第9章射频放大器无线通信射频电路技术与设计[文光俊]

1、1第9章 射频放大器教学教学重点重点本章重点介绍了射频放大器的相关基础理论；介绍了射频本章重点介绍了射频放大器的相关基础理论；介绍了射频放大器的放大器的DC偏置电路、阻抗匹配、稳定电路的功能、基偏置电路、阻抗匹配、稳定电路的功能、基本拓扑类型及相应的特点；介绍了低噪声放大器、功率放本拓扑类型及相应的特点；介绍了低噪声放大器、功率放大器的各种电路拓扑与特点、设计要点、设计步骤和设计大器的各种电路拓扑与特点、设计要点、设计步骤和设计实例，以及功放的线性化技术、效率增强技术。实例，以及功放的线性化技术、效率增强技术。 教学教学重点重点教学教学重点重点掌握：低噪声放大器、功率放大器的设计要点和步骤。掌

2、握：低噪声放大器、功率放大器的设计要点和步骤。了解：射频放大器的了解：射频放大器的DC偏置电路、阻抗匹配、稳定电路偏置电路、阻抗匹配、稳定电路 的功能、基本拓扑类型及相应的特点。的功能、基本拓扑类型及相应的特点。熟悉：射频放大器的稳定性、增益、噪声、输出功率的相熟悉：射频放大器的稳定性、增益、噪声、输出功率的相 关基础理论。关基础理论。 能力能力要求要求2本章目录v第一节 射频放大器的相关理论v第二节 射频放大器偏置电路v第三节 低噪声放大器设计v第四节 功率放大器设计 3知识结构射射频频放放大大器器射频放大器的相关理论射频放大器的相关理论放大器的噪声系数圆放大器的噪声系数圆场效应晶体管偏置网

3、络场效应晶体管偏置网络射频放大器的功率增益射频放大器的功率增益双极型晶体管偏置网络双极型晶体管偏置网络低噪声放大器简介低噪声放大器简介低噪声放大器主要技术指标低噪声放大器主要技术指标放大器的稳定性放大器的稳定性低噪声放大器基本电路低噪声放大器基本电路射频放大器偏置电路射频放大器偏置电路低噪声放大器设计低噪声放大器设计功率放大器设计功率放大器设计常见的常见的LNA电路配置电路配置低噪声放大器设计步骤低噪声放大器设计步骤低噪声放大器设计举例低噪声放大器设计举例功率放大器简介功率放大器简介功放的工作类型功放的工作类型功率放大器的主要性能指标功率放大器的主要性能指标功率放大器的设计步骤功率放大器的设计

4、步骤功率放大器设计举例功率放大器设计举例功率合成技术功率合成技术功率放大器线性化技术功率放大器线性化技术功率放大器的效率增强技术功率放大器的效率增强技术49.1 射频放大器的相关理论in19.1.1 放大器的稳定性输入反射系数：1221Lin1122L1S SSs1221Lout2211L1S SSS输出反射系数：两类稳定性：in1out1out1 (1) 绝对稳定：无论晶体管放大器接什么样的无源负载阻抗和源阻抗，均有 和 。 (2) 条件稳定：不是所有的无源负载阻抗和源阻抗，均使晶体管放大器的 和 。59.1 射频放大器的相关理论1、稳定性判定圆放大器稳定性边界条件：1221L11Lin11

5、22L22L111S SSSSS 22S1221Lout2211L11S111SS SSSS 其中： 。11221221S SS S 输出稳定圆输出稳定圆输入稳定圆输入稳定圆（1）对于输出稳定性判定圆输出稳定区与非稳定区输出稳定区与非稳定区69.1 射频放大器的相关理论（2）对于输入稳定性判定圆输入稳定区与非稳定区输入稳定区与非稳定区2、绝对稳定绝对稳定条件：ininr1Coutoutr1C111SoutS 时， 与 平面上的绝对稳定条件79.1 射频放大器的相关理论用稳定因子k描述绝对稳定条件：将输入稳定圆的圆心和半径的表达式：*1122ininin2211()RISSCCjCS 1221i

6、n2222-S SrS代入稳定条件：ininr1C可得：*1122122122111SSS SS 整理得： 222222221122111221140SSSS S 上式大括号中的表达式必须大于0，故可得：22211221221112SSkSS 89.1 射频放大器的相关理论3、放大器的稳定措施（1）电阻性加载 电阻性加载是场效应晶体管或双极型晶体管的一种常用稳定措施，这种方法即为在有源器件的不稳定端口增加一个串联或并联的电阻。（2）并联反馈 通过在晶体管的输出端到输入端之间添加一个电阻器，引入负反馈，能很好地改善晶体管的稳定性。 串联反馈要求在器件的公共端接入一个电阻器或者电感器。 （3）串联

