第9章射频放大器无线通信射频电路技术与设计[文光俊].ppt

第9章射频放大器 教学重点 能力要求 本章目录 第一节射频放大器的相关理论第二节射频放大器偏置电路第三节低噪声放大器设计第四节功率放大器设计 知识结构 9 1射频放大器的相关理论 9 1 1放大器的稳定性 输入反射系数 输出反射系数 两类稳定性 1 绝对稳定 无论晶体管放大器接什么样的无源负载阻抗和源阻抗 均有和 2 条件稳定 不是所有的无源负载阻抗和源阻抗 均使晶体管放大器的和 9 1射频放大器的相关理论 1 稳定性判定圆 放大器稳定性边界条件 其中 输出稳定圆 输入稳定圆 1 对于输出稳定性判定圆 输出稳定区与非稳定区 9 1射频放大器的相关理论 2 对于输入稳定性判定圆 输入稳定区与非稳定区 2 绝对稳定 绝对稳定条件 时 与平面上的绝对稳定条件 9 1射频放大器的相关理论 用稳定因子k描述绝对稳定条件 将输入稳定圆的圆心和半径的表达式 代入稳定条件 可得 整理得 上式大括号中的表达式必须大于0 故可得 9 1射频放大器的相关理论 3 放大器的稳定措施 1 电阻性加载 电阻性加载是场效应晶体管或双极型晶体管的一种常用稳定措施 这种方法即为在有源器件的不稳定端口增加一个串联或并联的电阻 2 并联反馈 通过在晶体管的输出端到输入端之间添加一个电阻器 引入负反馈 能很好地改善晶体管的稳定性 串联反馈要求在器件的公共端接入一个电阻器或者电感器 3 串联反馈 用串联或并联的电阻稳定措施 放大器的反馈型稳定措施 9 1射频放大器的相关理论 9 1 2射频放大器的功率增益 1 放大器功率增益定义 单级放大器网络的功率传输图 源反射系数 负载反射系数 平均输入功率 9 1射频放大器的相关理论 传送到负载的平均功率 传送到负载的最大功率 1 功率转换增益 定义 负载吸收功率和信号源资用功率之比 9 1射频放大器的相关理论 2 资用功率增益和工作功率增益 资用功率增益 工作功率增益 9 1射频放大器的相关理论 2 放大器的功率增益特性 1 单向化设计法 单向化功率转换增益的原理图 单向化功率转换增益 9 1射频放大器的相关理论 2 最大增益设计 实际的放大器电路设计中 当大到不能忽略时 采用单向化设计法导致的误差不能容忍 此时应采用双共轭匹配法做放大器的最大增益设计 输入端口反射系数 输出端口反射系数 由 1 和 2 可得 1 2 9 1射频放大器的相关理论 其中 最大增益与稳定因子k的关系为 当k 1时可以得到有用的数值 它通常别称为最大稳定增益 表达式为 9 1射频放大器的相关理论 3 等增益圆 考虑了晶体管反馈效应的实际放大器设计中 根据工作功率增益和资用功率增益的定义可以推导出相应的等增益圆形式 1 工作功率增益圆 在晶体管输入阻抗和源阻抗共轭匹配的条件下 可以将工作功率增益的表达式改写成如下形式 其中为比例系数 9 1射频放大器的相关理论 将上式改写为负载反射系数的圆方程形式 即 其中圆心坐标 圆半径 式中k为Rollett稳定因子 9 1射频放大器的相关理论 2 资用功率增益圆 资用功率增益圆方程为 其中圆心坐标 圆半径 比例系数由下式确定 其中是要求的资用功率增益 9 1射频放大器的相关理论 9 1 3放大器的噪声系数圆 等噪声系数圆方程 圆心 半径 从圆方程可以看出 当时 得到最小噪声系数 等噪声系数圆约简化成一点 所有等噪声系数圆的圆心都落在原点与的连线上 噪声系数越大 则圆心距离原点越近而且半径越大 9 2射频放大器偏置电路 9 2 1双极型晶体管的偏置网络 对于射频双极型晶体管的偏置电路 常见的有固定基流偏置电路和基极分压射极偏置电路两种 它们的拓扑结构如图所示 双极型晶体管的无源偏置电路 9 2射频放大器偏置电路 参照上图所示的无源偏置电路 为双极型晶体管设计偏置 已知晶体管的工作状态为 假定晶体管的电流放大系数 且 解 偏置电路的直流通路可简化成 简化电路 固定基流偏置电路中 基极电流为 假定 则 为了保证中间电位为近似固定值 流过电阻的电流的值至少为的10倍 则 9 2射频放大器偏置电路 9 2 2场效应晶体管的偏置网络 场效应晶体管的偏置网络和双极型晶体管偏置网络的拓扑结构基本相同 由于场效应管的偏置条件许多时候需要负的栅极电压 通常采用双电源供电 场效应晶体管的双极性无源偏置网络 传输线偏置 9 3低噪声放大器设计 9 3 1低噪声放大器简介 低噪声放大器 low noiseamplifier 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 