放大器分析与调试技巧

1、12目录目录前言前言低噪声放大器的分析低噪声放大器的分析低噪声放大器的设计方法低噪声放大器的设计方法低噪声放大器的常见故障及解决方法低噪声放大器的常见故障及解决方法高频功率放大器的分析高频功率放大器的分析高频功率放大器的设计方法高频功率放大器的设计方法高频功率放大器的常见故障及解决方法高频功率放大器的常见故障及解决方法举例说明高频功率放大器的调试技巧举例说明高频功率放大器的调试技巧总结总结3前言前言前面讲到放大器的分类比较多，有低频的、高频的、微前面讲到放大器的分类比较多，有低频的、高频的、微波的、高频放大器又分为低噪声放大器、推动放大器波的、高频放大器又分为低噪声放大器、推动放大器、高功率放

2、大器、超线性功放等。在这里，我们主要、高功率放大器、超线性功放等。在这里，我们主要对与我们公司产品相关的高频低噪声放大器及高功率对与我们公司产品相关的高频低噪声放大器及高功率放大器作一些分析，以便对大家今后在设计、生产调放大器作一些分析，以便对大家今后在设计、生产调试过程中有所帮助。（试过程中有所帮助。（注：我们这里所指的放大器都是指窄带注：我们这里所指的放大器都是指窄带放大器）。放大器）。4一、低噪声放大器的分析一、低噪声放大器的分析 低噪声放大器顾名思义是指噪声系数比较低的放大器，一般用在低噪声放大器顾名思义是指噪声系数比较低的放大器，一般用在通讯设备的前端（通讯设备的前端（rfe），对系

3、统起着降低噪声、提高接收灵敏），对系统起着降低噪声、提高接收灵敏度的作用。度的作用。基本指标要求：基本指标要求：1、频率范围：是指放大器所工作的频率、频率范围：是指放大器所工作的频率2、增益（、增益（gain）：输出信号电平与输入信号电平的比。）：输出信号电平与输入信号电平的比。 gain（db）=pout(dbm)-pin (dbm)3、噪声系数（、噪声系数（nf）：输入信噪比与输出信噪比的比值）：输入信噪比与输出信噪比的比值 nf=10lg （ ） nosonisi/5 放大器的级联噪声系数计算：放大器的级联噪声系数计算： fcas = f1+ + + 4、带内平坦度（、带内平坦度（rip

4、ple)：通频带内增益最大值与最小值的差值。：通频带内增益最大值与最小值的差值。5、输入、输出电压驻波比（、输入、输出电压驻波比（vswr）：传输线上电压最大值与最小值）：传输线上电压最大值与最小值的比。的比。 回波损耗与驻波比的关系：回波损耗与驻波比的关系： 回波损耗回波损耗 rl=-20lg|t | 驻波比驻波比vswr = 其中其中t为反射系数为反射系数112gf 2113ggf 32114gggf |1|1tt6二、低噪声放大器的设计方法二、低噪声放大器的设计方法1、根据系统要求选择器件、根据系统要求选择器件 根据要求选择低噪声管及其它推动放大器、合理分配根据要求选择低噪声管及其它推动

5、放大器、合理分配级联增益、级联增益、oip3等。目前常用的低噪声管有内匹配的等。目前常用的低噪声管有内匹配的mmic，例如，例如macom公司的公司的am500xx系列；外匹配系列；外匹配的的aglient的的atfxx系列；系列；2、输入、输出匹配、输入、输出匹配 匹配的最终目的是要满足各项指标：噪声系数、增益匹配的最终目的是要满足各项指标：噪声系数、增益、输入（输出驻波比）。、输入（输出驻波比）。 常用的输入、输出匹配方法有：单支节匹配、双支节常用的输入、输出匹配方法有：单支节匹配、双支节匹配、最大增益匹配、最佳噪声匹配、共轭匹配等。匹配、最大增益匹配、最佳噪声匹配、共轭匹配等。73、计算

