第四章 微波晶体管放大器ppt课件.ppt

微波晶体管放大器 概述 放大 把微弱的电信号的幅度放大 一个微弱的电信号通过放大器后 输出电压或电流的幅度得到了放大 但它随时间变化的规律不能变 即不失真 概述 常用的微波放大器 放大器主要技术参数 1 增益 Gain 对信号幅度放大能力 2 噪声系数NF放大器对信噪比的恶化 3 输入 出反射系数放大器与系统阻抗的匹配关系 4 输出功率1dB压缩点放大器线性功率输出能力 5 饱和输出功率放大器功率输出能力 6 效率DC RF功率转换能力 7 三阶互调抑制度 三阶互调交叉点 概述 微波晶体管放大器的构成 微波晶体管封装裸管芯 匹配网络输入匹配输出匹配 DC偏置网络 器件参数 S参数 匹配电路设计 最大增益最小噪声 DC偏置网络设计 概述 晶体管器件的S参数 用S参数表征晶体管特性优势明显 微波晶体管放大器 其他参量 如y h参量 大都表征网络在开 短路状态下电压 电流关系 晶体管在开 短路状态易于发生振荡 不能得到合适的放大状态电路参量 S参量的确定无需理想开短路要求 适合于分布参数电路系统 S参数是基于入射波和反射波的概念建立的 和实际器件工作状态一致 晶体管S参数定义 端口电压与端口电流用入射波和反射波表示 引入归一化波的概念 晶体管器件的S参数 各端口入射波和反射波功率可简单表达 晶体管S参数定义 晶体管器件的S参数 反射系数 传输系数 晶体管S参数与Zc1和Zc2有关 对不同特性阻抗的测量系统 得到的S参数不同 Zc1和Zc2称为测量S参数的系统阻抗 一般为 Zc1 Zc2 50 单级放大器网络分析 微波晶体管放大器 a1 a2 b1 b2 a1 a2 b1 b2 简化网络 各端口反射系数 单级放大器网络分析 源反射系数 负载射系数 输入反射系数 输出反射系数 各端口反射系数决定了放大器各种匹配状态 工作状态 各端口反射系数表达 单级放大器网络分析 端口1加激励信号源as 端口2仅接负载 端口2加激励信号源aL 端口1仅接负载 各端口功率 单级放大器网络分析 V1 I1 放大器输入端加激励源时 其中 定义信号源归一化波 可得 于是 其中 进入晶体管输入端功率 各端口功率 单级放大器网络分析 V1 I1 进入晶体管的功率为 P1a为信号源资用功率 传输给负载的功率 单级放大器网络分析 对于负载来说 晶体管输出信号可由等效源表示 传输给负载的功率 单级放大器网络分析 P2a为放大器资用功率 增益 单级放大器网络分析 a 工作功率增益 GP为放大器实际工作中功率增益的量度GP仅与晶体管S参数和负载 L有关 增益 单级放大器网络分析 b 资用功率增益 Ga为放大器两个端口共轭匹配时产生的功率增益Ga仅与晶体管S参数和源 S有关 增益 单级放大器网络分析 c 转换功率增益 Gt为放大器实际传送到负载的功率与信号源资用功率之比Gt与晶体管S参数 源 S 负载 L有关 在一般情况下 稳定性 单级放大器网络分析 一 网络稳定性定义 设网络某一端口的输入阻抗是Z R jX 该端口对实数参考阻抗Zc的反射系数为 当R 0时 1 称该端口绝对稳定 当R 0时 1 称该端口不稳定 只要网络中有一个端口不稳定 则整个网络都不稳定 判定稳定性可由网络端口的输入阻抗是否存在负阻来确定 稳定性 单级放大器网络分析 二 晶体管稳定性 晶体管放大器绝对稳定是指可选用任何实数源 负载阻抗 S 1 L 1 晶体管放大器绝对的充要条件是 Ks为放大器的稳定系数 稳定性 单级放大器网络分析 晶体管放大器在不稳定条件下对源 负载阻抗的选择 1 晶体管放大器输入端口不稳定时 经源再次反射进入晶体管的入射波为 a 1 2 晶体管放大器输出端口不稳定时 噪声系数 单级放大器网络分析 微波晶体管放大器噪声来源 热噪声 载流子不规则运动引起的 与器件欧姆电阻相关 散粒噪声 由于电流流动时载流子运动起伏产生 其大小与电流呈正比 闪烁噪声 半导体工艺及表面处理等引起的 热噪声功率 热噪声电压 可用电阻R产生的噪声电压在fH fL频段内表示 热噪声模型 噪声系数 单级放大器网络分析 放大器输入噪声功率可等效为信号源内阻产生的热噪声功率 微波晶体管放大器输出噪声是放大器输入噪声功率和放大器自身产生的噪声的组合 Te为放大器等效噪声温度 噪声系数定义 信号通过放大器之后 由于放大器产生噪声 使信噪比变坏 信噪比下降的倍数就是噪声系数 放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度Te来表达 噪声温度Te与噪声系数NF的关系 式中 T0为环境温度 通常取为300K 根据公式 可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度 如表所示 噪声系数和噪声温度关系 单级放大器网络分析 单级放大器网络分析 多级级联放大器噪声系数表达为 低噪声放大器前级对噪声系数的贡献占绝对因素 单级放大器网络分析 