7、反馈用串联或并联的电阻稳定措施用串联或并联的电阻稳定措施放大器的反馈型稳定措施放大器的反馈型稳定措施99.1 射频放大器的相关理论9.1.2 射频放大器的功率增益1、 放大器功率增益定义单级放大器网络的功率传输图单级放大器网络的功率传输图源反射系数：S0SS0ZZZZ 负载反射系数：L0LL0ZZZZ 平均输入功率：2222122SS1ininin2000Sin1112281VVVPZZZ 109.1 射频放大器的相关理论传送到负载的平均功率：22222222221L21SL221S2LL222000022L22LSin11112228111SSVVVVPZZZZSS 传送到负载的最大功率：*

8、outL222221SoutSL,maxL22*022outSin11811SVPPZS （1）功率转换增益定义：负载吸收功率和信号源资用功率之比。 222S21LLT22ASin22L(1)(1)11SPGPS 119.1 射频放大器的相关理论（2）资用功率增益和工作功率增益 资用功率增益：*Lout22L,max21SAT22A11Sout(1)1(1)PSGGPS 工作功率增益：22L21LP22inin22L(1(1)1SPGPS 129.1 射频放大器的相关理论 2、放大器的功率增益特性 （1）单向化设计法单向化功率转换增益的原理图单向化功率转换增益的原理图 单向化功率转换增益：22

9、2SLTU21211SL221111GSSS 139.1 射频放大器的相关理论（2）最大增益设计12S 实际的放大器电路设计中，当 大到不能忽略时，采用单向化设计法导致的误差不能容忍，此时应采用双共轭匹配法做放大器的最大增益设计。 输入端口反射系数：1221LS1122L1S SSS 输出端口反射系数：1221SL2211S1S SSS 由（1）和（2）可得： （1） （2）22111S142BBCC 22222L242BBCC 149.1 射频放大器的相关理论 其中：222111221BSS 222222111BSS 11122CSS22211CSS最大增益与稳定因子k的关系为：212Tma

10、x121SGkkS 当k=1时可以得到有用的数值，它通常别称为最大稳定增益，表达式为:21msg12SGS159.1 射频放大器的相关理论 3、等增益圆 考虑了晶体管反馈效应的实际放大器设计中，根据工作功率增益和资用功率增益的定义可以推导出相应的等增益圆形式。 1、工作功率增益圆 在晶体管输入阻抗和源阻抗共轭匹配的条件下，可以将工作功率增益的表达式改写成如下形式：2222L21L212PP212222112Lin22L1122L22L1111111SSGgSS SSSSS Pg其中 为比例系数：22LLPP2222122L11L2112L1122L22L111111GgSSSS SSSS 16

11、9.1 射频放大器的相关理论L将上式改写为负载反射系数 的圆方程形式，即：LPPCr 其中圆心坐标： P2211P22P221gSSCgS 圆半径：22P122101221P22P22121kgS SgS SrgS 式中k为Rollett稳定因子。179.1 射频放大器的相关理论 2、资用功率增益圆资用功率增益圆方程为：SAACr 其中圆心坐标：A1122A22A111gSSCgS 圆半径：22A2112a1221A22A11121kgS SgS SrgS Ag比例系数 由下式确定：2SAA22212112S2211S11S1111GgSS SSSS AG其中 是要求的资用功率增益。 189.

12、1 射频放大器的相关理论 9.1.3 放大器的噪声系数圆等噪声系数圆方程：2optoptS111N NNN 圆心： optF1CN半径： 2optF11N NrN FoptC minFFoptFCFr从圆方程可以看出：当 时， 得到最小噪声系数，等噪声系数圆约简化成一点；所有等噪声系数圆的圆心都落在原点与 的连线上；噪声系数越大，则圆心 距离原点越近而且半径 越大。199.2 射频放大器偏置电路 9.2.1 双极型晶体管的偏置网络 对于射频双极型晶体管的偏置电路，常见的有固定基流偏置电路和基极分压射极偏置电路两种，它们的拓扑结构如图所示：双极型晶体管的无源偏置电路双极型晶体管的无源偏置电路20

13、9.2 射频放大器偏置电路CC10 VVCE5 VVC10 mAI BE0.7 VV100CBO0I参照上图所示的无源偏置电路，为双极型晶体管设计偏置。已知晶体管的工作状态为 ， ， 。假定晶体管的电流放大系数 ， 且 。解：偏置电路的直流通路可简化成：简化电路简化电路固定基流偏置电路中，基极电流为：3CB10 100.1 mA100IICCCE1B549.5 110.1VVRICEBE23B4.343 k0.1 10VVRIXBEXBE33BC1.5=15 k0.1 10VVVVRIIX2.2 VV 假定 ，则： XV1RXIBI为了保证中间电位 为近似固定值，流过电阻 的电流 的值至少为

