第四章微波晶体管放大器

1、电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义微波晶体管放大器p 概述概述+-uo+u+-i放大电路u-R+SSRL信号源负载iiio 放大放大把微弱的电信号的幅度放大。把微弱的电信号的幅度放大。一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压或电流的幅度得到了放大，但它随时间变化的规律不能变得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即，即不失真不失真。电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p 概概述u常用的微波放大器常用的微波放大器电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u放大器主要技术参数放大器主要技术参数1. 1.增益（增益（GainGain） 对信号幅

2、度放大能力对信号幅度放大能力2. 2.噪声系数噪声系数NFNF 放大器对信噪比的恶化放大器对信噪比的恶化3. 3.输入输入/ /出反射系数出反射系数 放大器与系统阻抗的匹配关系放大器与系统阻抗的匹配关系4. 4.输出功率输出功率1dB1dB压缩点压缩点 放大器线性功率输出能力放大器线性功率输出能力5. 5.饱和输出功率饱和输出功率 放大器功率输出能力放大器功率输出能力6. 6.效率效率 DC-RF DC-RF功率转换能力功率转换能力7. 7.三阶互调抑制度三阶互调抑制度/ /三阶三阶互互调交叉点调交叉点p 概概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u微波晶体管放大器的构成微波晶体管放大器的

3、构成 微波晶体管微波晶体管 封装封装 裸管芯裸管芯 匹配匹配网络网络 输入匹配输入匹配 输出匹配输出匹配 DCDC偏置偏置网络网络 器件参数器件参数 （S S参数）参数） 匹配电路设计匹配电路设计: :最大最大增益增益最小噪声最小噪声 DCDC偏置网络设偏置网络设计计p 概概述电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p晶体管器件的晶体管器件的S S参数参数 u用用S S参数表征晶体管特性优势明显参数表征晶体管特性优势明显 微波晶体管放大器 其他参量（如其他参量（如y y、h h参量）大都表征网络在开、短路状态下电参量）大都表征网络在开、短路状态下电压、电流关系；晶体管在开、短路压、电流关系；晶

4、体管在开、短路状态易于发生振荡，不能状态易于发生振荡，不能得到合适的放大状态电路参量；得到合适的放大状态电路参量； S S参量的确定参量的确定无需理想开短路要求，无需理想开短路要求，适合于分布参数电路系适合于分布参数电路系统；统； S S参数是基于入射波和反射波的概念建立的，和实际器件工参数是基于入射波和反射波的概念建立的，和实际器件工作状态作状态一致一致电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 u晶体管晶体管S S参数定义参数定义 端口电压端口电压与端口与端口电流电流用用入射波和反射波表示：入射波和反射波表示：1,2)kikrkkikrkVVVIIIk；（ 引入归一化波的概念：引入归一化波的

5、概念：ikrkkckikkckrkckckVVaZ IbZ IZZ；p 晶体管器件的晶体管器件的S S参数参数 各端口入射波和反射波功率可简单表达：各端口入射波和反射波功率可简单表达：222222ikrkkckikikkckrkrkckckVVaZIPbZIPZZ；电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 u晶体管晶体管S S参数定义参数定义 p 晶体管器件的晶体管器件的S S参数参数 11122122SSSSS111 1122111121221222221 1222=or=bS aS abSSabSSabS aS a 反射系数反射系数22111111110022222200=iiriaVri

6、aVbVSaVbVSaV 传输传输系数系数221112221112002111222100=iicricaVcricaVZbVSaVZZbVSaVZ 晶体管晶体管S S参数与参数与Z Zc1c1和和Z Zc2c2有关，对不同特性阻抗的测量系统，有关，对不同特性阻抗的测量系统，得到的得到的S S参数不同；参数不同； Z Zc1c1和和Z Zc2c2称为测量称为测量S S参数的系统阻抗，一般为：参数的系统阻抗，一般为： Z Zc1c1=Z=Zc2c2=50=50电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义p单级放大器网络分析单级放大器网络分析 微波晶体管放大器a1a2b1b2a1a2b1b2简化网络：