晶体管最小噪声系数 经验公式表明 随着工作频率增加 微波场效应晶体管具有比微波双极晶体管更优良的噪声系数 晶体管等效为线性二端口网络 噪声系数表达为 Rn线性二端口网络的等效噪声阻抗 Ys Gs jBs信号源内阻Ysopt Gsopt jBsopt获得最佳噪声系数NFmin时的源导纳 单级放大器网络分析 晶体管最小噪声系数 晶体管等效为线性二端口网络 噪声系数还可表达为 线性二端口网络的噪声系数完全由可测量的四个参数决定 Nfmin N 或N 和 sopt 微波晶体管放大器设计 晶体管放大器的匹配网络 微波晶体管放大器设计的主要工作是得到合适的输入 级间 输出匹配网络 微波晶体管放大器 输入匹配网络 实现微波晶体管的输入端口与信号源之间的匹配 输出匹配网络 实现微波晶体管的输出端口与负载之间的匹配 级间匹配网络 实现前后级微波晶体管的输出端口与输入端口的匹配 获取最佳功率增益 最佳噪声系数 最佳增益平坦度 1 S 2 L 微波晶体管放大器设计 微带集成匹配网络 微波晶体管放大器 a 并联型匹配网络 主要用于满足微波低端 窄带需求 T型结的影响 并联枝节可以是终端开路也可以是终端短路 根据电纳补偿要求和结构需要来决定并联枝节的开 短路情况 并联枝节的阻抗和长度 根据电导匹配要求 决定串联线阻抗和长度 一般为 g 4 微波晶体管放大器设计 匹配网络类型 多级级联可实现宽带匹配 b 串联型匹配网络 串接短线实现复阻抗 实阻抗的变换 g 4线实现实数阻抗的变换 可用于较高频率 微波晶体管放大器设计 微波晶体管放大器设计要点 稳定性是放大器设计的前提 分别选取合适的源 负载阻抗 使得放大器输出端 输入端稳定 在晶体管不稳定的情况下 可采用有耗网络改善放大器的稳定性 匹配网络选择 最小噪声匹配 s sopt 最大功率增益匹配 s 1 输入匹配网络 输出匹配网络 最大功率增益匹配 L 2 级间匹配网络 按要求实现后级输入阻抗与前级输出阻抗之间的匹配 并实现前后级的隔直 增益平坦度和端口驻波比 微波晶体管放大器设计 绝对稳定情况下的设计 1 S 2 L 单向情况下 S12 0 的设计步骤 2 当S12 0时 1 判定器件稳定性 3 设计输入匹配网络 4 设计输出匹配网络 微波晶体管放大器设计 绝对稳定情况下的设计 1 S 2 L 双向情况下 S12 0 的设计步骤 2 当S12 0时 一 按最小噪声系数设计 1 设计输入匹配网络 3 设计输出匹配网络 微波晶体管放大器设计 绝对稳定情况下的设计 1 S 2 L 双向情况下 S12 0 的设计步骤 二 按最大功率增益设计 1 按共轭匹配要求得到输入 出匹配网络反射系数 2 设计输入 出匹配网络 实现 S0与 SM LM与 L0之间的匹配 微波晶体管放大器设计 潜在不稳定条件下的设计 1 S 2 L S和 L的选择受放大器稳定性限制 2 设计放大器输出匹配网络时 要保证放大器输入口稳定 在 L平面上稳定区选取 L 3 设计放大器输入匹配网络时 要保证放大器输出口稳定 在 S平面上稳定区选取 S 1 保证增益要求和噪声系数要求 G GMin NF NFMax 潜在不稳定条件下的设计 1 S 2 L 保证功率增益GP GMin的设计步骤 1 选择晶体管输入口稳定且保证增益的 L 3 判定晶体管输出端稳定性 2 确定输入匹配网络 S 4 潜在不稳定条件下的设计 1 S 2 L 保证噪声系数NF NFMax的设计步骤 1 选择晶体管输出口稳定且保证噪声的 S 3 判定晶体管输入端稳定性 2 确定输出匹配网络 L 4 微波晶体管放大器设计 多级放大器设计 多级放大设计简便 设计效率高 可任意增加级数 适合n 3 但结构松散 模块化设计方案 每一级单独设计 级间由50 线连接 一体化设计方案 不便任意增加级数 适合n 3 结构紧凑 每一级放大器不是单独设计 前后级晶体管匹配和级联由同一级间匹配网络实现 微波晶体管放大器设计 合理选取匹配网络 得到宽带响应 带宽和带内频响 平坦度 在频带高端按共轭匹配设计 频率低端因失配使放大器增益降低 增强稳定性 在晶体管器件端口串 并联电阻 按新的 S 参数设计 晶体管 S21 2随频率增加而下降 采用阻性匹配网络增加稳定性 微波宽带放大器 平衡式放大器反馈式放大器有源匹配放大器分布式放大器 微波晶体管放大器 微波宽带放大器 平衡式放大器 由90 电桥实现两路放大器合成输出 放大器电桥 两路放大信号同相叠加 输出功率倍增 在输入 出口两路反射波反相抵消 可实现良好的输入 输出驻波比 要求两路信号具有良好的一致性 微波宽带放大器 反馈式放大器 在晶体管漏栅之间并接RL串联支路 实现负反馈 降低器件低端增益 实现多倍频程放大 增强稳定性 仅适应于低频放大器 微波宽带放大器 有源匹配放大器 匹配网络中采用有源器件 实现大阻抗变换比的宽带匹配 电路复杂 匹配网络设计难度大多用于10GHz以上频率MMIC放大器中 微波宽带放大器 分布式放大器 由晶体管