射频放大器的设计(吉大通信).ppt

第第8 8章章 射频放大器的设计射频放大器的设计 本章介绍各类放大器的设计。设计放本章介绍各类放大器的设计。设计放大器首先要选择适当的晶体管，在选择了大器首先要选择适当的晶体管，在选择了有特定参量的晶体管后，放大器主要通过有特定参量的晶体管后，放大器主要通过设计输入输出匹配网络来实现。设计输入输出匹配网络来实现。本章首先讨论放大器的分类和偏置网本章首先讨论放大器的分类和偏置网络；然后对小信号讨论高增益、低噪声和络；然后对小信号讨论高增益、低噪声和宽带放大器；最后讨论功率放大器和多级宽带放大器；最后讨论功率放大器和多级放大器。放大器。放大器的工作状态和分类放大器的工作状态和分类8.1放大器的偏置网络放大器的偏置网络8.2小信号放大器的设计小信号放大器的设计8.3功率放大器的设计功率放大器的设计8.4多级放大器的设计多级放大器的设计8.58.1 8.1 放大器的工作状态和分类放大器的工作状态和分类8.1.1 基于静态工作点的放大基于静态工作点的放大器分类器分类根据静态工作点的不同，放大器可以根据静态工作点的不同，放大器可以分为以下分为以下4类。类。（1）A类放大器类放大器（2）B类放大器类放大器（3）AB类放大器类放大器（4）C类放大器类放大器 图图8.1 基于静态工作点的放大器分类基于静态工作点的放大器分类 8.1.2 基于信号大小的放大器基于信号大小的放大器分类分类根据信号大小的不同，放大器可以分根据信号大小的不同，放大器可以分为小信号工作模式和大信号工作模式，分为小信号工作模式和大信号工作模式，分述如下。述如下。（1）小信号分析法小信号分析法 当输入交流信号的幅度与恒定偏压值当输入交流信号的幅度与恒定偏压值相比是一个小量级时，器件的工作状态近相比是一个小量级时，器件的工作状态近似线性，可以采用小信号分析法。似线性，可以采用小信号分析法。（2）大信号分析法大信号分析法 当输入交流信号的幅度很大时，交流当输入交流信号的幅度很大时，交流信号的工作区域会超出器件的线性工作区信号的工作区域会超出器件的线性工作区域，进入非线性工作区域，引起器件非线域，进入非线性工作区域，引起器件非线性工作，这时用大信号分析法。性工作，这时用大信号分析法。在小信号及大信号这在小信号及大信号这2种不同的工作种不同的工作模式下，放大器的设计方法不同，本章重模式下，放大器的设计方法不同，本章重点讨论小信号放大器的设计方法。点讨论小信号放大器的设计方法。8.2 8.2 放大器的偏置网络放大器的偏置网络偏置网络的设计是直流电路的设计，偏置网络的设计是直流电路的设计，偏置电路的作用是在特定的工作条件下为偏置电路的作用是在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持放放大器提供适当的静态工作点，以保持放大器工作特性的恒定。大器工作特性的恒定。8.2.1 偏置电路与射频电路之偏置电路与射频电路之间的连接间的连接偏置电路是直流的通路，射频电路是偏置电路是直流的通路，射频电路是射频交流信号的通路，偏置电路与射频电射频交流信号的通路，偏置电路与射频电路是一个放大器中不可分割的两部分，但路是一个放大器中不可分割的两部分，但希望直流的通路与射频交流信号的通路之希望直流的通路与射频交流信号的通路之间能够完全隔离，以消除直流与射频交流间能够完全隔离，以消除直流与射频交流信号之间的耦合。信号之间的耦合。为此，偏置电路与射频电路之间的连为此，偏置电路与射频电路之间的连接可以采取以下接可以采取以下3种方案。种方案。（1）在直流源与射频电路之间连接在直流源与射频电路之间连接一个电感，即通常所说的射频扼流圈一个电感，即通常所说的射频扼流圈（RFC）。射频扼流圈可以有效阻塞）。射频扼流圈可以有效阻塞射频信号，但对直流可以视为无损耗射频信号，但对直流可以视为无损耗通路。