低噪声放大器讲解.ppt

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1、低噪声放大器低噪声放大器晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路LNALNA的性能指标的性能指标 LNALNA的分析设计的分析设计低噪声放大器的特点低噪声放大器的特点位于接收机的最前端位于接收机的最前端噪声噪声越小越好越小越好，且要求有，且要求有适当适当的的稳定稳定的增益的增益接收的信号很微弱且变化接收的信号很微弱且变化 属于属于小信号小信号线性放大器，线性放大器，线性范围大线性范围大，自动增益控制自动增益控制与天线或滤波器相连接与天线或滤波器相连接要有良好的要有良好的匹配匹配特性特性具有一定的选频功能具有一定的选频功能有效有效抑制抑制带外干扰和镜像频率干扰带外干扰和镜像频率干扰对晶体管的描述方法

2、对晶体管的描述方法物理等效电路模型物理等效电路模型网络参数模型网络参数模型模型中的每个参数均对应一定的物理意义模型中的每个参数均对应一定的物理意义，与工作点有关，与工作点有关适用的频率范围较宽适用的频率范围较宽，适用于交流小信号输入适用于交流小信号输入把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数把晶体管视为一个双端口黑盒子，分析其端口参数线性网络可以用端口参数来描述其特性，如线性网络可以用端口参数来描述其特性，如H参数、参数、Y参数等参数等适用于特定频率、线性参数适用于特定频率、线性参数，在射频与微波波段，多用在射频与微波波段，多用S参数参数根据制造工艺，根据制造工艺，RF/MWRF/MW有源

3、电路可以分为：有源电路可以分为：印刷电路印刷电路(PCB)(PCB)混合微波集成电路混合微波集成电路(HMIC)(HMIC)单片微波集成电路单片微波集成电路(MMIC)(MMIC)在印刷电路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作为连在印刷电路中，元器件是被焊接到印刷板上，印刷板作为连线和支撑媒质。这种电路线和支撑媒质。这种电路 成本低，多数应用于成本低，多数应用于3 GHz以下。以下。混合混合MIC由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。由分布参数电路元件和集总电路元件混合而成。混合混合MIC电路尺寸较电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。小，并可工作至毫米波频率。MMIC中的所有有源和

4、无源电路元件及其互连是在一块半导中的所有有源和无源电路元件及其互连是在一块半导体绝缘基片上形成的。目前生产体绝缘基片上形成的。目前生产 的的MMIC多数工作于多数工作于0.5100 GHz的频段。单片集成技术特别适用于毫米波应用。的频段。单片集成技术特别适用于毫米波应用。MMIC 的优的优点是成本低、尺寸小、可批量生产。点是成本低、尺寸小、可批量生产。低噪声放大器的指标低噪声放大器的指标0.5mm GaAs FET0.8mm Si Bipolar电源电压电源电压(V)(V)3.01.9电源电流电源电流(mA)(mA)4.02.0频率频率(GHz)(GHz)1.91.9噪声系数噪声系数NF(dB

5、)NF(dB)2.82.8增益增益(dB)(dB)18.19.5IIP3(dBm)IIP3(dBm)-11.1-3Input VSWRInput VSWR1.51.2Output VSWROutput VSWR3.11.4隔离隔离(dB)(dB)2121低噪放（低噪放（LNA）高频、小信号、线性、选频放大高频、小信号、线性、选频放大教材表给出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标。教材表给出了两个不同工艺的低噪声放大器的指标。分析这些指标，主要有：分析这些指标，主要有：低功耗低功耗工作频率工作频率噪声系数噪声系数增益增益增益控制增益控制输入阻抗匹配输入阻抗匹配线性范围线性范围隔离度与稳定性隔离度与

6、稳定性采用低电源电压，低偏置电流采用低电源电压，低偏置电流与特征频率有关与特征频率有关用网络的等效噪声源方法进行分析用网络的等效噪声源方法进行分析要适中要适中根据接收信号的强弱自动控制增益根据接收信号的强弱自动控制增益功率匹配，噪声匹配功率匹配，噪声匹配三阶互调截点、三阶互调截点、1dB压缩点压缩点本振泄露本振泄露低噪声放大器的指标低噪声放大器的指标分析分析低功耗低功耗移动通信的必然要求移动通信的必然要求低电源电压低电源电压小的静态电流小的静态电流跨导跨导工作频率工作频率取决于晶体管的特征频率取决于晶体管的特征频率与工作点有关与工作点有关取决于半导体工艺取决于半导体工艺噪声系数噪声系数线性网络

