大学物理大学-射频电路第17讲晶体管放大器

1、第17讲内容South China University of Technology小信号放大器设计:.功率放大器设计17.1 小信号放大器设计小信号晶体管放大器一般工作于晶体管的线 性区，其散射参数与频率无关。小信号晶体管放大器的设计过程：给定技术指标:频率范围、增益、噪声系数等。选择合适的晶体管。根据晶体管的S参数，检验器件的稳定性。如果是绝对稳定，直接设计输入/输出匹配网络， 如果是有条件稳定，设计输入/输出匹配网络时要 避开不稳定区域。必要时，在圆图上画出恒定增益圆和恒定噪声圆， 选择折衷方案。根据晶体管特性要求设计偏置电路。Research Institute of Antennas

2、 & RF Techniques小信号晶体管放大器设计的实质是 匹配网络的设计最大功率增益放大器设计out 当满足共轭匹配条件g二八Jou严巧时，放大 器的转换功率增益最大。这时的源反射系数和 负载反射系数可表示为r msBi J B 21 - 4 Ci2CBi = i+Sul2-| S22I2 -|a| 2 C = Sa - s； ar mlB2 JB22 - 4 C22C2B2 = i+S22I2 - Sul2 -|a| 2C2 = s22 - S；iA设计最大功率增益放大器的关键步骤是设计输 入、输出匹配网络以实现与源阻抗和负载阻抗 的匹配。【例17-1】有合适偏置的GaAs FET用5

3、0欧的网络分析仪在6 GHz测得:Si】=0.614Z 167.4。 = 0.046Z65。S21 = 2.187Z32.4。S22 = 0.716Z 83。试用这个晶体管设计一最大功率增益的放大器。A=|SnS 22 512 S211= 0.3419 12| 512可见该晶体管绝对稳定。计算共轭匹配时分别从晶体管向源和负载看去 的源和负载应满足的反射系数厂 MS2-=O.8673Z169.760厂ML-4C2=0.90业84.48。2C2可以证明，因为 A 0，B2 0所以开根号前选“”号。选择一种阻抗变换器电路，实现阻抗变换。这 里采用单支节阻抗变换器。导纳图 85rnuAY-360-30

4、A和C分别对应于点 厂MS,厂ML ,相应的归 一化导纳点分别为B 点和D点。0.093 Ar msr mlJo言 OS在输入端，为了把归一化源导纳为1的点变换至B点，先并联一归一化电纳j27,变换到E点，这一电纳可用0.1942的开路线实现。然后，串联一传输线段，把E点移至B点（从源往负载方向旋转），传输线段的电长度为0265-0200=0065。同理，在输出端，为了将归一化负载导纳为1 的点变换至D点，先并联一归一化电纳-j34， 变换到F点，这一电纳可用0297的开路线实现。 然后，串联一传输线段，把F点移至D点（从 源往负载方向旋转），其电长度为0093。利用软件ADS,可以方便地设计

5、与计算。freqStabFactl6.000 GHz1.130k=1.131, 该晶体管绝对稳定。S2 仁 polar(2_187T32.4) S1 仁 pdar(0_614,-167.4) S22=polar(0_716T-83)S12=polar(0_046T65)| 帝 | S-PARAMETERS |SP1Start 二 5 GHzStop=7GHzStep=0.01 GHzDisplayTeinnplatedsptemplS_Params_Quad_(E_SmittrSlabFactStabFact!StabFact 仁 stafcct(S)00(2.187,32.4)0130.61

6、4,-167.4)0(0.716,-83)Duspllay TemplatedisptempiPwrGaini =pwr gainfS, PortZI, PortZ2)m15freq= 6.000GHzMaxGain1=14.583freq, GHzso wsos红线: 输入反射系数 19.159dB6GHz蓝线: 功率增益 14.3206GHz紫线: 最大增益14.583指定功率增益放大器设计指定的功率增益一般比最大功率增益小，增 益的减小用以其它技术指标(例如噪声或带 宽)的提高。例17-2】 设计一指定功率增益的单级放大器。已知场效应管的S参数如下表所示。要求用这个管子设计在4GHz具有