14、的10倍，则：CCX1XB7.878 k10VVRIIX23XB2.22.44 k0.9 10VRIICCCE43C5200 10 10VVRI219.2 射频放大器偏置电路 9.2.2 场效应晶体管的偏置网络 场效应晶体管的偏置网络和双极型晶体管偏置网络的拓扑结构基本相同。由于场效应管的偏置条件许多时候需要负的栅极电压，通常采用双电源供电。 场效应晶体管的双极性无源偏置网络场效应晶体管的双极性无源偏置网络传输线偏置传输线偏置229.3 低噪声放大器设计 9.3.1 低噪声放大器简介低噪声放大器（low-noise amplifier，LNA）是射频接收机前端的重要组成部分。通常低噪声放大器位

15、于接收机的最前端，它对微弱的接收信号进行放大并尽可能少地引入本地噪声。 9.3.2 低噪声放大器的主要技术指标 1、工作频率TfTf放大器能够工作的频率取决于晶体管的特征频率 ，常选择 是工作频率的510倍。 2、噪声系数噪声系数在不同的应用场合有不同的要求，它的值可以从1dB到几个dB。噪声系数与放大器所选用的晶体管噪声特性、静态工作点、输入/输出匹配特性、工作频率和工艺有关，是低噪声放大器最为重要的指标。239.3 低噪声放大器设计 3、增益放大器增益的大小取决于系统的要求，较大的增益利于抑制后续电路的噪声对整个接收机系统的影响，但是增益太大会导致后面的下变频器输入过载，产生非线性失真。因

16、此，低噪声放大器的增益应当适中，一般在25dB以下。 4、输入/输出阻抗匹配输出匹配通常采用共轭匹配方式，以实现最大功率传输。输入匹配电路一般有两种，一为实现噪声系数最小的噪声匹配，二是实现最大功率增益和最小回波损耗为目的共轭匹配。5、线性度低噪声放大器的线性范围主要由三阶互调截点输入功率IIP3或输出功率OIP3和1dB压缩点的输入或输出功率来衡量。 6、反向隔离度反向隔离反应了低噪声放大器输出端与输入端的隔离度，良好的反向隔离可以减少本振信号到天线的泄露。 249.3 低噪声放大器设计 9.3.3 低噪声放大器基本电路 低噪声放大器基本电路框图如图所示，主要包括偏置电路、输入/输出匹配电路

17、和控制保护电路三部分。 1、直流（电压/电流）偏置电路偏置电路的作用就是给放大器提供需要的直流电压或电流，它通常有固定基极、基极分压、传输线和有源偏置等形式。 2、阻抗匹配/转换电路为了实现最大增益、最小噪声系数或最大功率传输，放大器相应有增益、噪声和功率匹配网络。 3、控制和保护电路控制电路通常由开关、衰减器、移相器和限幅器等器件构成，它的主要作用是提高放大器线性度和控制增益。 放大器电路结构框图放大器电路结构框图259.3 低噪声放大器设计 9.3.4 常见的LNA电路配置对场效应管而言，电路配置可以分为共源、共栅、共漏和共源-共栅（cascode）四种基本类型；相应地，对双极型晶体管而言

18、，电路配置又可以分为共射、共基、共集和共射-共基（cascode）四种基本类型。 FET和和BJT的基本电路配置的基本电路配置 269.3 低噪声放大器设计 9.3.5 低噪声放大器的设计步骤1、依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择合适的晶体管或工艺。 2、确定LNA电路拓扑。 3、确定放大器的直流工作点和设计偏置电路。 4、确定最小噪声输入阻抗。 5、将最小噪声输入阻抗匹配到信号源阻抗，即输入匹配网络 设计。 6、确定放大器输出阻抗。 7、将放大器输出阻抗匹配到负载阻抗，即输出匹配网络设计。 8、低噪放性能仿真和优化。 9、电路制作和性能调试。 10、性能的测量和标定。 279

19、.3 低噪声放大器设计 9.3.6 低噪声放大器设计举例 1、LNA设计的性能指标低噪声放大器预期性能指标低噪声放大器预期性能指标 2、晶体管的选择本例选用的晶体管为英飞凌公司的BFP405_BJT，这种晶体管适合用来设计小信号放大器。单管在2.02.3GHz处的最小噪声系数大于1.5dB，能达到的最大资用增益为17dB。3、LNA电路方案的确定根据设计的性能指标，LNA的电路方案为两级放大，为简便起见，前后两级采用对称结构。晶体管的工作点选在负载线的中点，使放大器工作在A类。289.3 低噪声放大器设计4、偏置电路设计本例的低噪声放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端射频