7、：线性网络：共射极单管双极型晶体管：共射极单管双极型晶体管：单管共源单管共源MOS管（若仅考虑沟道噪声）：管（若仅考虑沟道噪声）：增益增益增益增益大大可降低可降低后级对系统噪声系数的影响后级对系统噪声系数的影响后级易产生非线性后级易产生非线性失真失真增益增益取决于取决于跨导跨导 由工作点决定由工作点决定负载负载控制方法控制方法：放大器：放大器工作点工作点、负反馈量负反馈量、回路回路Q值值增益控制增益控制LC谐振回路谐振回路 Q值、谐振阻抗值、谐振阻抗集中参数选频滤波器集中参数选频滤波器注意阻抗匹配注意阻抗匹配输入阻抗匹配输入阻抗匹配类型：类型：纯电阻纯电阻 宽带，有耗，噪声大宽带，有耗，噪声大

8、纯电抗纯电抗 窄带，无耗，噪声小窄带，无耗，噪声小匹配方式：匹配方式：共源共源(共射共射)方式方式共栅共栅(共基共基)方式方式输入阻抗大，并联所需电阻即输入阻抗大，并联所需电阻即可达到匹配。但会增加噪声。可达到匹配。但会增加噪声。输入阻抗输入阻抗1/gm较小，改变偏置较小，改变偏置就可以改变就可以改变gm，达到匹配。，达到匹配。电阻负反馈方式电阻负反馈方式电感负反馈方式电感负反馈方式电阻串并联负反馈方式以达到阻抗电阻串并联负反馈方式以达到阻抗匹配的目的。适用于宽带放大，但匹配的目的。适用于宽带放大，但功耗大，且需要集成较多的电阻，功耗大，且需要集成较多的电阻，不适合不适合CMOS技术。技术。源

9、源(射射)极采用电感负反馈，与输极采用电感负反馈，与输入电容调谐后实现匹配，适用于入电容调谐后实现匹配，适用于窄带放大，有较好的噪声性能。窄带放大，有较好的噪声性能。线性范围线性范围隔离度与稳定性隔离度与稳定性取决于取决于器件器件、电路结构电路结构、阻抗变换网络阻抗变换网络正向正向传输传输压控电流源压控电流源反向反向传输传输极间电容极间电容引起不稳定引起不稳定的原因的原因改进措施：改进措施：中和法中和法用用中和电容中和电容抵消抵消失配法失配法采用采用共射共基共射共基（共源共栅）组态（共源共栅）组态降低增益降低增益(a)加中和电容加中和电容输出点输出点+输出点输出点-输入输入 CN的一端接输出，

10、一端接输入，的一端接输出，一端接输入，由它引入的反馈来抵消晶体管内由它引入的反馈来抵消晶体管内部反馈电容部反馈电容Cbc引起的反馈。引起的反馈。(b)采用共发共基采用共发共基(共源共栅共源共栅)结构结构 利用共基放大器输入电阻很小利用共基放大器输入电阻很小的特点，作为共发放大器的负载的特点，作为共发放大器的负载电阻，可以大大拓展共发放大器电阻，可以大大拓展共发放大器的上限频率，同时又具备很好的的上限频率，同时又具备很好的电流、电压增益。电流、电压增益。晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路射频集成电路主要工艺射频集成电路主要工艺 砷化钾砷化钾 GaAs双极双极 Bipolar（一种化合半导体材料

11、）（一种化合半导体材料）具有最高的工作频率：具有最高的工作频率：50100GHz；在超高速微电子学在超高速微电子学和光电子学中应用广泛和光电子学中应用广泛 纯双极、纯双极、BiCMOS和和SiGeHBT（异质结）（异质结）三种双极工艺器件的截止频率：三种双极工艺器件的截止频率：工艺技术工艺技术截止频率截止频率(GHZ)Bipolar25 50BiCMOS10 20SiGe HBT40-80CMOS噪声低、线性好、与数字集成电路兼容，噪声低、线性好、与数字集成电路兼容，工作频率工作频率3GHz以上以上双极晶体管较之双极晶体管较之CMOS晶体管的优点：晶体管的优点：1、在相同的偏置电流下跨导大、在