6、机辅助设计（、计算机辅助设计（cad） 利用仿真软件进行仿真，优化设计。利用仿真软件进行仿真，优化设计。4、设计原理图和、设计原理图和pcb5、实验板调试。、实验板调试。8例例1.设计一个低噪声放大器要求：设计一个低噪声放大器要求：频率范围：频率范围：820-960mhz增益：增益：g45db噪声系数：噪声系数：nf1.5带内平坦度：带内平坦度：0.2db线性功率：线性功率：p-115dbm 电调衰减：电调衰减：att=31db(5bit) 9设计过程：设计过程：1.1.放大器级数的考虑：由于常见器件有效实际增益为放大器级数的考虑：由于常见器件有效实际增益为1111- -17db17db，故此

7、，故此，3-43-4级方可满足增益要求。经对比分析我们确定了以下方案：级方可满足增益要求。经对比分析我们确定了以下方案：第一级：第一级：atf10136 nf=0.4db g=13.5db oip3=18dbm atf10136 nf=0.4db g=13.5db oip3=18dbm 第二级：第二级：msa1105 nf=4.1db g=10.5 db oip3=25dbmmsa1105 nf=4.1db g=10.5 db oip3=25dbm 第三级：第三级：sga6586 nf=2.6db g=23.8db oip3=33dbmsga6586 nf=2.6db g=23.8db oip

8、3=33dbm 在第二级与第三级之间插入数字电调衰减器，其数字电调衰减器的在第二级与第三级之间插入数字电调衰减器，其数字电调衰减器的最小最小ilil为为1.8db1.8db，所以，总增益约为，所以，总增益约为46db46db。 102.噪声系数的计算：一个放大器的噪声系数主要取决于第一噪声系数的计算：一个放大器的噪声系数主要取决于第一、二级放大管的、二级放大管的nf及及gain，见以下公式：，见以下公式：nfs=nf1+(nf2-1)/g1+(nf3-1)/(g1g2)+(nfn-1)/(g1g2gn-1)式中：式中：nfn为第为第n级器件的噪声系数级器件的噪声系数gn-1为第为第n-1级器件

9、的增益级器件的增益11基于产品批量生产的一致性考虑，经基于产品批量生产的一致性考虑，经agilent的的ads2003a仿仿真真计算，将第一级计算，将第一级fet优化设计成优化设计成:nf=0.85dbgain=13.5db，经以上公式计算得出噪声系数理论值为，经以上公式计算得出噪声系数理论值为1.1db，满足指标要求。，满足指标要求。3.线性功率考虑：线性功率小，交调指标差，它将最终影响线性功率考虑：线性功率小，交调指标差，它将最终影响功放的功放的acpr值和值和im3；但是，过分地要求加大；但是，过分地要求加大p-1，将增，将增加电流消耗，降低了设备的可靠度，同时提高了造价，综加电流消耗，

10、降低了设备的可靠度，同时提高了造价，综合考虑诸多因素，合考虑诸多因素，sga6586sga6586比较合适。比较合适。5bit5bit电调衰减器选用电调衰减器选用hittitehittite公司的公司的hmc273ms10ghmc273ms10g。其它参数如频率、平坦度等由软件设计，再经调试即可达到其它参数如频率、平坦度等由软件设计，再经调试即可达到要求。要求。 12三、低噪声放大器的常三、低噪声放大器的常见故障及解决方法见故障及解决方法1、无增益或增益异常、无增益或增益异常导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：电路虚焊、耦合电容损坏、供电电路虚焊、耦合电容损坏、供电不正常、某一放大器损坏、

11、低噪声管匹配电路异常。不正常、某一放大器损坏、低噪声管匹配电路异常。 解决方法：解决方法：检查主放大电路、测试各级放大器的供电电检查主放大电路、测试各级放大器的供电电压和偏置电压、检查低噪声管的匹配电路。压和偏置电压、检查低噪声管的匹配电路。2、噪声偏高、噪声偏高导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：低噪管输入匹配异常、低噪声管低噪管输入匹配异常、低噪声管供电异常。供电异常。解决方法：解决方法：检查低噪声管的匹配电路、检查低噪声管供检查低噪声管的匹配电路、检查低噪声管供电电路电电路133、oip3偏低、互调差。偏低、互调差。导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：末级放大管工作不正常、供电电