20、短路的四分之一波长传输线。 5、阻抗匹配/转换电路设计为了节省元件，并使放大器的性能稳定且布局合理，设计的低噪声放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。 偏置电路偏置电路单节短截线匹配网络单节短截线匹配网络299.3 低噪声放大器设计6原理图仿真及优化低噪声放大器的偏置电路和输入输出匹配网络设计好以后，便可形成一个完整的低噪放原理图，如图所示。仿真和优化整个低噪声放大器的性能，直到满足要求为止。低噪声放大器原理图低噪声放大器原理图309.3 低噪声放大器设计7、生成版图并焊装元件当原理图仿真达到预期的性能指标后，生成版图。 8、测试结果测试实际电路的性能，得到放大器的S参数和噪声系数。 低噪声

21、放大器版图低噪声放大器版图低噪声放大器实物图低噪声放大器实物图S参数测量结果参数测量结果噪声系数测量结果噪声系数测量结果319.4 功率放大器设计9.4.1 功率放大器简介 功率放大器位于发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率值，再送到天线中进行发射，保证在一定区域内的接收机可以收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。9.4.2 功放的工作类型 在小信号条件下A类工作是线性的，而大信号时A类工作会导致某些输出信号出现非线性失真。在B类状态下，晶体管在输入信号的半个周期内导通。C类工作的晶体管，一般情况处于截止状态，除非基极和发射极之间的交流信号将其导通。基本基本B类互补放大

22、器类互补放大器基本基本AB类互补放大器类互补放大器基本基本C类放大器类放大器329.4 功率放大器设计9.4.3 功率放大器的主要性能指标1、工作频率 随着频率的上升，不仅放大器的增益会降低，而且输出功率也会减小。 2、输出功率 输出功率是功放最为重要的性能指标之一，通常用饱和输出功率的大小来衡量。 3、效率C 功放效率有集电极效率 和功率增加效率PAE两种定义方式，它们的表达式为： outCdcPPputinPAECdcP1(1)PPPAEPG339.4 功率放大器设计4、功率增益 功率增益的定义为输出功率与输入功率之比。 5、线性度在大信号工作条件下，功率放大器的非线性效应较为明显，导致所

23、放大的信号失真。 9.4.4 功率放大器的设计步骤1、依据应用要求（噪声，频率，带宽，增益，功耗等）选择合适的晶体管。 2、确定功率放大器的电路拓扑。 3、确定放大器的直流工作点和设计偏置电路。 4、确定最大功率输出阻抗。 5、将最大功率输出阻抗匹配到负载阻抗，即输出匹配网络设计。 6、 确定放大器输入阻抗。 349.4 功率放大器设计 7、将放大器输入阻抗匹配到源阻抗，即输入匹配网络设计。 8、功放性能仿真和优化。 9、电路制作和性能调试。 10、性能的测量和标定。 9.4.5 功率放大器的设计举例1、PA设计的性能指标功率放大器预期性能指标功率放大器预期性能指标2、功放管的选择 本例选用的

24、晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT。单管在1.82.5GHz处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩输出功率点高于22.5dBm。359.4 功率放大器设计3、PA电路方案的确定使第一级工作在A类，第二级工作在AB类，这样可以使功放具有较好的线性度和较高的效率。第一级采用最大增益匹配，第二级输出匹配网络采用功率匹配，级间共轭匹配。4、直流偏置电路设计 本例所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线。 功率放大器偏置电路功率放大器偏置电路 功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。匹配顺序为从后级向前级匹配。第二级的输出匹配

25、网络采用功率匹配，第一级采用最大增益匹配。5、阻抗匹配/转换电路设计369.4 功率放大器设计6、功放原理图仿真及优化功率放大器的偏置电路和输入输出匹配网络设计好以后，便可形成一个完整的功放原理图，如图所示： 功率放大器原理图功率放大器原理图379.4 功率放大器设计7、生成版图并焊装元件功率放大器版图功率放大器版图功率放大器实物图功率放大器实物图8、测试结果 功率放大器的小信号功率放大器的小信号S参数测量结果参数测量结果功率放大器的功率放大器的1dB压缩点和压缩点和3阶交调阶交调截点截点389.4 功率放大器设计9.4.6 功率合成技术 利用混合分配器和混合合成器，将输入功率等分到几个放大器,并且又将每个放大器的输出功率合成。一个放大器不工作了不会影响整个功放单元，整个单元将继续工作，仅仅输出功率下降。 混合分配器混合分配器/合成器方法合成器方法 399.4 功率放大器设计9.4.7 功率放大器的线性化技术 1、功率回退法 功率回退技术选用大功率晶体管放大小功率信号，即通过牺牲功放效率获得功放的高线性度，令功率放大器的输入功率远小于1dB压缩点，使功率放大器远离饱和压缩区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的线性度。 2、前馈法 前馈线