六.微波放大器.ppt

射频电路设计,微波放大器,微波放大器,主要参数放大器的功率放大器的增益放大器的稳定性判别根据增益设计放大器噪声系数圆其它,FET的主要参量,1）截止频率fT：电流增益为1时的频率,2）最小噪声系数,3）1dB压缩点,4）最大振荡频率（或最大可用增益0dB频率）,6）单向增益,微波放大器的主要参数,增益及增益平坦度（以dB表示）工作频率及带宽（单位：Hz）输出功率（单位：dBm）直流输入功率（单位：V和A）输入、输出反射系数（VSWR）噪声系数（以dB表示）其它参数：交调失真（IMD）、谐波、反馈、热反应等，都会影响放大器的性能。,微波放大器组成,放大器的功率关系,放大器的入射功率,放大器输入端口的实际输入功率,资用功率PA（放大器的输入阻抗与信号源的内阻符合共轭匹配条件）,负载功率,放大器的功率增益,1、转换功率增益GT,2、资用功率增益GA,3、功率增益Gp,转换功率增益GT,1）,2）,单向化增益,（1）输入共轭匹配时,（2）负载共轭匹配时,资用功率增益GA,功率增益Gp,例：射频放大器的功率关系,射频放大器的S参量,与放大器输入端连接的电压源参数,源内阻,放大器的输出端驱动一个天线，天线阻抗,测量S参量时采用的传输线特性阻抗,求下列参数：（a）转换功率增益GT，单向化功率增益GTU，资用功率增益GA，功率增益Gp。（b）负载吸收的功率PL，资用功率PA以及放大器入射功率Pinc。,解：,例：射频放大器的功率关系（续）,稳定性判别,产生自激,在给定网络参数下，L、S在什么范围内才能稳定工作。,（1）绝对稳定；（2）条件稳定或潜在不稳定,稳定,分界,不稳定,稳定性判别（续1）,其中,输出稳定性判定圆,考察输出稳定性判定圆：,原点是稳定区的一部分,原点成为非稳定区的一部分。,为临界圆，圆内为一个区，圆外为另一个区，并且一个是稳定的，另一个是不稳定的。,为单位圆，稳定区在单位圆内。,输出稳定性判定圆（续1）,圆内稳定，,圆外稳定，,图1、条件稳定,圆内稳定，,圆内稳定，,图2、条件稳定,输出稳定性判定圆（续2）,圆内稳定，,圆内稳定，,图3、条件稳定,圆内稳定，,圆外稳定，,图4、条件稳定,输出稳定性判定圆（续3）,圆内稳定，,圆外稳定，,图5、绝对稳定,圆内稳定，,圆内稳定，,图6、绝对稳定,绝对稳定,稳定性判定圆必须完全落在单位圆外或完全包围了单位圆。,考虑输入稳定判别圆的状况,满足单向化条件时，,基本是稳定的,绝对稳定条件,综合两种状况，只要满足下列两式，放大器绝对稳定：,放大器的稳定性措施,如果在工作频段内放大管处于非稳定状态，则应当采取适当措施使晶体管进入稳定状态。采用串联或并联电阻的方式。用增加电阻的方法实现晶体管稳定的代价包括：阻抗匹配状态可能被破坏，这将会产生功率传输损失；由于电阻产生的附加热噪声，晶体管的噪声系数通常会恶化。,小信号微波晶体管放大器设计步骤,选择适当的晶体管和电路形式测量晶体管的S参数判断稳定性设计输入和输出匹配网络单向化设计等增益设计最大增益法非单向化双共轭匹配设计输入端良好匹配功率增益圆输出端良好匹配资用功率增益圆噪声系数圆等驻波比圆,单向化设计法单向化误差因子,定义单向化系数u为入、出均共轭匹配时的,u也称为单向化优质比，衡量端口匹配与网络参数的关系。,误差小于2dB，一般以此值作为单向化设计的依据。,单向化设计法最大增益设计,单向化增益,（1）输入共轭匹配,（2）负载共轭匹配,单向化设计法等增益设计,当给定增益时，求反射系数，其解是一族圆：,圆心座标,圆半径,对增益进行归一化,单向化设计法等增益设计（续1）,根据等增益圆方程，可以得到下列结论：,2）所有等增益圆的圆心都落在原点到Sii*的连线上。增益值越小，则圆心越靠近原点，同时半径越大。,dgi和rgi具有相同的数值,(即0dB)圆总是与i平面的原点相切。,3）,1）最大增益点,例1：求单向化设计近似条件下的输入网络增益圆,一场效应晶体管的工作频率,，在正常工作状态下,假设晶体管处于绝对稳定状态，符合应用单向化近似的条件。求输入网络最大功率增益GSmax并画出不同GS所对应的等增益圆。,解：首先求出输入网络最大增益GSmax：,根据公式计算输入网络增益圆的圆心坐标及半径等参数,例2：设计一个工作频率为5.7GHz，增益为18dB的MESFET放大器。,已知MESFET在5.7GHZ频率点的S参量为：,（a）放大器是否为无条件稳定？（b）假设单向化条件成立（S12=0），求最佳反射系数条件下的最大功率增益。（c）根据等增益圆的概念，调整输出反射系数，实现放大器的增益指标（18dB）。,解：,（a）,晶体管处于绝对稳定状态。