7、简化网络：电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u各端口反射系数各端口反射系数scsscZZZZ LcLLcZZZZ p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 源反射系数源反射系数 负载射系数负载射系数 输入反射系数输入反射系数111ccZZZZ 输出反射系数输出反射系数222ccZZZZ 各端口反射系数决定各端口反射系数决定了放大器各种匹配状了放大器各种匹配状态态工作状态工作状态电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u各端口反射系数表达各端口反射系数表达 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析22Lab 11221111111222211LLLLbS SSDSaSS 端口端口1 1加激

8、励信号加激励信号源源as , 端端口口2 2仅接负载仅接负载1S1ab 12212222222111111SSSSS SSDbSaSS 端口端口2 2加加激励信号激励信号源源aL , 端端口口1 1仅仅接负载接负载1112112212212122det( )SSDSS SS SSS电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u各端口各端口功率功率 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析V V1 1I I1 1放大器输入端加激励源时，放大器输入端加激励源时，11ssVZ IV其中，其中，111111irirIIIVVV和11111ssssaaaba 和定义信号源归一化波：定义信号源归一化波：可得：

9、可得：1sscsVaZz11111sscccssVZVIZZZzab于是，于是，其中，其中，ssczZZ为归一化源阻抗 进入晶体管输入端功率进入晶体管输入端功率电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u各端口各端口功率功率 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析V V1 1I I1 1 进入晶体管的功率为进入晶体管的功率为: :222222111111211(1)1ssPabaa 1s 仅当输入端共轭匹配（）时，211211assPPa P1a为信信号号源源资资用功率用功率电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 传输给负载的功率传输给负载的功率 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析对于

10、负载来说，晶体管输出信号可由等效源表示对于负载来说，晶体管输出信号可由等效源表示2122120122221(1)(1)1(1)(1)LLsLLsSSaaaSS 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义传输给负载的功率传输给负载的功率 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析22222222220221(1)1LLLPbaba L2 仅当输出端共轭匹配（）时，22221222222*2221(1)1111aOsLsSPPaaS P2a为放大器放大器资资用功率用功率电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u增益增益 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析（a a）工作）工作功率增益功率增益222

11、221212222222111221221111()2Re11LLpLLLSSPGPSSDCS G GP P为为放大器放大器实际实际工作工作中中功率增益功率增益的量度的量度G GP P仅仅与与晶体管晶体管S S参数参数和和负载负载 L有有关关12211CSS D式中，电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u增益增益 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析（b b）资资用用功率增益功率增益 Ga为为放大器放大器两个两个端口共端口共轭轭匹配匹配时产时产生的生的功率增益功率增益 Ga仅与仅与晶体管晶体管S S参数参数和和源源 S有有关关21122CSS D式中，22222212212222222

12、12211222211111()2Re11ssaaasssSSPGPSSDCS 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u增益增益 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析（c c）转换转换功率增益功率增益 Gt为为放大器放大器实际传实际传送到送到负载负载的功率的功率与与信信号号源源资资用功率之用功率之比比 Gt与与晶体管晶体管S S参数参数，源源 S，负载负载 L有有关关2222222121222212211122122111111111sLsLtaLssLsLSSPGPSSSS S 在在一般情一般情况况下下: :ptatGGGG，电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u稳定性稳定性 p

13、单级放大器网络分析单级放大器网络分析（一一）网络稳网络稳定性定定性定义义设网络某一端口的输入阻抗是Z=R+jX该端口对实数参考阻抗Zc的反射系数为：ccccZZRZjXZZRZjX 2222ccRZXRZX 当R0时，|1，称该端口绝对稳定；当R0时，|1，称该端口不稳定。 只要只要网络中有一个网络中有一个端口不稳定，则整端口不稳定，则整个网络都不稳定；个网络都不稳定； 判定稳定性可由网判定稳定性可由网络端口的输入阻抗络端口的输入阻抗是否存在负阻来确是否存在负阻来确定定电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u稳定性稳定性 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析（二二）晶体管晶体管稳稳定性定