9 3 2低噪声放大器的主要技术指标 1 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5 10倍 2 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 9 3低噪声放大器设计 3 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 4 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 5 线性度 低噪声放大器的线性范围主要由三阶互调截点输入功率IIP3或输出功率OIP3和1dB压缩点的输入或输出功率来衡量 6 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 9 3低噪声放大器设计 9 3 3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 1 直流 电压 电流 偏置电路 偏置电路的作用就是给放大器提供需要的直流电压或电流 它通常有固定基极 基极分压 传输线和有源偏置等形式 2 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 3 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 放大器电路结构框图 9 3低噪声放大器设计 9 3 4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 9 3低噪声放大器设计 9 3 5低噪声放大器的设计步骤 1 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 2 确定LNA电路拓扑 3 确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4 确定最小噪声输入阻抗 5 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 6 确定放大器输出阻抗 7 将放大器输出阻抗匹配到负载阻抗 即输出匹配网络设计 8 低噪放性能仿真和优化 9 电路制作和性能调试 10 性能的测量和标定 9 3低噪声放大器设计 9 3 6低噪声放大器设计举例 1 LNA设计的性能指标 低噪声放大器预期性能指标 2 晶体管的选择 本例选用的晶体管为英飞凌公司的BFP405 BJT 这种晶体管适合用来设计小信号放大器 单管在2 0 2 3GHz处的最小噪声系数大于1 5dB 能达到的最大资用增益为17dB 3 LNA电路方案的确定 根据设计的性能指标 LNA的电路方案为两级放大 为简便起见 前后两级采用对称结构 晶体管的工作点选在负载线的中点 使放大器工作在A类 9 3低噪声放大器设计 4 偏置电路设计 本例的低噪声放大器采用基极分压射极偏置电路 但将它的射频扼流圈换为一端射频短路的四分之一波长传输线 5 阻抗匹配 转换电路设计 为了节省元件 并使放大器的性能稳定且布局合理 设计的低噪声放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法 偏置电路 单节短截线匹配网络 9 3低噪声放大器设计 6 原理图仿真及优化 低噪声放大器的偏置电路和输入输出匹配网络设计好以后 便可形成一个完整的低噪放原理图 如图所示 仿真和优化整个低噪声放大器的性能 直到满足要求为止 低噪声放大器原理图 9 3低噪声放大器设计 7 生成版图并焊装元件 当原理图仿真达到预期的性能指标后 生成版图 8 测试结果 测试实际电路的性能 得到放大器的S参数和噪声系数 低噪声放大器版图 低噪声放大器实物图 S参数测量结果 噪声系数测量结果 9 4功率放大器设计 9 4 1功率放大器简介 功率放大器位于发射机的末级 它将已调制的频带信号放大到所需要的功率值 再送到天线中进行发射 保证在一定区域内的接收机可以收到满意的信号电平 并且不干扰相邻信道的通信 9 4 2功放的工作类型 在小信号条件下A类工作是线性的 而大信号时A类工作会导致某些输出信号出现非线性失真 在B类状态下 晶体管在输入信号的半个周期内导通 C类工作的晶体管 一般情况处于截止状态 除非基极和发射极之间的交流信号将其导通 基本B类互补放大器 基本AB类互补放大器 基本C类放大器 