通路。（2）在直流源与射频电路之间连接在直流源与射频电路之间连接一个一个/4的阻抗变换器，阻抗变换器的阻抗变换器，阻抗变换器的特性阻抗应很高，可以对射频信号的特性阻抗应很高，可以对射频信号产生很高的阻抗。产生很高的阻抗。（3）将一个大电容作为负载接于将一个大电容作为负载接于/4阻抗变换器的终端，可以有效地短路阻抗变换器的终端，可以有效地短路可能泄露到偏置电路中的射频信号。可能泄露到偏置电路中的射频信号。大电容在射频频率下呈现短路，经大电容在射频频率下呈现短路，经/4阻抗变换器后，相当于开路，从阻抗变换器后，相当于开路，从而可以隔断射频信号。而可以隔断射频信号。8.2.2 偏置电路的设计偏置电路的设计偏置电路有许多设计方法，这里举例偏置电路有许多设计方法，这里举例说明。考察如图说明。考察如图8.2所示的所示的2种偏置电路，种偏置电路，图中图中RFC将射频信号与直流电源隔离开。将射频信号与直流电源隔离开。图图8.2 偏置电路偏置电路 RFC可以更换为可以更换为/4阻抗变换器，这时阻抗变换器，这时/4阻抗变换器可将大电容阻抗变换器可将大电容CB端口对射频信端口对射频信号的短路状态变换为晶体管端口的开路状号的短路状态变换为晶体管端口的开路状态。态。8.3 8.3 小信号放大器的设计小信号放大器的设计本节讨论多种小信号放大器的射频电本节讨论多种小信号放大器的射频电路设计，其中每种放大器都是注重放大器路设计，其中每种放大器都是注重放大器某些方面的特性，如注重增益、噪声系数某些方面的特性，如注重增益、噪声系数或带宽等。下面首先给出小信号放大器的或带宽等。下面首先给出小信号放大器的设计步骤，然后分别讨论各类小信号放大设计步骤，然后分别讨论各类小信号放大器的设计。器的设计。8.3.1 小信号放大器的设计步小信号放大器的设计步骤骤（1）根据放大器设计指标的要求，根据放大器设计指标的要求，选择合适的晶体管。选择合适的晶体管。例如，若设计要求放大器的增益为例如，若设计要求放大器的增益为G，则应选择在要求的频率范围内满足，则应选择在要求的频率范围内满足|S21/S12|G的晶体管；若设计要求放大器的的晶体管；若设计要求放大器的噪声系数为噪声系数为F，则应选择最小噪声系数，则应选择最小噪声系数Fmin1，|1）检验晶体管的稳定性。）检验晶体管的稳定性。如果晶体管不是绝对稳定，应在史密如果晶体管不是绝对稳定，应在史密斯圆图上画出输入和输出稳定判别圆，确斯圆图上画出输入和输出稳定判别圆，确定稳定区域。定稳定区域。（5）考察能否使用单向化设计。考察能否使用单向化设计。若若S12=0，可以使用单向化设计；若，可以使用单向化设计；若S120，计算单向化设计误差因子，计算单向化设计误差因子U，如果，如果误差在可允许的范围内，可以使用单向化误差在可允许的范围内，可以使用单向化设计；若设计；若S120，但，但U表明误差超出可允许表明误差超出可允许的范围，使用双向化设计。的范围，使用双向化设计。（6）设计射频输入、输出匹配网络，设计射频输入、输出匹配网络，以达到下面的设计指标要求。以达到下面的设计指标要求。最大增益放大器最大增益放大器 固定增益放大器固定增益放大器 最小噪声放大器最小噪声放大器 低噪声放大器低噪声放大器 宽带放大器宽带放大器 图图8.3示出了小信号放大器的设计步骤。示出了小信号放大器的设计步骤。图图8.3 小信号放大器的设计步骤小信号放大器的设计步骤 8.3.2 最大增益放大器的设计最大增益放大器的设计最大增益放大器，需要考虑单向化设最大增益放大器，需要考虑单向化设计和双向化设计计和双向化设计2种情况。种情况。无论是单向化设计还是双向化设计，无论是单向化设计还是双向化设计，都要保证信源与晶体管之间以及晶体管与都要保证信源与晶体管之间以及晶体管与负载之间达到共轭匹配，这导致负载之间达到共轭匹配，这导致S和和L的的取值是唯一的。