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择合适的晶体管或工艺。 确定LNA电路拓扑。 确定放大器的直流工作点和设计偏置电路。 确定最小噪声输入阻抗，将最小噪声输入阻抗匹配到信号源阻抗，即输入匹配网络设计。 确定放大器输出阻抗，将放大器输出阻抗匹配到负载阻抗，即输出匹配网络设计。 低噪放性能仿真和优化。 电路制作和性能调试。,功率放大器,射频功率放大器的工作频率很高（从几十兆赫兹一直到几百兆赫兹，甚至到几吉赫兹），按工作频带分类，可以分为窄带射频功率放大器和宽带射频功率放大器。 窄带射频功率放大器的频带相对较窄，一般都采用选频网络作为负载回路，例如LC谐振回路。 宽带射频功率放大器不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作为负载。这样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。,功率放大器的应用,高保真音响系统,电视、汽车音响等,功率放大器的应用,功率放大器的应用,发射无线电广播电信号,信号频率在几十兆到几百兆赫兹,功率放大器的应用,发射电视信号,功率放大器的应用,对讲机、无绳电话,蓝牙耳机,信号频率在24G赫兹，属于射频范围,功率放大器的应用,功率放大器的应用,无线通信基站,功率放大器的应用,电脑无线上网,功率放大器的应用,功率放大器的主要技术指标,功率效率,饱和输出功率 当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。,1dB压缩点输出功率P1dB 功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。,交调失真,三阶交调,P1dB点三阶交调系数M3(1dB) P1dB和M3(1dB)是度量功率放大器非线性的两个不同指标，它们之间有一定联系。 假定功率放大器是一个无惯性非线性网络，且在P1dB点的幅度非线性很小，在上述两个假设条件下，两个角频率为1和2的等幅信号输入时，P1dB点的三阶交调系数近似为 由于理论分析中的假设，实际测量的误差以及微波晶体管实际非线性特性优劣程度的不一致，在工程估算时，常取M3(1dB)为20dBc。这里还得注意，上式仅适用双信号等幅情况，如果三信号等幅输入时，上式就不适用了。,因此，任意输入功率Pin时的三阶交调系数M3可由下式估算 Pin基波信号（1或2）输入功率； Pin(1dB)基波信号1dB增益压缩点输入功率。 注意上式中各变量都是以dB为运算单位。 图中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点。,任意输入功率的三阶交调系数M3 下图是双频等幅信号输入时基波信号输出功率和三阶交调功率对应基波信号输入功率的变化特性。 由图看出，基波信号输出功率与输入功率是1:1（dB数）变化关系，即输入功率增加1dB时，输出信号也增加1dB。 三阶交调产物与基波信号输入功率是3:1（dB）变化关系，即基波信号输入功率增加1dB，使三阶交调系数M3恶化2dB。,三阶交调交截点 图中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交调交截点，用符号IP3表示，对应的输出功率是P1，它也反映了微波功率放大器的非线性 当输出功率一定时，三阶交调交截点输出功率P1越大，微波功率放大器的线性就越好。由P1也可以估计三阶交调系数 式中Pout是基波信号输出功率所有变量都是以dB为运算单位，它只适用信号功率较小的情况。 三阶交调交截点比1dB压缩点 大10dB，它是放大器在A类工作 时的一个假想点。,谐波失真,输入/输出驻波比 大功率管的输入阻抗和输出阻抗都很低，BJT的输入阻抗实部只有几个欧姆，与50系统失配得比较厉害。而场效应管的输入阻抗较高，与50系统失配得也很大，失配严重时，会损坏功率管。 输入、输出驻波比变坏还会使系统的增益起伏和群迟延变坏，因此功率放大器的输入、输出驻波比应该满足一定要求。在大容量数字通信系统中，功率放大器的输入、输出驻波比取1.2:1，而在一般系统中，功率放大器的输入、输出驻波比可以取到2:1。它也是设计微波功率放大器时必须考虑的一项技术指标。,功率放大器的工作状态,射频功率放大器按照电流导通角的不同分类，可分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类。 