12、相同的偏置电流下跨导大2、有较高的增益带宽积、有较高的增益带宽积由于跨导与偏置电流成正比，结果：在较小的功耗下可由于跨导与偏置电流成正比，结果：在较小的功耗下可获得大增益；提高工作频率（低于获得大增益；提高工作频率（低于10GHz）双极型晶体管共射小信号等效电路双极型晶体管共射小信号等效电路共射放大器原理图共射放大器原理图 共同决定共同决定工作点工作点Q基极偏置基极偏置VBEQ集电极电源集电极电源 VCC决定基极偏置电流决定基极偏置电流 IBQ负载电阻负载电阻 RL输入信号输入信号为为 ,输出电流输出电流公式公式当当晶体管可用其晶体管可用其等效电路等效电路代替代替注意：注意：电路中的所有电路中

13、的所有参数均与工作点参数均与工作点Q有关有关 该电路是该电路是交流小信号交流小信号等效电路等效电路 从两个层次上加强对等效电路的理解：从两个层次上加强对等效电路的理解：理解电路中理解电路中各元件的物理意义各元件的物理意义理解晶体管作为理解晶体管作为放大器的本质放大器的本质晶体管作为放大器的本质晶体管作为放大器的本质一个一个电压控制的电流源电压控制的电流源放大器的放大器的输入输入阻抗，电阻和电容阻抗，电阻和电容放大器放大器输出输出电阻电阻 （很大）（很大）由等效电路中的电容引起由等效电路中的电容引起 反向反向传输器件传输器件引起放大器引起放大器不稳定不稳定正向传输正向传输极限极限工作频率工作频率

14、(特征频率特征频率)场效应管小信号模型场效应管小信号模型饱和区（恒流区）饱和区（恒流区）可变电阻区可变电阻区场效应管工作的场效应管工作的两个区两个区以以 大小划分大小划分可变电阻区可变电阻区很小很小理解：理解：和和 成成线性关系线性关系电导值为电导值为 此电阻此电阻受栅源电压受栅源电压 的控制（可变电阻）的控制（可变电阻）恒流区恒流区场效应管等效为一个理想的电压控制电流源场效应管等效为一个理想的电压控制电流源小信号等效电路小信号等效电路恒流区恒流区伏安特性为：伏安特性为：成成平方律平方律关系关系转移跨导：转移跨导：小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关小信号跨导与管子特性及工作点偏置有关由等效电

15、路中的电容引起由等效电路中的电容引起 极限极限工作频率工作频率(特征频率特征频率)低噪声放大器设计低噪声放大器设计采用晶体管的采用晶体管的等效电路模型等效电路模型设计、分析低噪声放大器设计、分析低噪声放大器电路电路组成组成：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分：晶体管、偏置、输入匹配和负载四大部分 单管小信号选频放大器典型电路：单管小信号选频放大器典型电路：Q晶体管晶体管 Q偏置电阻偏置电阻输入匹配输入匹配网络网络负载负载：选频回路：选频回路负载电阻负载电阻晶体管、负载部分接入晶体管、负载部分接入交流旁路交流旁路电容电容（2）画出放大器的交流通路图画出放大器的交流通路图（3）代入晶体管的小信号

16、等效电路及参数，代入晶体管的小信号等效电路及参数，计算放大器的各项指标计算放大器的各项指标（1）分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数分析直流偏置，决定直流工作点，得出对应工作点的参数 直流电源是直流电源是交流地交流地 大电容（交流旁路电容）大电容（交流旁路电容）短路短路 大电感（扼流圈大电感（扼流圈)开路开路 仅做偏置用的直流电阻仅做偏置用的直流电阻可不画可不画分析电路步骤：分析电路步骤：画交流通路图的原则：画交流通路图的原则：Q完整电路完整电路 画交流图画交流图电源是交流地电源是交流地去掉偏置去掉偏置大电容短路大电容短路代入晶体管代入晶体管 等效电路等效电路设晶体管设晶体管为单

