RF Circuit Design: Theory and Application福州大学通信工程系许志猛1TOPIC 7-1射频/微波放大器增益及稳定性2主要内容主要内容o放大器的基本原理n放大器的分类n放大器的特性指标o放大器的功率关系o放大器的功率增益o放大器的稳定性判定n稳定性判别圆n绝对稳定n有条件稳定n稳定性措施3RF/MW放大器的基本原理放大器的基本原理o放大器是无线收发机中的重要组成部件。o类似于低频放大器，RF/MW放大器电路是为了获取稳定的增益，其基本原理相同。o在RF/MW放大器电路中通常使用二端口网络进行描述，用S参量表述晶体管的特性，因此其分析和设计也是基于S参量和二端口网络。o对射频电路而言，要特别关注输入端与输出端的阻抗匹配问题。4RF/MW放大器的分类放大器的分类o按用途：n低噪声放大器n中频放大器n可变增益放大器n功率放大器o中功率放大器、大功率放大器。o按信号的强弱：n小信号放大器n大信号放大器o按工作范围：n宽带放大器n窄带放大器o按电路组态工作点的位置：nA(甲)类、B(乙)类、C（丙）类等5小信号放大器的性能指标小信号放大器的性能指标o增益和增益平坦度（以dB表示）o工作频率及带宽（单位Hz）o稳定性o噪声系数（以dB表示）o输出功率（单位dBm）o输入输出端口匹配( 反射系数或驻波比)o直流工作电压和电流（单位V和A）o其他参数：n线性度（动态范围）、交调失真、谐波、反向隔离等6放大器的二端口网络表示放大器的二端口网络表示o所有放大器，不管其内部结构是什么，都可以用线性二端口模型来描述。o当频率在RF频段以上时，通常采用S（散射）参量来描述网络。 b = s a b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2ai、bi分别为输入、输出信号的振幅大小。7放大器的网络模型放大器的网络模型o下图为典型单级放大器，其输入端接信号源，输出端接负载。n输入、输出匹配网络可用于减小有害反射从而增加功率流容量。n放大器的指标由其在特定偏置条件下的S参量确定。8放大器的功率关系放大器的功率关系o如果把两个匹配网络分别归入信号源和负载阻抗中，则放大器电路可以简化如下图。o由此模型分析放大器的功率关系。9放大器的功率关系放大器的功率关系o设信号源阻抗为Zs，匹配网络阻抗为Z0，则信号源的归一化电压：o已知b1是放大器输入端口的反射波，但对信号源来说它是入射波。b1被信号源Zs再反射后变成了向放大器入射的波。o于是输入端口的入射波：因为in=1=b1/a1， 10放大器的功率关系放大器的功率关系p所以，放大器的入射波功率：p显然，放大器输入端的实际输入功率应为入射波功率减去反射波功率，即:11放大器的功率关系放大器的功率关系o如果放大器的输入阻抗与信号源的阻抗共轭匹配，即: ，或 。则信号源到放大器之间有最大功率传输。o在共轭匹配下信号源传给负载（放大器）的最大功率定义为信号源的资用功率（记作PA）：p可见，信号源资用功率与s有关。12放大器的功率关系放大器的功率关系p对于输出端口，应用同样的原理分析。p已知a2是放大器端口2的入射波，但对负载来说它是反射波，所以有：p又由S参量定义，p整理得：p因此，负载的输入功率（即负载吸收的功率）：13放大器的功率增益放大器的功率增益o射频微波晶体管放大器功率增益是管子S参数、信号源阻抗和负载阻抗的函数。o信号源阻抗、负载阻抗与放大器的匹配状态不同时，所得功率增益是不同的，通常有：n转换功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端的资用功率之比，与两端阻抗都有关，即：GT=PL/Pa。n实际功率增益：负载吸收功率与二端口网络输入端吸收功率之比，与源阻抗无关，与负载阻抗有关，即：G=PL/Pin 。n资用功率增益：二端口网络输入资用功率与输出资用功率之比，源端和负载端均共轭匹配，与源阻抗有关，与负载阻抗无关。它是放大器增益的最大潜力，即：GA=Pavs/Pavs。