,（b）计算最佳反射系数条件下的最大功率增益,最大单向化转换功率增益为：,（c）,例3：单向化设计的可行性验证,针对上例讨论的放大器，评估采用单向化近似设计产生的误差。,解：将各S参量代入，则单向化设计误差因子为：,最大误差：,此结果表明，转换增益的理论值与单向化近似的偏差高达18。,实际引入得误差不超过1。,非单向化双共轭匹配设计法,双共轭匹配设计需要处理输入、输出端口反射系数的完整方程,需要同时的共轭匹配。,如果晶体管具有潜在的不稳定性，则复数共轭就不能同时成立。,在绝对稳定的前提下，可导出MS、ML解。,非单向化双共轭匹配设计法原则,不能作单向化处理，但满足绝对稳定条件。窄带放大器：在中心频率设计成双共轭匹配。较宽大放大器：在频带高端设计成双共轭匹配；在低频端由于失配产生一定反射，降低增益，补偿晶体管的随频率升高而下降的特性，从而获得宽带特性。,功率增益和资用功率增益圆,对于设计有预定增益要求的放大器，考虑了输入、输出端口互耦效应的双共轭设计法有两种设计方法可供选择：第一个方案：采用功率增益Gp。假设源与输入反射系数处于共轭匹配状态（），并由此求出负载反射系数L。这种方法导出的输入电压驻波比VSWRin1。第二个方案：利用资用功率增益GA。假设放大器的输出端口处于良好匹配状态（），然后通过调整负载以达到预定的增益。如果此方案导出的输出电压驻波比恰好为1（VSWRout1），则这种方案就是最佳设计方案。,功率增益圆,g0为比例系数,改写为负载反射系数L的圆方程形式,圆心坐标,圆半径,放大器输入端需要良好匹配情况下,例：利用等增益圆设计放大器,双极晶体管,设计一个放大器，要求GTmax=8.42dB，功率增益为8dB，放大器的输入端口有良好匹配。,解：,放大器处于绝对稳定状态。,根据输入端口良好匹配的设计要求，设计过程中需要利用等功率增益圆。,在L平面上求得等功率增益圆的圆心和半径,令L落在等功率增益圆与等电阻圆r=1的交点上,输入匹配网络的复杂程度与L的选择恰当与否有直接关系。,功率增益圆（续）,在许多实际应用中，S必须符合特定的约束条件（例如，符合预定的噪声特性）。这些附加的条件限制了我们选择S的自由度，其结果又反过来限制了L的选择范围。（L落在适当的增益圆内，S符合预定的噪声要求）：1、试探法（先任选L值，然后考察相应的S，简单、枯燥、费时）2、将L平面上的等增益圆映射为S平面上的圆。,资用功率增益圆,将等资用功率增益圆映射到L平面上,放大器输出端需要良好匹配情况下,噪声系数圆,对晶体管噪声来源于：集电极分流噪声，发射极散粒噪声，基极热噪声,对场效应管噪声来源于：漏极等效噪声电流源，栅极感应噪声电流源,级联网络的噪声,理想情况下为1,表示输入信噪比经过放大器后恶化的程度,噪声系数的定义,（1）,（2）,噪声系数圆（续1）,Fmin：最小（最佳）噪声系数，与偏置条件和工作频率有关。如果器件没有噪声，则Fmin1。Rn：网络噪声电压大小的等效噪声电阻，或称器件的等效噪声电阻。Rn1/Gn。Yopt：GoptjBopt1/Zopt最佳源导纳，有时不给出源阻抗或导纳，而列出最佳反射系数opt。,噪声系数圆（续2）,Fmin、N0为网络参数决定的量，可以测得。sopt也可以测得。,等噪声系数圆,1)当FkFmin时，可得最小噪声系数，此时圆心坐标dFk=opt而且半径rFk=0。2）所有等噪声系数圆得圆心都落在原点与opt的连线上。噪声系数越大，则圆心dFk距离原点越近而且圆半径rFk越大。,等驻波比圆,假定匹配网络是无耗的，则有源器件输入端口得到的功率应与无匹配网络时的情况相同：,等驻波比圆（续1）,变换为以S为自变量的圆方程，其圆心在dVIMN，半径为rVIMN,电压源连接在输出端口，阻抗ZL被视为源阻抗，ZS视为负载阻抗，采用完全相同的方法可得输出端口的反射系数：,变换成以L为自变量的圆方程，其圆心在dVOMN，半径为rVMON,等驻波比圆（续2）,1）对于电压驻波比的极小值：,两圆心坐标,（对于输入端口）,两圆半径同时都为零。,输出端口VSWROMN=1,输入端口VSWRIMN=1,（对于输出端口）,2）所有等驻波比圆的圆心都落在原点到in*或out*的连线上。,在双共轭匹配的情况下，输入、输出反射系数都是源和负载反射系数（S，L）的函数。所以，输入和输出电压驻波比圆不能同时画出，而只能每次只考查一个的迭代方法调整S，L。,单级放大器设计小结,单向化设计最大增益设计：输入、输出端均共轭匹配；等增益设计：通常考虑输入、输出端中的一个端口共轭匹配，另一个端口做等增益设计。非单向化设计双共轭匹配：输入、输出端均共轭匹配，设