17、向传输为单向传输计算增益（单向传输）计算增益（单向传输）对线圈部分接入进行折合对线圈部分接入进行折合电流源电流源 和和 接入系数接入系数负载负载接入系数接入系数 选择回路电抗元件：选择回路电抗元件：谐振频率，即谐振频率，即工作频率工作频率为为 回路谐振阻抗：回路谐振阻抗：设设LC回路的空载回路的空载Q为为Q0回路回路谐振阻抗谐振阻抗（其中（其中 ）输出电压：输出电压：回路谐振回路谐振 电压增益电压增益 低噪放回路带宽低噪放回路带宽其中其中()增加稳定性增加稳定性抵消极间电容抵消极间电容 的影响的影响添加添加中和电容中和电容注意反馈的注意反馈的极性极性1GHZ CMOS 低噪声放大器低噪声放大器

18、 COCO电路结构：电路结构：场效应管场效应管M1和和 M2、共栅组态共栅组态接成双端输入双端输出接成双端输入双端输出差动放大器差动放大器 输入输入端采用电感端采用电感L1和和 L2组成组成匹配匹配网络网络 输出输出端采用端采用LC回路回路选频选频 电感电感L3（L4）下级输入电容）下级输入电容CO M3 交流短路（作用见后分析）交流短路（作用见后分析）偏置偏置为为VG（偏置电路（偏置电路省略省略），），电感电感L1和和 L2同时提供了各管子同时提供了各管子直流通路直流通路 电路电路分析分析:画画交流通路图交流通路图(以以M1为例）为例）共栅共栅、栅源栅源电容电容Cgs漏极漏极电容电容Cd（包

19、括栅漏电容（包括栅漏电容Cgd）杂散杂散及分布电容及分布电容 CP 杂散杂散电容电容C0（包括下级混频器的包括下级混频器的输入输入电容电容）（1）输入匹配网）输入匹配网外接电感线圈外接电感线圈 L1 栅源电容栅源电容Cgs杂散及分布电容杂散及分布电容CP并联回路并联回路谐振频率谐振频率工作频率工作频率1GHz回路回路谐振阻抗谐振阻抗共栅极输入阻抗共栅极输入阻抗为为1/gm调节匹配方法：调节匹配方法：调节调节M1和和M2 的的偏置电压偏置电压VG 改变改变 M1 M2 的的跨导跨导 gm，使使1/gm=Rs，完成与源阻抗匹配。，完成与源阻抗匹配。（2 2）输出回路）输出回路电感电感线圈线圈L3漏

20、极漏极电容电容Cd杂散杂散电容电容C0（包括（包括下级输入下级输入电容）电容）并联并联谐振回路谐振回路已知管子电容已知管子电容Cd和和C0，得：，得：谐振于工作频率谐振于工作频率性能性能指标指标:(1)增益增益代入代入MOS管管共栅共栅等效电路等效电路增益增益管子管子跨导跨导gm负载负载回路谐振阻抗回路谐振阻抗Rp设线圈设线圈L3 的的串联损耗电阻串联损耗电阻是是r折算到输出回路并联为折算到输出回路并联为Rp单管增益：单管增益：比值比值 取决于电感的制作方式取决于电感的制作方式 芯片内集成电感或外接电感芯片内集成电感或外接电感放大器放大器总增益总增益总输出总输出总输入总输入差分放大器总增益与单

21、管相同差分放大器总增益与单管相同（2）带宽）带宽电路特点：电路特点：输入输入并联回路并联回路选频选频阻抗变换阻抗变换输出输出 当两个回路当两个回路Q值相同时值相同时设每个回路带宽为设每个回路带宽为BW1称称 为缩减因子。为缩减因子。当两回路当两回路 Q相差很大时相差很大时带宽取决于带宽取决于 高高Q回路回路输出回路输出回路Q值高值高放大器放大器噪声源噪声源所以等效输入噪声源所以等效输入噪声源放大器放大器噪声系数噪声系数电路变形，将噪声源分裂成两个电路变形，将噪声源分裂成两个输出端输出端 折合到输入端：折合到输入端：（3）放大器噪声）放大器噪声其中其中g是工艺参数，长沟道是工艺参数，长沟道MOS