14、性 晶体管放大器绝对稳定是指可可选选用任何用任何实数实数源、源、负载负载阻抗阻抗|S|1，|L|1， 晶体管放大器绝对的充要条件是21112212221221111sSS SSS SKKs为放大器的稳定系数：2221122122112sSSDKS S电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u稳定性稳定性 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 晶体管放大器在不稳定条件下对源、负载阻抗的选择:(1)晶体管放大器输入端口不稳定时，经源再次反射进入晶体管的入射波为:11 ；a111 1ba 111 1ssaba L2211L 若，则输出端口稳定(2)晶体管放大器输出端口不稳定时，111111ssa

15、a 若，即 ，则该输入端口稳定电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u噪声系数噪声系数 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 微波晶体管放大器噪微波晶体管放大器噪声来声来源源: :热热噪噪声声: :载载流子不流子不规则运动规则运动引起的，引起的，与与器件器件欧欧姆姆电电阻相阻相关关；散粒噪散粒噪声声：由于：由于电电流流流流动时载动时载流子流子运动运动起伏起伏产产生，其大小生，其大小与电与电流呈正比；流呈正比；闪烁闪烁噪噪声声：半：半导导体工体工艺艺及表面及表面处处理等引起的。理等引起的。 热热噪噪声声功率：功率：,4n rmsvkTBRk 热热噪噪声电压声电压：可用：可用电电阻阻R产产生

16、的噪生的噪声电压声电压在在fH- -fL频频段段内内表示表示2,N4n rmsvkTBR 热热噪噪声声模型模型231.380 10 J/KTBk玻尔兹曼常数：，电阻噪声温度， 噪声带宽电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义u噪声系数噪声系数 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 放大器放大器输输入入噪噪声声功率可等效功率可等效为为信信号号源源内内阻阻产产生的生的热热噪噪声声功功率率in0NkT B 微波晶体管放大器微波晶体管放大器输输出噪出噪声声是放大器是放大器输输入噪入噪声声功率和放大功率和放大器自身器自身产产生的噪生的噪声声的的组组合合0300KT 环境温度，out0N()ekGB

17、TTTe为放大器等效噪声温度 噪噪声声系系数数定定义义: :信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数out0ininoutoutin00NSN1NF=1SNNeeTTTGTT 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度放大器自身产生的噪声常用等效噪声温度T Te e来表达。噪声温度来表达。噪声温度T Te e与噪声系数与噪声系数NFNF的关系的关系NF(dB) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

18、NF1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 NF(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 NF1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 2637) 1

19、(0NFTTe式中，式中，T T0 0为环境温度，通常取为环境温度，通常取为为300K300K。根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如根据公式，可以计算出常用的噪声系数和与之对应的噪声温度，如表所示。噪声系数和噪声温度关系表所示。噪声系数和噪声温度关系p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 多多级级联级级联放大器噪放大器噪声声系系数数表表达为达为：321112NF1NF1NF=NFGG G 低噪声声放大器前级对级对噪声声系数数的贡献贡献占绝对绝对因素电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义

20、p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 晶体管最小噪晶体管最小噪声声系系数数 经验公式表明，随着工作频率增加，微波场效应晶体管具经验公式表明，随着工作频率增加，微波场效应晶体管具有比有比微波双极晶体管微波双极晶体管更优良的噪声系数更优良的噪声系数2min0BJT11fNFKf 微波：minFET1TfNFKf 微波： 晶体管等效晶体管等效为线为线性二端口性二端口网络网络，噪，噪声声系系数数表表达为达为：2minRenssoptsRNFNFYYYRn线性线性二端口网络的等效噪声二端口网络的等效噪声阻抗阻抗;Ys=Gs+jBs信号源内阻Ysopt=Gsopt+jBsopt获得最佳噪声系数获得最佳

21、噪声系数NFmin时的源导纳时的源导纳电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 单级放大器网络分析单级放大器网络分析 晶体管最小噪晶体管最小噪声声系系数数 晶体管等效晶体管等效为线为线性二端口性二端口网络网络，噪，噪声声系系数还数还可表可表达为达为：线性线性二端口网络二端口网络的的噪声系数完全由可测量的四个参数决定：噪声系数完全由可测量的四个参数决定： Nfmin、N(或或N)和和 sopt2min21ssoptsNFNFN 224Re411nsoptsoptsoptRYNN 式中，电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u晶体管放大器的匹配晶体