当得到取值是唯一的。当得到S和和L后，可以设后，可以设计输入、输出匹配网络，并可以得到最大计输入、输出匹配网络，并可以得到最大增益的数值。增益的数值。图图8.4 例例8.1用图用图 图图8.5 例例8.2用图用图 8.3.3 固定增益放大器的设计固定增益放大器的设计固定增益是小于最大增益的某一特定固定增益是小于最大增益的某一特定值。在许多情况下，设计要求达到固定增值。在许多情况下，设计要求达到固定增益而不是最大增益，以便兼顾放大器的其益而不是最大增益，以便兼顾放大器的其他指标或满足放大器增益的设定值。他指标或满足放大器增益的设定值。固定增益放大器的设计需要考虑单向固定增益放大器的设计需要考虑单向化设计和双向化设计化设计和双向化设计2种情况，下面分别给种情况，下面分别给出设计过程。出设计过程。单向化设计需要根据指标要求分配单向化设计需要根据指标要求分配GS和和GL的取值，并根据的取值，并根据GS和和GL取值画出输入、取值画出输入、输出等增益圆。输出等增益圆。在输入等增益圆上任选满足稳定性的在输入等增益圆上任选满足稳定性的S，在输出等增益圆上任选满足稳定性的，在输出等增益圆上任选满足稳定性的L，以此为依据完成输入、输出匹配网络，以此为依据完成输入、输出匹配网络的设计。此时，满足增益要求的的设计。此时，满足增益要求的S和和L可可有多种选择，不是唯一的。有多种选择，不是唯一的。输入、输出等增益圆分别表示为输入、输出等增益圆分别表示为 晶体管双向时，可以采用功率增益法晶体管双向时，可以采用功率增益法设计放大器。这时需要根据功率增益的值设计放大器。这时需要根据功率增益的值画出等功率增益圆，在任选等功率增益圆画出等功率增益圆，在任选等功率增益圆上满足稳定性的一个上满足稳定性的一个L后，可以计算出后，可以计算出in，进而利用，进而利用S=in可以计算出可以计算出S。需要说明的是，当选择了需要说明的是，当选择了L后，后，S唯唯一确定。由一确定。由S和和L可以设计输入、输出匹可以设计输入、输出匹配网络。等功率增益圆表示为配网络。等功率增益圆表示为|LCgP|=rgP 图图8.6 例例8.3用图用图 图图8.7 例例8.4用图用图 图图8.8 例例8.5用图用图 图图8.9 例例8.6用图用图 图图8.10 例例8.7用图用图 8.3.5 低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计低噪声放大器的设计目标是要在输入低噪声放大器的设计目标是要在输入端噪声系数不超过给定值的前提下，获得端噪声系数不超过给定值的前提下，获得设定的增益。低噪声放大器的设计需要画设定的增益。低噪声放大器的设计需要画出等噪声系数圆。等噪声系数圆可以写为出等噪声系数圆。等噪声系数圆可以写为|SCF|=rF 图图8.11 例例8.8用图用图 图图8.12 例例8.9用图用图 8.3.6 宽带放大器的设计宽带放大器的设计带宽为中心工作频率的带宽为中心工作频率的10%（或更低）（或更低）的放大器为窄带放大器。例如，中心工作的放大器为窄带放大器。例如，中心工作频率为频率为1GHz的窄带放大器，工作频率范围的窄带放大器，工作频率范围小于小于9501050MHz。前面讨论的小信号放。前面讨论的小信号放大器的设计思路和方法适用于窄带放大器。大器的设计思路和方法适用于窄带放大器。带宽可以用倍频程表示，一个倍频程带宽可以用倍频程表示，一个倍频程是任意一个给定频率是任意一个给定频率f与该频率的与该频率的2倍（倍（2f）或二分之一（或二分之一（f/2）之间的频率区域。在一）之间的频率区域。在一个倍频程以上的宽频带范围内，若放大器个倍频程以上的宽频带范围内，若放大器具有基本平坦的频率曲线和基本平坦的功具有基本平坦的频率曲线和基本平坦的功率增益，可以称为宽带放大器。