射频与微波放大器设计 (2)课件

射频与微波放大器设计射频和微波放大器设计的基本考虑1功率或信号电平小信号大信号()2工作带宽窄带宽带3增益高增益(窄带)常数增益(宽带)4噪声低噪声5多级放大器射频与微波放大器设计基本设计方法—采用S参数来进行设计微波放大器用基本器件双极晶体管(较低频率)场效应管(较高频率，可以一直工作到毫米波段）射频与微波放大器设计

——放大器的分类

A类（甲类）放大器A类（甲类）放大器的特点是，在整个信号周期内，放大器都工作于晶体管的工作区。B类（乙类）放大器B类放大器的特点是，在放大器的工作过程中，大约半个信号周期的时间工作于晶体管的工作区。小信号放大器设计小信号放大器设计的基本步骤选择适当的器件或芯片工作频率增益噪声功率电平直流偏置设计偏置电压（Q点）的选择一般来说，放大器直流偏置电压对于应该选择在IC-VCE曲线（双极晶体管）或ID-VDS曲线（场效应管）的中部，以保证晶体管在工作区（双极晶体管）或饱和区（场效应管）工作。

小信号放大器设计直流偏置电路的设计直流偏置电路的设计原则应该是：直流偏置的引入对微波和射频信号没有影响，即一方面要防止微波和射频信号从偏置泄漏，干扰偏置回路的正常工作，同时也要防止外界干扰信号通过偏置回路影响微波和射频系统的工作。因此直流偏置回路应该是一个低通滤波器，并且在与微波回路相关的连接处向直流偏置看去的输入阻抗应该为近似开路。

小信号放大器设计小信号放大器设计稳定性分析稳定性判据绝对稳定条件稳定采用负反馈、电阻加载等措施注意：不但要考虑工作带宽内的稳定性，也要考虑工作带宽外的稳定性匹配网络的设计根据不同放大器的要求，进行匹配网络的设计。带宽的考虑双向还是单向设计增益与噪声设计的平衡级间匹配（共轭匹配）小信号放大器设计窄带放大器设计工作带宽小于10%的放大器可认为是窄带放大器窄带放大器分类最大增益放大器高增益放大器最低噪声放大器高增益放大器设计举例例15.1设计一工作频率为3GHz，增益为15dB的放大器，选择如下S参数的双极晶体管（VCE=4V，IC=5mA）：解低噪声放大器(LNA)设计设计考虑设计的主要目标是使放大器的在噪声低于规定值的前提下，尽可能获得较高的增益。

大多数情况下，最小噪声和最大增益并不是同时出现！低噪声放大器(LNA)设计基本设计步骤设计的前五个步骤与其它类型的放大器是相同，此后，有

计算输入和输出匹配网络的分配增益。将常数噪声圆、源（输入）常数增益圆绘在同一张Smith圆图上。选择与预设的常噪声系数圆相交的输入（源）常增益圆，作为增益设计的考虑，设计时应考虑到带宽的要求。

低噪声放大器(LNA)设计(4)在选定的输入常数增益圆上选择在预定噪声圆内的ГS值，设计输入匹配网络。(5)根据增益和带宽要求，选择ГL值，设计输出匹配网络。设计举例

宽带放大器（BBA）设计

——宽带放大器的设计考虑晶体管的|S21|和|S12|随频率变化的规律

宽带放大器（BBA）设计

——宽带放大器的设计考虑宽工作频带范围内的稳定性K因子依赖于|S12S21|的乘积，因此放大器的稳定性依赖于|S12S21|随频率变化曲线的平坦度。S11

和S22在整个工作频率范围的变化直接影响到输入和输出匹配网络的宽带设计。输入和输出匹配网络的特性本身随频率变化。

噪声系数在宽频带内的变化特性影响工作频带内的噪声特性

宽带放大器（BBA）设计3、宽带放大器设计的主要方法（1）匹配补偿技术（2）综合网络设计技术（3）平衡放大器技术（4）负反馈技术

宽带放大器（BBA）设计

——平衡放大器设计

平衡放大器电原理图

宽带放大器（BBA）设计

——平衡放大器的工作原理(1)端口1的输入功率通过3dB输入定向耦合器，在端口2和3等分输出，相位相差900。在理想情况下，端口4没有功率输出。(2)放大器a和放大器b分别对端口2和端口3的输出功率进行放大，由于两个放大器的特性是一样的，因此，放大后的信号仍然是大小相等，相位相差900。

(3)在输出3分贝定向耦合器的输入口，由放大器b输出的信号比放大器a的输出信号滞后900，经过输出定向耦合器后，在输出定向耦合器的端口2，合成信号的振幅相等，相位相差1800，端口2没有输出，而端口3合成的信号振幅相等，相位相同，即合成信号从端口3输出。宽带放大器（BBA）设计