12、路不末级放大管工作不正常、供电电路不正常。正常。解决方法：解决方法：检查末级放大器的电路、检查各级放大器的供电检查末级放大器的电路、检查各级放大器的供电电路。电路。4、数控衰减不正常、数控衰减不正常导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：数控衰减器电路异常、数控衰减器接数控衰减器电路异常、数控衰减器接地不良、数控衰减器供电不正常。地不良、数控衰减器供电不正常。14四、高功率放大器的分析四、高功率放大器的分析 高频功率放大器通常是指输出功率大于几十毫瓦以上的高频功率放大器通常是指输出功率大于几十毫瓦以上的高频放大器，主要用作功率放大，一般用在通讯系统的高频放大器，主要用作功率放大，一般用在通讯系

13、统的发射末级，与双工器及天线相连。发射末级，与双工器及天线相连。基本指标要求基本指标要求1、频率范围：是指放大器所工作的频率、频率范围：是指放大器所工作的频率2、输出功率（、输出功率（pout)：功放要求设计的输出功率、是功放：功放要求设计的输出功率、是功放各项指标要求的前提。各项指标要求的前提。3、1db 压缩点的输出功率（压缩点的输出功率（p-1)： 1db 压缩点的输出功压缩点的输出功率是指功率放大器增益压缩率是指功率放大器增益压缩1db 时的输出功率。时的输出功率。 p-1是是衡量功率放大器线性的一个重要指标之一。例如：我们衡量功率放大器线性的一个重要指标之一。例如：我们公司功放产品中

14、公司功放产品中cpa40d中所说的中所说的mrf9180，180指的指的就是末级管就是末级管p1是是180w。154、增益（、增益（gain）：额定输出时，输出信号电平与输入信号）：额定输出时，输出信号电平与输入信号电平的比值。电平的比值。5、三阶互调抑制（、三阶互调抑制（imd）：在额定输出时，三阶互调产物）：在额定输出时，三阶互调产物与基频信号的比值，是测量功放线性度的常用指标。与基频信号的比值，是测量功放线性度的常用指标。6、邻信道功率比（、邻信道功率比（acpr）：功放对邻信道的杂散与主信）：功放对邻信道的杂散与主信号的比值，是衡量功放线性度的又一重要指标。号的比值，是衡量功放线性度的

15、又一重要指标。7、带内波动（、带内波动（ripple）：在额定输出时，工作频带内最大）：在额定输出时，工作频带内最大值与最小值的比。值与最小值的比。8、输入（出）驻波比（、输入（出）驻波比（vswr）：传输线上电压最大值与）：传输线上电压最大值与最小值的比最小值的比 169、噪声系数：功放输入信噪比与输出信噪比的比值，由于、噪声系数：功放输入信噪比与输出信噪比的比值，由于功放作为系统发射末端，对噪声系数的要求并不是很高，功放作为系统发射末端，对噪声系数的要求并不是很高，通常要求功放的噪声系数小于通常要求功放的噪声系数小于8在在db即可。即可。10、功放效率、功放效率：在额定输出时，功放输出功率

16、与电源输出功在额定输出时，功放输出功率与电源输出功率的比值，是衡量放大器将直流电源转换成信号功率的能率的比值，是衡量放大器将直流电源转换成信号功率的能力。力。17五、高功率放大器的设计方法五、高功率放大器的设计方法由于高功率放大器输出的信号比较高，不能象小信号放大器由于高功率放大器输出的信号比较高，不能象小信号放大器一样利用一样利用s参数来进行仿真计算，因此，通常采用的方法参数来进行仿真计算，因此，通常采用的方法有：甲类逼近法、阻抗匹配法、谐波平衡法、负载牵引法有：甲类逼近法、阻抗匹配法、谐波平衡法、负载牵引法等，最常用的方法是阻抗匹配法和谐波平衡法，以下仅对等，最常用的方法是阻抗匹配法和谐波