22、管放大器的匹配网络网络微波晶体管放大器设计的主要工作是得到合适的输入、级间、输出微波晶体管放大器设计的主要工作是得到合适的输入、级间、输出匹配网络匹配网络微波晶体管放大器 输入匹配网络：输入匹配网络：实现微波晶体管的输入端口与信号源之间的匹配；实现微波晶体管的输入端口与信号源之间的匹配； 输出匹配网络输出匹配网络：实现：实现微波晶体管的输出端口与负载之间的匹配微波晶体管的输出端口与负载之间的匹配； 级间匹配网络：实现前后级级间匹配网络：实现前后级微波晶体管的输出端口与微波晶体管的输出端口与输入端口的输入端口的匹配匹配； 获取最佳功率增益、最佳噪声系数、最佳增益平坦度获取最佳功率增益、最佳噪声系

23、数、最佳增益平坦度 1 S 2 L电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u微微带带集成匹配集成匹配网络网络微波晶体管放大器（a a）并联并联型匹配型匹配网络网络 主要用于主要用于满满足微波低端、窄足微波低端、窄带带需需求求(T(T型型结结的影的影响响） 并联并联枝枝节节可以是可以是终终端端开开路也可以路也可以是是终终端端短路；短路； 根据根据电纳电纳补偿补偿要求和要求和结构结构需要需要来来决决定定并联并联枝枝节节的的开开、短路情、短路情况况，并联并联枝枝节节的的阻抗和阻抗和长长度度； 根据根据电导电导匹配要求，匹配要求，决决定串定串联线联线阻抗和

24、阻抗和长长度（一般度（一般为为 g g/4/4）电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u匹配匹配网络网络类类型型 多多级级级级联联可可实现宽带实现宽带匹配匹配（b b）串）串联联型匹配型匹配网络网络 串接短串接短线实现复线实现复阻抗阻抗- -实实阻抗阻抗的的变换变换 g g/4/4线实现实数线实现实数阻抗的阻抗的变换变换 可用于可用于较较高高频频率率电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u微波晶体管放大器微波晶体管放大器设计设计要点要点 稳定性是放大器设计的稳定性是放大器设计的前提前提分别选取合适的

25、源、负载阻抗，使得放大器输出端、输入端稳定分别选取合适的源、负载阻抗，使得放大器输出端、输入端稳定在晶体管不稳定的情况下，在晶体管不稳定的情况下，可可采用有耗网络改善放大器的稳定性。采用有耗网络改善放大器的稳定性。 匹配网络选择匹配网络选择最最小小噪声噪声匹配匹配： s s= = soptsopt最最大功率增益大功率增益匹配：匹配： s s= = 1 1* *输入匹配网络输入匹配网络输出匹配网络输出匹配网络最最大功率增益大功率增益匹配：匹配： L L= = 2 2* *级间匹配网络级间匹配网络按要求实现后级输入阻抗与前级输出阻抗之按要求实现后级输入阻抗与前级输出阻抗之间的匹配，并实现前后级的隔

26、间的匹配，并实现前后级的隔直直 增益平坦度和端口驻波比增益平坦度和端口驻波比电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u绝对稳绝对稳定情定情况况下的下的设计设计 1 S 2 L 单单向向情情况况下下（S12=0S12=0）的的设计设计步步骤骤：（2 2）当当S12=0S12=0时时，12121221122111111222222211 =0S011sLLsSS SS SSSSSSS ，（1 1）判定器件判定器件稳稳定性定性（3 3）设计输设计输入匹配入匹配网络网络：*SSOPTS1= 或 （4 4）设计输设计输出匹配出匹配网络网络：2L 电子科技大学

27、电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u绝对稳绝对稳定情定情况况下的下的设计设计 1 S 2 L 双双向向情情况况下下（S12S120 0）的的设计设计步步骤骤：（2 2）当当S12S12 0 0时时，1221222111ssS SSS ( (一一) )按最小噪按最小噪声声系系数设计数设计（1 1）设计输设计输入匹配入匹配网络网络：SSOPT=（3 3）设计输设计输出匹配出匹配网络网络：2L 电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u绝对稳绝对稳定情定情况况下的下的设计设计 1 S 2 L 双双向向情情况况下下（