22、 g=2/3,F=1.67,NF=2.2dB（4）线性度）线性度差动输入差动输入方式方式输入信号动态范围大于单管输入信号动态范围大于单管差动输出差动输出方式方式输出电流是输出电流是M1和和M2的输出的输出电流之差电流之差抵消抵消非线性失真的非线性失真的偶次谐波偶次谐波扩大了线性范围扩大了线性范围（6）输出电平调节）输出电平调节目的目的：与后级直流一致：与后级直流一致M3工作在工作在可变电阻可变电阻区区调节调节M3 的的栅极偏压栅极偏压VC改变了改变了M3等效电阻等效电阻改变了输出直流电平改变了输出直流电平（5）隔离）隔离增强稳定性增强稳定性不稳定原因不稳定原因极间电容极间电容共栅组态共栅组态C

23、ds 可忽略可忽略1.9 GHZ CMOS 低噪声放大器低噪声放大器 电路结构：电路结构：负载负载用用L3与下级输入电容组成与下级输入电容组成并联回路并联回路 有源偏置有源偏置 对称双端输入对称双端输入双端输出双端输出差分差分形式形式 共源共栅共源共栅级连电路级连电路 输入回路输入回路串联电感串联电感源极源极电感负反馈电感负反馈 电路电路分析分析:（1 1）偏置电路）偏置电路VDDM3与与M1组成组成镜象电流源镜象电流源M3的的电流电流电阻电阻RrefM3的偏压的偏压VGS电源电压电源电压VDD电阻电阻RBLAS阻止阻止M3 的噪声进入的噪声进入M1（2）输入阻抗匹配）输入阻抗匹配代入场效应管

24、代入场效应管等效电路的输入级等效电路的输入级输入电路输入电路输入回路方程输入回路方程输入阻抗输入阻抗调谐输入回路调谐输入回路串联谐振串联谐振于工作频率于工作频率为与源阻抗为与源阻抗共轭匹配共轭匹配，令，令Qin为输入回路的有载为输入回路的有载Q（3 3）噪声）噪声仅考虑由场效应管仅考虑由场效应管M1的沟道电阻噪声的沟道电阻噪声（5）线性）线性双端输入和输出差分对结构双端输入和输出差分对结构 源极采用电感源极采用电感L2负反馈阻抗负反馈阻抗 扩大线性范围扩大线性范围（6）隔离）隔离共源共栅接连组态共源共栅接连组态失配法，提供了最佳的输出输入间失配法，提供了最佳的输出输入间的隔离度，的隔离度，减少

25、了极间电容减少了极间电容Cgd影响影响（4）增益）增益共源共栅级连、负载共源共栅级连、负载LC回路回路M1M2L3C低噪声实现的基本思想低噪声实现的基本思想采用单管单级放大，以减小有源器件引入的噪声；采用单管单级放大，以减小有源器件引入的噪声；匹配网络宜用电感负反馈，而不宜用电阻反馈；匹配网络宜用电感负反馈，而不宜用电阻反馈；当需要超低噪声时，偏置电路采用扼流圈，当需要超低噪声时，偏置电路采用扼流圈，而不采用电阻或有源器件。而不采用电阻或有源器件。低噪声放大器设计低噪声放大器设计的基本特点的基本特点选择合适的电路结构选择合适的电路结构配置相应的偏置电路配置相应的偏置电路增益与频率特性增益与频率

26、特性输入输出阻抗匹配输入输出阻抗匹配采用共源共栅采用共源共栅(共发共基共发共基)电路增大输入输出隔离度；电路增大输入输出隔离度；采用双端输入输出改善线性度。采用双端输入输出改善线性度。综合考虑噪声系数、失真、功耗、阻抗匹配等要求，选择综合考虑噪声系数、失真、功耗、阻抗匹配等要求，选择偏置电路的结构和静态工作点。偏置电路的结构和静态工作点。根据估算与仿真结果进行优化。根据估算与仿真结果进行优化。采用合适的阻抗匹配网络。采用合适的阻抗匹配网络。S 参数参数对对S参数的理解参数的理解:线性网络的线性网络的端口参数端口参数 一个线性网络的特性一个线性网络的特性,常用其端口参数来描述常用其端口参数来描述