率增益，可以称为宽带放大器。例如，可以工作在例如，可以工作在12GHz的放大器的放大器可以称为宽带放大器。可以称为宽带放大器。1.宽带放大器的特性随频率而变宽带放大器的特性随频率而变化化 随着工作带宽的增加，放大器晶体管随着工作带宽的增加，放大器晶体管参量和匹配网络的特性将随频率的变化而参量和匹配网络的特性将随频率的变化而变化，造成放大器设计复杂化。这些变化变化，造成放大器设计复杂化。这些变化主要如下。主要如下。（1）晶体管参量晶体管参量S21随频率的升高而随频率的升高而下降，下降可达下降，下降可达6dB/倍频程。晶体管倍频程。晶体管参量参量S12随频率的升高而升高，升高可随频率的升高而升高，升高可达达6dB/倍频程。倍频程。（2）稳定性因子稳定性因子k与与|S12S21|有关，所有关，所以放大器的稳定性取决于以放大器的稳定性取决于|S12S21|随频随频率的变化。率的变化。（3）放大器的增益与放大器的增益与S参量有关，参量有关，S参量随频率的变化会影响增益的平坦参量随频率的变化会影响增益的平坦性。性。（4）放大器的噪声与放大器的噪声与S参量有关，参量有关，S参量随频率的变化会影响噪声系数。参量随频率的变化会影响噪声系数。（5）放大器输入、输出匹配网络的放大器输入、输出匹配网络的特性随频率变化。特性随频率变化。2.宽带放大器的设计方法宽带放大器的设计方法 由于宽带放大器带来了上述问题，必由于宽带放大器带来了上述问题，必须对宽带放大器的设计给予特殊考虑。须对宽带放大器的设计给予特殊考虑。宽带放大器的设计目标是在工作宽带宽带放大器的设计目标是在工作宽带内获得相对平坦的功率增益，而不再是获内获得相对平坦的功率增益，而不再是获得最大功率增益，这是以牺牲功率增益来得最大功率增益，这是以牺牲功率增益来换取宽频带内功率增益的平坦性。宽带放换取宽频带内功率增益的平坦性。宽带放大器的设计方法是多样的，可以采取以下大器的设计方法是多样的，可以采取以下4个方法设计。个方法设计。（1）补偿匹配网络。补偿匹配网络。（2）平衡放大器。平衡放大器。（3）负反馈。负反馈。（4）分布放大器。分布放大器。3.宽带放大器的设计举例宽带放大器的设计举例（1）补偿匹配网络补偿匹配网络（2）平衡放大器平衡放大器 图图8.13 例例8.10用图用图 图图8.14 平衡放大器平衡放大器8.4 8.4 功率放大器的设计功率放大器的设计前面只讨论了小信号放大器。小信号前面只讨论了小信号放大器。小信号放大器输入信号功率足够小，可以假定晶放大器输入信号功率足够小，可以假定晶体管是线性器件，此时放大器的设计是基体管是线性器件，此时放大器的设计是基于小信号的于小信号的S参量进行的。参量进行的。功率放大器是大信号放大器。由于信功率放大器是大信号放大器。由于信号幅度比较大，晶体管时常工作于非线性号幅度比较大，晶体管时常工作于非线性区域，在这种情况下，小信号区域，在这种情况下，小信号S参量本身对参量本身对大信号放大器通常失效，此时需要求出晶大信号放大器通常失效，此时需要求出晶体管大信号时的相应参数，以便得到放大体管大信号时的相应参数，以便得到放大器的合理设计。器的合理设计。功率放大器可以设计为功率放大器可以设计为A类放大器、类放大器、AB类放大器、类放大器、B类放大器或类放大器或C类放大器。类放大器。当工作频率大于当工作频率大于1GHz时，常使用时，常使用A类功率类功率放大器。下面讨论放大器。下面讨论A类功率放大器的设计类功率放大器的设计及交调失真。及交调失真。8.4.1 A类放大器的设计类放大器的设计1.