14转换功率增益转换功率增益o负载吸收功率与信号源资用功率的比值称为放大器的转换功率增益，即：由15输入、输出反射系数输入、输出反射系数o在输出端口接ZL负载时，La2 / b2，代入S参量公式，有：n求出输出端入反射系数：o同理，当输入端口接源阻抗Zs时，由n求出输出端入反射系数：16转换功率增益转换功率增益o应用in、out的表达式，转换功率增益可以改写成：oGT的物理意义是：插入放大器后，负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。oGT反映了晶体管S参数和网络输入、输出端匹配程度对增益的影响。17单向转换功率增益单向转换功率增益p如果忽略放大器反馈的影响，即认为S12=0，则in=S11，out=S22，这时有： GTU与GT通常是非常接近的，因而常用上式作为放大器及其输入、输出网络近似设计的基础。p由放大器的转换功率增益，可导出放大器的实际功率增益和资用功率增益。单向化转换功率增益18实际功率增益实际功率增益o实际功率增益是指负载吸收功率与放大器输入功率的比值。o实际功率增益只与S参数、L 有关，而与s 无关（式中in也与s无关，只与L有关）。o应用G的表达式便于研究负载变化对放大器功率增益的影响。19资用功率增益资用功率增益p放大器资用功率增益是指放大器的资用功率与信号源资用功率的比值。o因为 时，放大器的资用功率=负载吸收的功率。o由资用功率增益定义可得oGA的物理意义是：n插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。n实际上，放大器在输入、输出端都不见得是共轭匹配，GA只是表明放大器功率增益的一种潜力。n应用GA的表达式便于研究信号源阻抗变换对放大器增益的影响。20放大器增益总结放大器增益总结21放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定o射频放大器内部通常存在着反馈量S12，而反馈系统必然会引起稳定性问题。o源反射系数、输入端口反射系数、输出端口反射系数和负载反射系数这四个概念是理解双端口网络稳定性的关键。o这四个反射系数是各自独立的，由S参量确定。p根据的物理意义，如果|1，则反射波幅度超过入射波，这说明电路出现正反馈，从而导致不稳定现象。p因此，可以通过反射系数来判断放大器的稳定性。22微波管有内部反馈微波管有内部反馈 S12是反馈，是反馈，S12、S21有相位移有相位移判断不稳定依据判断不稳定依据 ：输入或输出端是否等效有负阻输入或输出端是否等效有负阻稳定性判别圆23稳定性判别圆稳定性判别圆p将放大器看作二端口网络，该网络由S参数及外部端接条件L、s确定。p稳定意味着反射系数的模小于1，即：式中24稳定性判别圆稳定性判别圆p由于S参数在晶体管以及工作频率给定时是个定值，所以对稳定性有影响的参数是L和s。p考察|in|1的稳定性条件。将其中各参数分解为实部和虚部：代入|in|=1，整理可得圆方程：推导过程可参考赵国湘、高葆新编微波有源电路P19925稳定性判别圆稳定性判别圆o上述圆方程可由以下参数确定：o圆心：o半径：o由rout和Cout的表示式可见，S参数确定后rout和Cout在L复平面上确定一个圆，称为稳定性判别圆（简称稳定圆）。26放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定p以上讨论的是L复平面上的|in|=1圆，用同样方法由可得到在s复平面上的稳定性判别圆：圆半径圆心式中27放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定输入端稳定性判别圆输入端稳定性判别圆下面讨论如何用稳定性判别圆判断稳定区域28放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定p右图示L复平面上的稳定性判别圆的一种情况。|in|=1圆将L复平面分成两个区域，根据定义：p|in|1的区域是潜在不稳定区。稳定区稳定区潜在不稳定是指在|L|1单位圆内存在不稳定区圆外还是圆内是稳定区域？29放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定o由公式o可 见 ， 如 果 L=0， 则 |in|=|S11|， 对 应 于|S11|1，有以下两种情况：p若|S11|1 则|in|1，这时L复平面原点（L=0点）所在的区域是稳定区。