27、,不必知道不必知道网络内部构。在射频和微波段用得最多的是网络内部构。在射频和微波段用得最多的是S参数。参数。S参参数也称为散射参数。数也称为散射参数。在电子系统中，有两个分量：入射波和反射波在电子系统中，有两个分量：入射波和反射波 S参数是基于端口的参数是基于端口的入射波入射波和和反射波反射波之间关系的参数。之间关系的参数。不同的不同的频率频率、不同的、不同的工作条件工作条件数值不同数值不同适用与适用与射频和微波射频和微波频段频段单端口网络单端口网络反射波电压反射波电压入射波电压入射波电压反射系数反射系数的定义的定义电压驻波比的定义电压驻波比的定义回波损耗的定义回波损耗的定义双端口网络双端口网

28、络S参数参数端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S参数方程：参数方程：反射电压反射电压V1r端口端口1 1的入的入射波射波V1i在端口在端口1 1的反射的反射 端口端口2 2的入射波的入射波V2i经过网络的反向传输经过网络的反向传输 端口端口2 2的入射波的入射波V2i在端口在端口2 2的反射的反射反射电压反射电压V2r端口端口1 1的入射波的入射波V1i经过网络的正向传输经过网络的正向传输S11S12S22S21S参数的求解参数的求解端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S参数方程：参数方程：是当输入端口是当输入端口1 1匹配时，

29、匹配时，输出口输出口2 2的反射系数的反射系数 是输出端口是输出端口2与负载匹配时，与负载匹配时，输入口输入口1的反射系数的反射系数端口端口1入射波入射波反射波反射波端口端口2入射波入射波反射波反射波S参数方程：参数方程：是当输出端口是当输出端口2 2匹配时，输入向输出的匹配时，输入向输出的正向传输正向传输 是当输入端口是当输入端口1 1匹配时，输出向输入的匹配时，输出向输入的反向传输反向传输 强调：强调：S 参数均是在特定条件（参数均是在特定条件（端口匹配端口匹配）下测得的）下测得的网络参数网络参数问题问题:当网络端口当网络端口不匹配时不匹配时，端口的反射系数如何？，端口的反射系数如何？对网

30、络是入射波对网络是入射波 V1i 对负载对负载ZL是反射波是反射波对网络是反射波对网络是反射波 V2r 对负载对负载ZL是入射波是入射波在在输出端口输出端口定义四个反射系数定义四个反射系数负载端负载端输出端输出端输入端输入端源端源端反射系数与反射系数与S参数的关系参数的关系S参数方程：参数方程：根据负载反射系数定义，有根据负载反射系数定义，有将此式代入双端口网络的将此式代入双端口网络的S S参数方程参数方程 ，消去方程组中的，消去方程组中的V2r输出端反射系数输出端反射系数输入端反馈系数输入端反馈系数反射系数的理解反射系数的理解输入端反馈系数输入端反馈系数 还与网络还与网络所接负载所接负载有关

31、有关（条件（条件S12 0）不仅与不仅与网络网络S S参数参数有关有关当当负载端匹配负载端匹配，即，即L=0 时时，当当S12=0（网络仅有（网络仅有单向传输单向传输）时，）时，输出端反射系数输出端反射系数双端口网络的输入阻抗双端口网络的输入阻抗端口端口1的输入阻抗：的输入阻抗：端口的端口的电压驻波比电压驻波比也衡量了该端口的也衡量了该端口的输入阻抗输入阻抗与与参考阻抗参考阻抗的关系的关系同时有：同时有：结论：结论：同一端口的同一端口的输入阻抗输入阻抗和和反射系数反射系数可以互相表示可以互相表示 反射系数反射系数表示了该端口的表示了该端口的输入阻抗输入阻抗与与参考阻抗参考阻抗Z0的的失配程度失