7、lldB增益的放大器，并计算3-5GHz的输入回波损耗和增益曲线。场效应管的S参数(sl2-o)/GHzSHs21. 二0.8 z -9(r2.8 -1000.66 .,.-5040.75 - 1202.5800.60 z.-7050.71- 1402.3600.68-85解：（1 ）检验稳定条件|vl （因为|Sii|vl和IS22IVI）和炉所以 该晶体管是无条件稳定。2）计算最大可能增益满足同时共轭匹配时，最大转换功率增益GSmax =3.59 dB,GLax =L = 1.94 dBi-|s2 1-L2I2G = |S21|2 = 796 dB所以Gm = 3.59 +1.94 + 7

8、.96 = 13.49dB可见，最大单向功率增益比设计要求高249dB, 这个管子完全可以用于这个设计。Research Institute of Antennas & RF Techniques3）画出恒定增益求得恒定增益圆的圆心及半径如下表所示。恒定增益圆的圆心及半径(人= 3dB*2(s =0.706.1200.875(人= 2dB= 1.58=0.627120rs-0.691G = I dB = 1.26Cj =0.52 -70：.r!.= 0.8064=0 dB= 170厂 i (). 64因为G0=8dB,余下的3dB增益由GS和GL提供。 选定 GS=2dB 和 GL=ldB。4

9、）计算输入与输出匹配网络在GS=2dB的增益圆 入匹配网络。上选定A点，并由此设计输在GL=1dB的恒定增益上选定C点，并由此设计输出匹配网络。Jo言 OSA、C点对应的归一化导纳点分别为B点和D点。采用单支节匹配。在输入端，为了把Y = 1 （圆图原点）变换至厂$ 对应的导纳B点，过A、B点做等r圆，与g=1 的圆相交于P点，该点导纳为l+j063。因此，首 先在源端并联一电纳j063,该电纳由009入长度 的开路线实现，则Y = 1点变换到P点，再由P 点沿r圆顺时针转至B点，所经过的电长度为 0183人 此即为串联传输线段的长度。在输出端，用相同的方法对匕=1并联一容性电 纳-jO35,

10、该电纳由043U长度的开路线实现， 在导纳圆图Y = 1 -j0.35对应点M的标度为-80。， 该点沿r圆转至D点，所经过的电长度为0044人 厂此即为串联传输线的长度。5）计算输入端口的回波损耗当 S12=0 时，in = S11当 f=3GHz 时，|n| = 0& 20lgn = 1.94dB 当f=4GHz时，|n| = 0.75,201gn = 2.5dB 当 f=5GHz 时，|n| = 0.71,201gn = 2.97 dB对f0=4GHz时，G=lldB,但对其它频率，必须按下式计算1-厂1 S1T s1 -lr zl|1 - S22 厂 /对输入和输出匹配网络在3GHz和

11、5GHz时的传输线长度应修正为 当f=3GHz时，Gtu=5.4117=733dB 当 f=5GHz时，Gtu=4.9688=696dB增益二5 厂飞$ 了九4回波损耗- 11 = :,B o 8 6 4 2 o 2 d 1 -(c) ADS仿真结果:50 Ohm360*0.09 RFfreq GHzTerm TermlNum=1Z二50 OhmZ二50 OhmE=360*0.183F二RFfreq GHzAmplifiedAWP2S21=fileDAC1, S2,1S11=fileDAC1, S1,1S22=fileDAC1l S2,2JS12hileDACh S1,2JILINTL4Z二5

12、0 OhmE=360*0.044F二RFfreq GHzTerm Term2 Num 二 2Z二50 OhmS-PAFSAMETERS5 ParamSP1Start=3 GHzStop=5 GHzSteph GHz口 PwrGainPwrGainPwrGain 1PwrGainl =pwr_gain(S,PortZ1 ,PortZ2)口Max GainMaxGainlDisplay Tern platedisptemplS_Params_Quad_dB_Sm ithMax Gain1=max_gain(S)m5freq=4.000GHz PwrGain1=10.812红线:输入反射系数蓝线:功

13、率增益 紫线:最大增益17. 2功率放大器设计-I功率放大器的主要技术指标当输入的信号电平不大时，输出与输入功率呈 线性关系，但当输入电平进入饱和区时，增益 开始滑落或称为压缩。当输入功率达到Pin,ldB 之后，增益减小并最后达到饱和。放大器的增益偏离线性而比线性增益低ldB的 点称为ldB增益压缩点。其对应输出功率为 PidB，常用以表征放大器的功率处理能力，即 q dB = G。- 1dB 二加Pin ,1dB或P1dB (dBm) = PidB (dBm) + GidB (dB式中，G0为小信号的线性功率增益(dB)。:动态范围dRdR = p dB - Po ,s （:交调失真（IM