A类放大器电流的导通角=180，适用于小信号低功率放大。B类放大器电流的导通角=90；C类放大器电流的导通角90。 B类和C类都适用于大功率工作状态。C类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。 射频功率放大器大多工作于C类状态，但C类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。,功率放大器的工作状态,射频功率放大器除了以上几种按电流导通角来分类以外，还有使功率器件工作于开关状态的丁（D）类放大器和戊（E）类放大器。 丁类放大器的效率高于丙类放大器，理论上可达100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗（集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。 如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则丁类放大器的工作频率可以提高，即构成所谓的戊类放大器。 这两类放大器是晶体管射频功率放大器的新发展。,A类功率放大器,A类射频功率放大器电路属于线性放大器，放大器电流的导通角=180，即在正弦信号一周期内，放大器电路的功率管是处于全导通工作状态，适合放大AM, SSB等非恒定包络已调波。 为了输出大的功率，一般采用如下措施：集电极采用扼流圈（或线圈）馈电；让晶体管工作于可能的最大输出功率状态；在实际负载RL和最佳负载Ropt间采用一个阻抗变换网络，使放大器输出最大功率。,A类功率放大器,A类功率放大器,对于A类射频功率放大器，为使功率管能有最大交流信号摆幅，从而获得最大输出功率，需要将直流工作点Q选择在交流负载线的中点。需要注意的是激励信号幅度不能过大，以避免输出波形产生失真。 对于正弦信号输入时，iC由直流分量ICQ和交流分量iL组成，即令iC=ICQ+iL，其中交流分量iL=ILmsint，而ILmICQ。设实际负载RL=最佳负载Ropt ，则A类功放的输出功率Po为,A类功率放大器,电源供给功率Pdc为 因此，效率为 当ILm=ICQ时，效率为最高，=50。 A类射频功率放大器在没有输入信号时，电源供给的全部功率都消耗在功率管上，即管耗达到最大，这是人们所不希望的。,B类功率放大器,下图电路中，偏置电压VBB=Von，当正弦波信号输入时，功率管在输入波形的半个周期内导通，而在另半个周期则是截止的。显然静态时，集电极电流iC为零，集射极间电压为VCC。由于功率管在半个周期内导通，电流导通角=/2，所以输出是一个半波正弦信号、 B类射频功率放大器电路采用双管B类推挽工作，即用两只B类工作的功率管各放大半个正弦波，然后在负载上合成一个完整的正弦波（图中仅给出了VT1的波形）。,B类功率放大器,B类功率放大器,输出功率Po为 电流可用开关函数表示， 其直流分量为 电源供给功率为 效率为 ,B类功率放大器,采用两只互补功率MOSFET组成的B类推挽射频功率放大器如图所示。图中VT1为NDMOSFET（N沟道耗尽型MOSFET），VT2为PDMOSFET（P沟道耗尽型MOSFET），恒流源IQ和Rb是VT1和VT2的偏置电路。在输入信号电压超过功率管的门限电压前，MOSFET不导通。,两只互补功率MOSFET组成的 B类推挽射频功率放大器,MOSFET vs. BJT,功率场效应晶体管（MOSFET，Metallic Oxide Semiconductor Field Effect transistor）与功率双极晶体管（BJT）相比有很多优点。 场效应晶体管的ID为负温度系数，它随温度升高而减小，这使功率管温度上升以后仍能保证安全工作。 而双极晶体管的IC为正温度系数，如果不采用复杂的保护电路，则温度上升后功率管将烧坏。,MOSFET vs. BJT,双极晶体管是少数载流子工作器件，它是靠少数载流子在基区的聚集（扩散）和排除（漂移）来进行工作的。因为这些电荷的聚集和排除都需要时间和能量，所以，双极晶体管的功耗随工作频率的增加而增加。 场效应晶体管是多数载流子工作器件，是靠栅区电场控制多数载流子运动来进行工作的。场效应晶体管栅区不存储电荷，在导通、截止之间的转换极为迅速，所以场效应晶体管功耗小、工作频率高。 另外，由于场效应晶体管的输入阻抗高，所以激励功率小，功率增益高，而且场效应晶体管易于集成，所以在集成功率放大器集成电路芯片内的输出级常常采用这种互补场效应晶体管B类推