32、配程度 用用 S 参数设计放大器参数设计放大器 参数设计方法是将晶体管看作是一个黑匣子参数设计方法是将晶体管看作是一个黑匣子,只知道它只知道它的端口参数的端口参数,而从系统或网络的角度出发来设计放大器而从系统或网络的角度出发来设计放大器.S参数与功率传输参数与功率传输以以特性阻抗特性阻抗Z0为为参考参考，各端口的阻抗和反射系数可相互表示，各端口的阻抗和反射系数可相互表示信号源端信号源端网络输入端网络输入端输出负载端输出负载端网络输出端网络输出端信号源电动势的有效值为信号源电动势的有效值为Vs，V1网络输入端电压，网络输入端电压，Zin为输入阻抗为输入阻抗网络输入功率为网络输入功率为:由由:代入

33、后得代入后得:同理，负载阻抗上得到的功率为同理，负载阻抗上得到的功率为由由:以及以及代入即得代入即得功率增益功率增益的的定义定义工作功率增益：工作功率增益：定义：网络的定义：网络的输入输出端输入输出端为为任意阻抗值任意阻抗值时，时，负载得到的实际功率与输入网络的实际功率之比负载得到的实际功率与输入网络的实际功率之比变换功率增益：变换功率增益：定义：定义：当当放大器输入端与源共轭匹配放大器输入端与源共轭匹配，负载所得功率与该资用功率之比为负载所得功率与该资用功率之比为变换器功率增益变换器功率增益输入端与源共轭匹配，即：输入端与源共轭匹配，即：或或信号源输入放大器的功率最大（信号源输入放大器的功率

34、最大（资用功率，资用功率，available power）为）为变换器功率增益变换器功率增益，为：，为：单向变换功率增益：单向变换功率增益：当网络的当网络的反向传输为反向传输为0或或很小很小可忽略时，网络为单向传输，可忽略时，网络为单向传输，此时，网络的此时，网络的变换器功率增益变换器功率增益为为单向变换器功率增益单向变换器功率增益网络为单向传输，此时：网络为单向传输，此时：单向变换器功率增益单向变换器功率增益，为：，为：资用功率增益：资用功率增益：定义：定义：当当放大器输出端也达到共轭匹配放大器输出端也达到共轭匹配，负载所得负载所得最大功率最大功率与输入资用功率之比为与输入资用功率之比为资用

35、资用功率增益功率增益网络输入、输出端均匹配时的增益网络输入、输出端均匹配时的增益因因放大器的稳定性放大器的稳定性什么样的系统是稳定的？什么样的系统是稳定的？从反射系数的角度，只有当反射系数的模小于从反射系数的角度，只有当反射系数的模小于1 1，即，即 系统才是稳定的。系统才是稳定的。对于放大器，共有对于放大器，共有4 4个反射系数，只有当这个反射系数，只有当这4 4个反射系数的模个反射系数的模均小于均小于1 1时，才是稳定的。时，才是稳定的。即须满足：即须满足：以及以及放大器的稳定性有放大器的稳定性有2 2种情况种情况无条件稳定：无条件稳定：条件稳定：条件稳定：对于任何无源匹配网络，只要对于任

36、何无源匹配网络，只要晶体管就一定有晶体管就一定有和和-无条件稳定放大器无条件稳定放大器只能对某些条件下的只能对某些条件下的 和和 ，放大器才是稳定的，放大器才是稳定的-条件稳定放大器条件稳定放大器无条件无条件稳定稳定的的条件条件构成放大器的构成放大器的晶体管晶体管，当满足：，当满足：以及以及Rollett因数因数对于对于单向传输单向传输晶体管，一定有晶体管，一定有则当则当 时，又满足时，又满足由此晶体管构成的放大器必定是无条件稳定的。由此晶体管构成的放大器必定是无条件稳定的。稳定性判定圆稳定性判定圆现令现令 作为稳定与不稳定的边界条件。作为稳定与不稳定的边界条件。则稳定条件方程可转化为复数反射

37、系数平面的圆方程：则稳定条件方程可转化为复数反射系数平面的圆方程：其中其中问题在于稳定区是问题在于稳定区是 的圆内还是圆外的圆内还是圆外输出圆的稳定与不稳定区输出圆的稳定与不稳定区输入圆的稳定与不稳定区输入圆的稳定与不稳定区 如果大圆半径较如果大圆半径较|C|CL L|或或|C|CS S|大，即输入输出稳定圆的圆心落在大，即输入输出稳定圆的圆心落在大圆内时，判断其稳定性要小心，下图表示当大圆内时，判断其稳定性要小心，下图表示当|S11|1|S11|1时，时，rs|Crs|Crs|CS S|两种情况的稳定与不稳定区。两种情况的稳定与不稳定区。对于任何无源匹配网络，只要对于任何无源匹配网络，只要晶