17、平衡法，以下仅对阻抗匹配法作简要介绍：阻抗匹配法作简要介绍：1、根据系统要求选择器件、根据系统要求选择器件 首先要根据系统指标要求，选用前级、末级、推动级放首先要根据系统指标要求，选用前级、末级、推动级放大管，是方案设计的基础。大管，是方案设计的基础。18 2、计算系统指标及各级指标分配、计算系统指标及各级指标分配 计算系统指标及各级指标分配，这一步很关键，是方案设计算系统指标及各级指标分配，这一步很关键，是方案设计的关键。计的关键。3、功能电路的设计、功能电路的设计 功能电路包括：功放开关电路、功率检测电路、驻波检测功能电路包括：功放开关电路、功率检测电路、驻波检测电路、电流检测电路、温度检

18、测电路及温度补尝电路等。电路、电流检测电路、温度检测电路及温度补尝电路等。 功能电路设计质量直接影响产品的可生产性及可操作性功能电路设计质量直接影响产品的可生产性及可操作性。193、放大器的仿真、计算、放大器的仿真、计算 由于放大器工作在大信号状态下，只能测试其大信号由于放大器工作在大信号状态下，只能测试其大信号下的输入、输出阻抗，通常情况下，我们要利用其输下的输入、输出阻抗，通常情况下，我们要利用其输入、输出阻抗进行仿真计算。常用的入、输出阻抗进行仿真计算。常用的cad软件有：软件有：agilent公司的公司的ads、ansoft公司的公司的serender4、放大器的输入、输出匹配、放大器

19、的输入、输出匹配 目前使用的大功率放大管以外匹配的目前使用的大功率放大管以外匹配的ldmos及及fet ga as为主，所以放大管的匹配是功放电路设计的一为主，所以放大管的匹配是功放电路设计的一个重点工作之一。个重点工作之一。205、设计原理图及、设计原理图及pcb文件文件 原理图和原理图和pcb设计方案设计的成果，一个好的设计方案设计的成果，一个好的pcb设计设计能决定一个方案的成败。能决定一个方案的成败。6、制板、实验板调试、制板、实验板调试 制板及调试是方案设计的后期工作，是方案设计的验证制板及调试是方案设计的后期工作，是方案设计的验证阶段。阶段。7、例行实验及可靠性分析、例行实验及可靠

20、性分析 例行实验包括高低温实验、振动实验、高温老化、例行实验包括高低温实验、振动实验、高温老化、emc等，是常用的可靠性的分析方法。等，是常用的可靠性的分析方法。21六、低噪声放大器的常六、低噪声放大器的常见故障及解决方法见故障及解决方法1、功放无输出、电流很大、功放无输出、电流很大 导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：自激、电源短路，自激、电源短路， 解决方法：检查解决方法：检查电源是否短路电源是否短路2、功放无增益或输出很小、电流正常、功放无增益或输出很小、电流正常导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：主放大电路高频短路、耦合电容虚焊主放大电路高频短路、耦合电容虚焊或损坏、某级放大器

21、损坏。或损坏、某级放大器损坏。解决方法：先检查放大电路是否有高频短路、耦合电容是否解决方法：先检查放大电路是否有高频短路、耦合电容是否有虚焊、再查看各级放大器偏置电压是否正常。有虚焊、再查看各级放大器偏置电压是否正常。223、增益偏小、增益偏小导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：放大电路耦合电容不良、某级放大器放大电路耦合电容不良、某级放大器性能不良、供电不正常、隔离器损耗大、匹配电路不正常性能不良、供电不正常、隔离器损耗大、匹配电路不正常等。等。解决方法：解决方法：检查每一级偏置电压和匹配电路是否正常、如果检查每一级偏置电压和匹配电路是否正常、如果正常，使用开口电缆分别测试每一级的增益。

22、正常，使用开口电缆分别测试每一级的增益。4、三阶互调高、三阶互调高、acpr差差导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：末级或推动级静态工作点不正常，末末级或推动级静态工作点不正常，末级输入、输出匹配电路不正常。级输入、输出匹配电路不正常。解决方法：解决方法：检查各级偏置电压及静态电流、检查匹配电路是检查各级偏置电压及静态电流、检查匹配电路是否异常。否异常。235、电流偏大、效率低、电流偏大、效率低导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：静态工作点过高、匹配电路不正常、静态工作点过高、匹配电路不正常、隔离器损耗大。隔离器损耗大。解决方法：解决方法：检查各级偏置电压及静态电流、检查匹配电路是检查