9 4功率放大器设计 9 4 3功率放大器的主要性能指标 1 工作频率 随着频率的上升 不仅放大器的增益会降低 而且输出功率也会减小 2 输出功率 输出功率是功放最为重要的性能指标之一 通常用饱和输出功率的大小来衡量 3 效率 功放效率有集电极效率和功率增加效率PAE两种定义方式 它们的表达式为 9 4功率放大器设计 4 功率增益 功率增益的定义为输出功率与输入功率之比 5 线性度 在大信号工作条件下 功率放大器的非线性效应较为明显 导致所放大的信号失真 9 4 4功率放大器的设计步骤 1 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 2 确定功率放大器的电路拓扑 3 确定放大器的直流工作点和设计偏置电路 4 确定最大功率输出阻抗 5 将最大功率输出阻抗匹配到负载阻抗 即输出匹配网络设计 6 确定放大器输入阻抗 9 4功率放大器设计 7 将放大器输入阻抗匹配到源阻抗 即输入匹配网络设计 8 功放性能仿真和优化 9 电路制作和性能调试 10 性能的测量和标定 9 4 5功率放大器的设计举例 1 PA设计的性能指标 功率放大器预期性能指标 2 功放管的选择 本例选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143 PHEMT 单管在1 8 2 5GHz处能达到的最大资用增益大于18dB 而1dB压缩输出功率点高于22 5dBm 9 4功率放大器设计 3 PA电路方案的确定 使第一级工作在A类 第二级工作在AB类 这样可以使功放具有较好的线性度和较高的效率 第一级采用最大增益匹配 第二级输出匹配网络采用功率匹配 级间共轭匹配 4 直流偏置电路设计 本例所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路 但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线 功率放大器偏置电路 功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法 匹配顺序为从后级向前级匹配 第二级的输出匹配网络采用功率匹配 第一级采用最大增益匹配 5 阻抗匹配 转换电路设计 9 4功率放大器设计 6 功放原理图仿真及优化 功率放大器的偏置电路和输入输出匹配网络设计好以后 便可形成一个完整的功放原理图 如图所示 功率放大器原理图 9 4功率放大器设计 7 生成版图并焊装元件 功率放大器版图 功率放大器实物图 8 测试结果 功率放大器的小信号S参数测量结果 功率放大器的1dB压缩点和3阶交调截点 9 4功率放大器设计 9 4 6功率合成技术 利用混合分配器和混合合成器 将输入功率等分到几个放大器 并且又将每个放大器的输出功率合成 一个放大器不工作了不会影响整个功放单元 整个单元将继续工作 仅仅输出功率下降 混合分配器 合成器方法 9 4功率放大器设计 9 4 7功率放大器的线性化技术 1 功率回退法 功率回退技术选用大功率晶体管放大小功率信号 即通过牺牲功放效率获得功放的高线性度 令功率放大器的输入功率远小于1dB压缩点 使功率放大器远离饱和压缩区 进入线性工作区 从而改善功率放大器的线性度 2 前馈法 前馈线性化系统由两个环路组成 主功率放大器所在环路是载波对消环路 前馈法系统框图 9 4功率放大器设计 3 负反馈法 从功放线性化的角度考虑 负反馈系统是牺牲功放增益来达到失真信号压缩的目的 换而言之功率放大器必须提供足够高的开环增益才能得到较好的闭环功率增益和线性度 负反馈法框图 4 预失真法 预失真系统 信号首先输入预失真信号发生器 然后进入功率放大器 由于预失真非线特性与功率放大器非线特性相反 最终产生的输出信号与最初的输入信号呈线性关系 预失真线性化技术原理框图 9 4功率放大器设计 9 4 8 功率放大器的效率增强技术 1 包络分离和恢复技术 包络分离和恢复技术技术的基本原理 中频输入信号通过包络检测器和限幅器 得到幅度和相位形式的输入信号 恒包络的输入信号经混频器变频后成为射频信号 送入非线性射频功放输出 分离后得到的中频包络信号对供给的电压信号进行调制 然后用所得的调制信号来控制功率放大器 EE R原理框图 9 4功率放大器设计 2 基于非线性元件的线性放大技术 输入信号在信号分离单元上分成幅度相同相位不同的两路信号 分别经非线性功放放大后 在输出端合成一路信号 LINC技术原理框图 3