38、体管就一定有晶体管就一定有和和-无条件稳定放大器无条件稳定放大器所有负载和源，其绝对稳定条件可表示为：所有负载和源，其绝对稳定条件可表示为：对于对于因此，绝对稳定的必要充分条件为：因此，绝对稳定的必要充分条件为：以及以及Rollett因数因数求双极结晶体管（求双极结晶体管（Philips BFG505W）的稳定区。）的稳定区。工作条件为工作条件为VCE=6 V，IC=4 mA。S参数与工作频率的对应关系入下表所示：参数与工作频率的对应关系入下表所示：放大器的稳定措施放大器的稳定措施非稳定状态为：非稳定状态为：即：即：或：或：稳定状态为：稳定状态为：或：或：非稳定状态为：非稳定状态为：稳定状态为

39、：稳定状态为：按照增益要求设计放大器按照增益要求设计放大器在在单向传输单向传输且且无条件稳定无条件稳定的条件下：的条件下：|S12|=0当晶体管与输入、输出网络之间达到共轭匹配，即：当晶体管与输入、输出网络之间达到共轭匹配，即：此时，输入、输出匹配网络的增益达到最大值：此时，输入、输出匹配网络的增益达到最大值：特别对于特别对于|S12|=0，且，且|S11|1，|S22|1的单向、无条件稳定晶体管，的单向、无条件稳定晶体管，由于由于则则定义源端归一化功率增益因素定义源端归一化功率增益因素gs为为 可以证明，当可以证明，当gs保持恒定时，上面的方程表示一族圆，其圆保持恒定时，上面的方程表示一族圆

40、，其圆心离圆图中心的距离心离圆图中心的距离ds，半径，半径rs分别为分别为 对于给定工作条件的一个放大器，产生恒定增益所对应的阻对于给定工作条件的一个放大器，产生恒定增益所对应的阻抗在圆图中的轨迹称为抗在圆图中的轨迹称为恒定增益圆恒定增益圆。同理，可以定义负载端归一化功率增益因数同理，可以定义负载端归一化功率增益因数gL及其恒定增益圆，及其恒定增益圆，只要把只要把S11用用S22置换即可。置换即可。例例单向传输品质因子单向传输品质因子在在|S12|0时，放大器增益为时，放大器增益为GT，与单向传输有误差。与单向传输有误差。单向传输输入输出端口均单向传输输入输出端口均匹配匹配时，单向增益最大，与

41、时，单向增益最大，与GT误差最大：误差最大：定义：定义：单向传输品质因子：单向传输品质因子：双共轭匹配设计双共轭匹配设计在在|S12|0时，时，输入输出端口均输入输出端口均匹配匹配时：时：稳定系数稳定系数其中：其中：可以看出，当可以看出，当K K很大时，很大时，GTmax趋于零。说明很大的稳定性趋于零。说明很大的稳定性余量会使最大增益很小。余量会使最大增益很小。最佳噪声匹配最佳噪声匹配 一般任何有噪声的二端口网络可以用一噪声电压和一噪声一般任何有噪声的二端口网络可以用一噪声电压和一噪声电流源连接于无噪声网络的输入端口来表示。电流源连接于无噪声网络的输入端口来表示。噪声系数可以用最小噪声表示为噪声系数可以用最小噪声表示为:是双端口归一化噪声电阻；是双端口归一化噪声电阻；其中：其中：是实际源导纳；是实际源导纳；是最小噪声系数时的最佳源导纳。是最小噪声系数时的最佳源导纳。根据反射系数与阻抗的关系：根据反射系数与阻抗的关系：恒定噪声系数圆恒定噪声系数圆则有：则有：定义定义：噪声系数噪声系数整理得：整理得：上式表示一簇上式表示一簇N圆圆恒定噪声系数圆，其圆心位置和半径分别为：恒定噪声系数圆，其圆心位置和半径分别为：例例