14、D）与三阶交叉点（IP3）交调失真是由两个不同频率的末调制的信号加 于放大器的输入端而在放大器输出端所产生的 新的频率分量的现象。交调失真IMD的分贝数IMD(dB) = Pout(f2(dBm) -Pout(2f2 - f )(dBm)的延长线点交3：m叫叫1）两直线PAE =输出信号功率-输入信号功率心 PAE(Power-added efficiency)功率附加效率直流功率PoutPin(1 r 1)1=%di G丿解：下面的计算中，用测得的大信号S21。|=0 161所以该晶体管是无条件稳定。 （2）检验单向性的假定：IS/几S22（1一|阳2）（1一阳2）=0.050.41dB G

15、 0.45dBGTU由于最大误差是在05dB的容许范围内，因此可以利用单向性进行设计。最大增益GTUmax=14.2=11.5dB采用单支节匹配器设计输入、输出匹配网络。（3）输入匹配网络。由图中A点Vs = S：i = 0.55Z150。得B点Z = 0.31 + 丿0242 Y = 2.0 -丿 1.56并联的电纳由/=015U的开路线实现。由C点转 到B点的1=0115人为串联传输线的长度。（4）输出匹配网络。由图中D点厂厶=s；2 = 0.45Z30。得E点导纳Yl = 0.396 - j 0.2 3E点的等圆与g=1的圆相交于F点，YF=1-jo并联的短路线电 纳-jYc =j0.0

16、2 = -jY n pi = 45o 亠 l =-c Jtan pi8Research Institute of Antennas & RF TechniquesJomtlos ADS仿真结果:TLOCTl_2Z二50_0 OhmE =360*0.15F二RFfreq GHzTLINTL1Z=50.0 OhmE=360*0.115F二RFfreq GHzS2 仁 polar(2.8T180)S1 仁 polar(0.55,-150)S22=polar(0.45T-30)S12=polar(0.001,0)捋y b LSCIL5Z 二 50 0 OhmHh E=360*0_1251 FRFf r

17、eq GHzILINTL4Z二50_0 OhmE=360*0.1167F=RFfreq GHz|帶| S PARAMETERSS_ParamSP1Starts GHzStop=6 GHzStep=0_01 GHz口PwrGainPwrGainlDisplay Template disptemp! S_Params_Quad_dB_SnnithPwrGainl =pwr_gain(STPortZ1 TPortZ2) MaxGainl =max_gain(S)红线:输入反射系数 蓝线:功率增益 紫线:最大增益例17-4】某场效应管在3GHz和50Q系统中具 有如下的大信号S参数:Sii = 0.6

18、2Z140。， &2 = 0 06Z 10。S21 = 2.58Z20。， S o 0.53Z 120。PidB=30dB。设计具有最大输出功率的甲类放大器，增益的允许误差范围为05dB。解:1)|=0 171所以该晶体管是绝对稳定。2)检验单向性的假定：=0.115卜必门卜阳2)IS12IIS21I S11 S220.95dB G 1.06dBGTU由于误差大于05dB的容许范围内，因此，不能采用单向性设计，需要应用双向设计。3）最大功率增益G = Gtu maxS21Sl2（K -JK 2 _ 1 卜 135dBGdB = Ga - 1 = 125dB（4）MS 和几“B1 = 1 + |

19、S11|2 - |S2212 -|A|2 = 10746 C = Sil S22A = 0.53Z138.5。厂皿二 0.83Z-138.5。B2 = 1 + |S2212 -Sul2 -|A|2 = 0.8676 C = S22 S：1A = 0.42Z 122o r ml = 0.79Z122。输入匹配网络。采用并联支节与入/4阻抗 变换器实现。由rMS得Zms=50(014j0.37), YMS=0018+j0.047用两段8开路线相并联提供所需电纳，每段入/8开路线的导纳为Yi =丿0047 / 2 = j0.0235 = (-ZCX cot pl厂(S)则开路线的特性阻抗为Zd = tan 2 卜0235 = 42.60应用入/4线阻抗变换器将1/50=002S的源导纳 变换为0018S，故入/4线特性阻抗为 ZC1 = 52.70Research Institute of Antennas & RF Techniques(6 )输出匹配网络。由ML得Zms=50(024+j0.58) QYMS=(0014j0031)S用两段3M8开路线相并联提供所需电纳，开路 线的特性阻抗为Z； = tan-/0.031 = 64.50C142再利用入/4阻抗变换器将50Q的负载变换为0.014S，故