23、各级偏置电压及静态电流、检查匹配电路是否异常。放大器输出端、隔离器是否正常。否异常。放大器输出端、隔离器是否正常。6、功放增益偏小，功率上不去，但电流很大、功放增益偏小，功率上不去，但电流很大导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：功放自激功放自激解决方法：解决方法：首先检查哪一级自激、检查相应的供电电路和匹首先检查哪一级自激、检查相应的供电电路和匹配电路是否有异常。配电路是否有异常。247、前向（反向）功率检测不正常、前向（反向）功率检测不正常导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：耦合器短路、检波器或检波电路不正耦合器短路、检波器或检波电路不正常。常。解决方法：解决方法：耦合器是否短路、检

24、波电路是否正常。耦合器是否短路、检波电路是否正常。8、驻波比偏大、驻波比偏大导致这种现象情况有：导致这种现象情况有：隔离器驻波差隔离器驻波差解决方法：解决方法：更换隔离器更换隔离器25七、七、举例说明高频功率举例说明高频功率放大器的调试技巧放大器的调试技巧下面我们以我公司的移动系列功放下面我们以我公司的移动系列功放gxdpa40d为例分析为例分析我们在生产调试过程中所遇到的问题及常用的解决方法：我们在生产调试过程中所遇到的问题及常用的解决方法： 指标要求：指标要求： 工作频率工作频率 ： 930mhz960mhz 增增 益益 ： 50501 1db 增益平坦度：增益平坦度： 1db1db 输出

25、功率：输出功率： 41.541.5dbm dbm 双音互调（双音互调（imdimd）：）： -53db-53dbcpout=41.5dbmcpout=41.5dbm 26 噪声系数噪声系数 ： 8db8db 输入驻波比输入驻波比 ： 1.4 输出驻波比输出驻波比 ： 1.25 静态电流静态电流 ： 1.8a 额定输出电流额定输出电流 ： 4.0a 工作温度范围：工作温度范围： -25 -25 6565 27信号输入信号输出ag602mrf9030mrf9060温度补尝功放开关输出功率检测反向功放检测温度检测电源+27vlm2576mrf9060apd增益调节78l09ah1tem-att28原

26、理说明原理说明 gxdpa40d功放采用四级放大，第一级为功放采用四级放大，第一级为ag602，第二级为，第二级为ah1，此两级为内匹配管，无需调试；第三级为，此两级为内匹配管，无需调试；第三级为mrf9030l，第四级，第四级为两个为两个mrf9060l推挽放大，此两级的输入输出均需匹配。推挽放大，此两级的输入输出均需匹配。 在控制和监控方面设有输出功率检测电路、反射功率检测电路和在控制和监控方面设有输出功率检测电路、反射功率检测电路和温度检测电路。功放单元采用单电源供电，温度检测电路。功放单元采用单电源供电，27v电源经过滤波后电源经过滤波后直接给直接给mrf9030l和和mrf9060l

27、漏极供电，另一面通过转换效率漏极供电，另一面通过转换效率高的集成开关电源模块（高的集成开关电源模块（lm2576-12）转换到）转换到12v，再通过各种，再通过各种调整稳压调整稳压ic提供相应的电压给各部分供电。功放单元还结合提供相应的电压给各部分供电。功放单元还结合lm2576-12的输出可控功能，设有功放工作使能开关的输出可控功能，设有功放工作使能开关 29调试说明调试说明1、检查焊接工艺，无虚焊，短路。检查焊接工艺，无虚焊，短路。 2 2、用万用表测试各模块供电是否有对地短路。、用万用表测试各模块供电是否有对地短路。 3 3、断开断开jp5jp5、jp10jp10。4、接通接通27v27