大信号下晶体管的特性参数大信号下晶体管的特性参数（1）1dB增益压缩点增益压缩点小信号线性功率增益记为小信号线性功率增益记为G0dB，1dB增益压缩点相应的增益记为增益压缩点相应的增益记为G1dB，即，即 G1dB=G0dB1dB（8.20）图图8.15 功率放大器输入功率与输出功率的关系功率放大器输入功率与输出功率的关系 （2）动态范围动态范围DR相对于最小输入可检信号功率相对于最小输入可检信号功率Pin,mds，相应的最小输出可检信号功率，相应的最小输出可检信号功率Pout,mds必必须大于噪声功率方可检测到。须大于噪声功率方可检测到。为检测得到输出信号，假定为检测得到输出信号，假定Pout,mds比比输出热噪声输出热噪声PNo高高XdB(通常通常XdB取取3dB)。功率放大器的动态范围定义为功率放大器的动态范围定义为 DR=Pout,1dBPout,mdsdB（8.23）（3）SP和和LPSP和和LP是晶体管在是晶体管在1dB增益压缩点增益压缩点时源和负载的反射系数。时源和负载的反射系数。（4）等功率线等功率线在史密斯圆图上，作为负载反射系数在史密斯圆图上，作为负载反射系数LP的函数的等输出功率点，构成等功率线。的函数的等输出功率点，构成等功率线。由于晶体管的非线性，等功率线通常不是由于晶体管的非线性，等功率线通常不是圆。圆。2.A类功率放大器的设计类功率放大器的设计（1）利用小信号利用小信号S参量设计参量设计（2）利用大信号利用大信号S参量设计参量设计（3）利用利用SP和和LP设计设计（4）利用等功率线设计利用等功率线设计 图图8.16 例例8.11用图用图 8.4.2.交调失真交调失真1.三阶截止点三阶截止点IP在非线性放大器的输入端加在非线性放大器的输入端加2个或个或2个个以上频率的正弦信号时，在输出端会产生以上频率的正弦信号时，在输出端会产生附加频率分量，这会引起输出信号的失真。附加频率分量，这会引起输出信号的失真。由图由图8.17可以看出，三阶交调输出功可以看出，三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为率随输入功率变化的斜率为3，线性产物输，线性产物输出功率随输入功率变化的斜率为出功率随输入功率变化的斜率为1，说明当，说明当输入功率增大时，三阶交调输出功率比线输入功率增大时，三阶交调输出功率比线性产物输出功率增长得快。性产物输出功率增长得快。图中延伸三阶交调与线性产物的线性图中延伸三阶交调与线性产物的线性区，可以得到区，可以得到2条曲线的假想交叉点，这个条曲线的假想交叉点，这个假想交叉点称为三阶截止点假想交叉点称为三阶截止点IP，IP点的输点的输出功率值为出功率值为PIP。IP点的功率值点的功率值PIP越大，放越大，放大器的动态范围越大，功率放大器希望有大器的动态范围越大，功率放大器希望有高的高的IP点。点。图图8.17 输入输出功率关系及三阶截止点输入输出功率关系及三阶截止点 当三阶交调信号等于最小输出可检信当三阶交调信号等于最小输出可检信号功率号功率Pout,mds时，线性产物输出功率与三时，线性产物输出功率与三阶交调输出功率的比值称为无寄生动态范阶交调输出功率的比值称为无寄生动态范围围DRf。若频率若频率f1的线性产物输出功率用的线性产物输出功率用Pf1表表示，三阶交调示，三阶交调2f1f2的输出功率用的输出功率用P2f1f2表表示，则示，则DRf为为 DRf=Pf1/P2f1f2=Pf1/Pout,mds（8.28）或或 DRf=Pf1Pout,mdsdB （8.29）8.5 8.5 多级放大器的设计多级放大器的设计 图图8.18 N级级BJT放大器电路放大器电路 （1）总功率增益总功率增益GA （2）总噪声系数总噪声系数F （3）三阶截止点功率三阶截止点功率PIP 4）最小输出可检信号功率最小输出可检信号功率Pout,mds （5）1dB增益压缩点的输出功率增益压缩点的输出功率Pout,1dB （6）动态范围动态范围DR