因为|S11|1 时，L=0，则|in|=|S11|1，则原点区域为潜在不稳定区，但一般微波晶体管器件本身的|S11|均小于1，不会发生这种情况。30放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定p由以上分析可知，在|S11|1的条件下，稳定圆将L平面分成圆内和圆外两个区域：p其中包含原点的区域为稳定区，再考虑|L|1就可以确定保证放大器稳定时输出匹配网络L的取值范围。p另一部分的L为潜在不稳定区。p|in|=1圆，有人称为“输入稳定判别圆”，因为判别的是输入端口的稳定性；p也有人称之为“输出稳定圆”，因为它是输出负载平面上的判别圆，用来确定对输出负载的正确选择。p由于各晶体管的S参数不同，稳定圆在L复平面上的位置和大小也不同。31稳定性判断实例稳定性判断实例条件：|S11|132多频率点稳定性判别圆多频率点稳定性判别圆33放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定p|S22|1时，在s复平面上稳定圆与单位圆的相对关系类似于|in|=1圆与|L|=1单位圆的关系。p潜在不稳定原因是管内存在反馈S12。p设计放大器时要避开不稳定区。而且，晶体管输入、输出互相影响，要保证在L、s两个平面上同时避开不稳定区。p判别圆大小、位置取决于自身S参数。p稳定性情况有多种，需要掌握根据稳定性判别圆来确定L、s的取值范围。34 输入端稳定性判别圆输入端稳定性判别圆 圆心位置向量圆心位置向量 判别圆的半径判别圆的半径 输出端稳定性判别圆输出端稳定性判别圆 圆心位置向量圆心位置向量 判别圆的半径判别圆的半径式中：|in|=1稳定性判别圆位置总结稳定性判别圆位置总结|out|=135绝对稳定绝对稳定o顾名思义绝对稳定是指在选定的工作频率和偏置条件下，放大器在整个Smith圆图内始终都处于稳定状态。这个概念对输入、输出端口都适用。o由L复平面上稳定圆可知，a、d情况L单位圆内全部是稳定区，即对于任意的|L |1的点都满足|in|1。o若同时对任意的|s|1的点，也都满足|out|1是放大器绝对稳定的必要条件，但还不是充分条件。o可以证明绝对稳定的充分必要条件是：o若S12=0，即单向化情况下，充分必要条件为：381. K1，但只要在输入端口所接s能满足|sin|1，则仍然可以使之稳定。n同理，只要|Lout|1 ，放大器也不会自激。o这两种办法虽然能使放大器仍然稳定工作，但包含着不稳定因素。如果端接条件有所变化，就可能会发生振荡，因此称为有条件稳定或潜在不稳定。42有条件稳定有条件稳定o网络输入端口接Zs，但|in|1。已知：ob1经s再反射后进入输入端口为：o如果 ，则说明来回反射趋于衰减，不可能引起自激。43放大器的稳定性判定放大器的稳定性判定p由于晶体管输入、输出端互有影响，因此设计时要保证在L和s单位圆内同时都避开不稳定区。p在具体设计步骤中，如果先避开输出平面上的不稳定区，根据指标要求选择了某个L值，而in与L值有关，根据输入端口匹配要求选择的s将与L有关。必须检验该s值是否也避开了输入平面上的不稳定区。p如果设计步骤先选择s，情况类似。p对有条件稳定的讨论表明：如果单位圆内不稳定区较小，则潜在不稳定条件下的设计是可能的。但总是尽可能工作于绝对稳定情况为好。44放大器的稳定措施放大器的稳定措施输入端输入端45放大器的稳定措施放大器的稳定措施输出端输出端46放大器的稳定性判定步骤放大器的稳定性判定步骤oS12=0：n晶体管为单向器件，绝对稳定，|S11|1，|S22|1，|1时，是绝对稳定。o对输入和输出匹配电路的设计没有限定条件，依据噪声和增益指标进行设计。n不满足稳定判据，是条件稳定。o要用圆图找出s和L的取值范围，也就是采用稳定圆判别法。o稳定圆可以直接计算，也可用商业软件，如Ansoft Designer，Microwave Office，SUPER COMPACT等。47设计实例设计实例o求双极结晶体管BFG505W的稳定区，工作条件为VCE=6V，IC4mA。S参量表如下：o解：n根据k，|，Cin，rin，Cout，rout的定义，可以由S参量计算出各个频率上的状态48设计实例设计实例49THE ENDo作业与思考题n9.3， 9.750