28、v电源，电流表的读数为电源，电流表的读数为14014020mv,20mv,测试各静态工作测试各静态工作电点电压，各电点电压，各icic供电正常。供电正常。 5 5、调节、调节vr3vr3，使，使u4u4栅压为栅压为2.0v2.0v；调节；调节vr4vr4、vr5vr5，使，使u11u11、u12u12栅压栅压均为均为2.0v2.0v306、调节调节vr1使电感使电感l3的电压为的电压为0.5v。7 7、调节、调节vr2vr2使电容使电容c11c11的电压为的电压为3v3v。 8 8、校好仪表，正确连接，焊接好、校好仪表，正确连接，焊接好jp5jp5，调节电位器调节，调节电位器调节vr3,vr3

29、,使使u4u4的静的静态电流为态电流为220ma(220ma(栅压为栅压为3.7v3.7v左右左右) ) ；焊接好；焊接好jp10,jp10,调节电位器调节调节电位器调节vr4 vr4 、vr5,vr5,使使u12u12、u11u11的静态电流分别为的静态电流分别为700ma(700ma(栅压为栅压为3.9v3.9v左右左右) )和和500ma(500ma(栅压为栅压为3.85v3.85v左右左右),),关断电源关断电源 。9 9、连接好测试电缆连接好测试电缆, ,将输入信号设为将输入信号设为-20dbm,-20dbm,上电测试上电测试, ,逐步加大输入逐步加大输入信号信号, ,测试该模块的技

30、术指标。调节测试该模块的技术指标。调节c83c83的位置可改善的位置可改善im3im3。调节。调节c84c84、c85c85可可改善改善带内波动时，带内波动时，在高低端时的互调均应满足指标。回退在高低端时的互调均应满足指标。回退时时im3im3无反弹。无反弹。 3110、调节调节apd(vr1)apd(vr1)， 联调各级静态点，使指标最优。调节联调各级静态点，使指标最优。调节vr2vr2，使增益，使增益 为为50db50db。 11、在频带内的高低端选择频率点，重复测试在频带内的高低端选择频率点，重复测试imdimd指标。指标。1212、使输出为、使输出为40dbm40dbm，测试，测试db

31、15fdb15f的的5 5脚的电压为脚的电压为70070020mv20mv，若不在此范，若不在此范围内，调节围内，调节r32r32、r28r28、r29r29组成的衰减网络。调节信号源输出电平，组成的衰减网络。调节信号源输出电平，使功放的输出功率为使功放的输出功率为30dbm30dbm，测得电压在，测得电压在50050020mv20mv。1313、断开输出端，加信号使输出为断开输出端，加信号使输出为40dbm40dbm，测得，测得db15fdb15f的的6 6脚的电压为脚的电压为70070020mv20mv，若不在此范围内，调节，若不在此范围内，调节r24r24、r25r25、r30r30组成

32、的衰减网络。组成的衰减网络。调节信号源输出电平，使功放的输出功率为调节信号源输出电平，使功放的输出功率为30dbm30dbm，断开输出端，测，断开输出端，测得电压在得电压在50050020mv20mv。1414、测试测试db15fdb15f的的1515脚电压为脚电压为0.800.800.1v(0.1v(常温，功放没有发热的情况下常温，功放没有发热的情况下) )32八、常见故障及解决方法八、常见故障及解决方法1、电流大（短路）电流大（短路）用万用表测得用万用表测得27v供电有对地短路现象，分别断开供电有对地短路现象，分别断开jp4、jp9测试测试u4、u11、u12的输出端有无对地短路，若无则为

33、公共部分有短路的元件的输出端有无对地短路，若无则为公共部分有短路的元件，需逐个判断。，需逐个判断。2、功率管工作不正常功率管工作不正常( (弱自激弱自激) )关闭后两级功放管栅压时功放的电流为关闭后两级功放管栅压时功放的电流为14014020ma,20ma,若偏大（几十毫安若偏大（几十毫安），测试），测试u1u1输出端电压输出端电压, ,如果为如果为5v5v0.1v0.1v则正常则正常, ,要查找各要查找各icic（u3u3、u7u7、u8u8、u14u14、u15u15、u19u19）工作是否正常。）工作是否正常。在调节在调节u4u4的静态电流时，若有电流突变现象，说明该级有自激现象，的静态电流时