28、S12S120 0）的的设计设计步步骤骤：（二）按最大功率增益（二）按最大功率增益设计设计（1 1）按共）按共轭轭匹配要求得到匹配要求得到输输入入/ /出匹配出匹配网络网络反射系反射系数数：1212211112212212221111sLLLssS SSSS SSS 22112SSM22222221M1214=24=2LLBBCCCBBCCC2222221112222211122112112211BSSDBSSDCSS DCSS D ，（2 2）设计输设计输入入/ /出匹配出匹配网络网络，实现实现 S0S0与与 SMSM 、 LMLM与与 L0L0之之间间的匹配的匹配电子科技大学电子工程学院微

29、波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u潜在不潜在不稳稳定定条条件下的件下的设计设计 1 S 2 L S和和 L 的选择的选择受放大器稳定受放大器稳定性限制：性限制：（2）设计设计放大器输出匹配网络时，要保证放大器输入口放大器输出匹配网络时，要保证放大器输入口稳定稳定：在在 L 平面上稳定区选取平面上稳定区选取 L；（3）设计设计放大器放大器输输入入匹配匹配网络时，要保证放大器网络时，要保证放大器输输出出口稳定口稳定：在在 S 平面上稳定区选取平面上稳定区选取 S；（1）保证增益保证增益要求要求和噪声系数要求和噪声系数要求: GGMin; NFNFMax电子科技大学电子工

30、程学院微波集成电路讲义 u潜在不潜在不稳稳定定条条件下的件下的设计设计 1 S 2 L 保证功率增益保证功率增益GPGMin的设计步骤的设计步骤（1）选择晶体管输入口稳定且）选择晶体管输入口稳定且保证增益的保证增益的 L：（3）判定晶体管输出端稳定性）判定晶体管输出端稳定性*1s 1221222111ssS SSS ，1221111221LLS SSS ，1PMin1GGL （2）确定输入匹配网络）确定输入匹配网络 S：21 ？（4）2L1若，重新选择；2S0SL0L1若，设计输入/输出匹配网络，完成与、与之间的匹配电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 u潜在不潜在不稳稳定定条条件下的件下

31、的设计设计 1 S 2 L 保证噪声系数保证噪声系数NFNFMax的设计步骤的设计步骤（1）选择晶体管）选择晶体管输出口输出口稳定且稳定且保证噪声的保证噪声的 S：（3）判定晶体管输入端稳定性）判定晶体管输入端稳定性*2L 1221222111ssS SSS ，1221111221LLS SSS ，2Max1NFNFS （2）确定输）确定输出出匹配网络匹配网络 L：11 ？（4）11S若，重新选择；1S0SL0L1若，设计输入/输出匹配网络，完成与、与之间的匹配电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计u多级放大器设计 多级放大设计简便，设计效多级放

32、大设计简便，设计效率高，率高， 可任意增加可任意增加级数级数（适合（适合n n3 3） 但结构松散但结构松散 模块化模块化设计方案设计方案 每一级单独设计，级间由每一级单独设计，级间由5050线线连接连接 一体化设计方案一体化设计方案 不便任意增不便任意增加加级数级数（适（适合合n n3 3） 结构紧凑结构紧凑 每一级放大器不是单独设计，每一级放大器不是单独设计，前后级晶体管匹配和级前后级晶体管匹配和级联由联由同一级间匹配网络实现同一级间匹配网络实现电子科技大学电子工程学院微波集成电路讲义 p 微波晶体管放大器设计微波晶体管放大器设计 合理选取匹配网络，得到宽带响应：合理选取匹配网络，得到宽带响应：u带宽带宽和和带内频响带内频响（平坦度）（平坦度） 在频带高端按共轭匹配设计；在频带高端按共轭匹配设计； 频率低端因失配使放大器增益降低频率低端因失配使放大器增益降低u增强增强稳稳定性定性 在在晶体管晶体管器件端口串、并联电阻，按器件端口串、并联电阻，按新新的的SS参数设计。参数设计。 晶体管晶体管|S21|S21|2 2随频率增加而下降；随