——平衡放大器的优点反射系数

如果两个放大器特性是完全一致的（平衡），则整个放大器是完全匹配的。因此平衡放大器允许各放大器的输入和输出口是失配的。增益

在理想情况下，整个放大器的增益等于单支路放大器的增益

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术对于宽带（宽达20倍频程）、低增益变化的放大器，负反馈是一项非常有效的技术。负反馈技术唯一的缺点是由于在反馈回路中有电阻，因此必然使噪声增加，增益降低。

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术反馈放大器的分析反馈放大器的等效电路

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（分析）得出S参数其中

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（分析）输入和输出口无反射，有即或由此得到

公式15.19b表明了两个反馈电阻R1和R2满足输入和输出口无反射所必须的条件。

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（分析）负反馈放大器的增益适合于并-串反馈设计的三极管的条件R1的值总是正值（即R1≥0），考虑最坏情况，即R1=0,由公式15.9b,得到(gm)min的值

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（分析）匹配条件下(gm)min的简单表达式：将式15.9c中的R2代入式15.20，有

由公式15.19c可以看出，一旦晶体管满足(gm)min情况，增益S21只与反馈电阻R2有关，而与器件的参数无关。因此，只要器件是线性工作的，在一个宽的频带内放大器就可以保证增益的平坦性。

宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（分析）获得最小输入和输出驻波比的条件设计举例宽带放大器（BBA）设计

——负反馈技术（高频情况）随着工作频率的增加，S21的相位将趋向于900，也就是说可能出现正反馈的成分，由此引起放大器的不稳定，为了保证放大器的稳定性，可以在并联反馈元件上附加一个串联电感，以改变反馈分量的相位。

多级小信号放大器设计

多级小信号放大器设计

——最大增益多级放大器设计

设计目标获得最大的级连增益，也就是说应该使放大器的各级都工作于最大增益条件下。

设计原理

所有端口（输入和输出）都应该共轭匹配。多级小信号放大器设计

——多级低噪声放大器设计设计目标在满足最低噪声的基础上达到最大的带内增益设计原理第一级采用最低噪声设计，当第一级的增益足够时，后续各级可采用尽可能提高增益的方法。注意！在多级放大器的设计中，一定要注意版图的布局，防止前后级之间的串扰与耦合。大信号放大器设计大信号放大器和小信号放大器设计的不同之处设计参数：

——采用大信号S参数。工作状态：

——大部分为非线性状态。

分析方法：

——非线性分析方法

大信号放大器设计大信号放大器设计的基本考虑稳定性功率电平

增益(线性和非线性)

效率

线性特性(谐波特性)交调散热问题动态范围电磁兼容设计

机械结构大信号放大器设计大信号放大器的设计方法修正S-参数法

采用小信号放大器的S参数模型，但S21用大信号下的新参数代替 大信号放大器设计源和负载反射系数法依据生产厂商提供的在一分贝压缩点对应的源反射系数、负载反射系数和输出功率参量进行设计大信号放大器设计大信号放大器设计的基本概念

1-dB压缩点:

一分贝压缩点定义为在POUT—PIN曲线上，功率增益相对于小信号增益值减小一分贝的点。它表征了放大器的非线性特性。即

功率放大器的最小信号电平和动态范围最小信号电平

放大器的最小输入可检测信号功率Pi,mds所对应的输出功率Po,mds，必须大于放大器的输出噪声功率。

Po,mds定义为高于输出噪声功率电平x分贝。

或功率放大器的最小信号电平和动态范围功率放大器的动态范围功率放大器的动态范围定义为放大器的线性最大输出功率P1dB（dB）和最小可检测输出功率P0,mds（dB）之差，即

例交调的概念定义

当非线性网络的输入端输入两个以上不同频率的正弦波信号时，如果在输出端得到了多余频率的输出信号，则可以说由于网络的非线性，使信号产生了交调。

大信号放大器的交调现象

考虑在放大器输入端的两个归一振幅为1，不同频率的正弦信号，即

在非线性放大器的输出端，有即，输出信号V0(t)不仅有原来输入信号的频率分量f1和f2，同时也包含这两个信号频率的交调分量。非线性放大器的输出频谱交调的分类

a)二次谐波:2f1,2f2b)三次谐波:3f1,3f2c)高阶谐波:nf1,nf2n>3d)二阶交调:f1±f2e)三阶交调:2f1±f2,2f2±f1交调对接收系统的影响分析对于窄带功率放大器，除了三阶交调项（即2f1-f2和2f2-f1）外，所有附加的频率分量都可以通过滤波器被滤除掉。由于三阶交调项落在放大器的工作带宽之内，无法通过滤波去除。因此三阶交调是衡量信号通过放大器失真程度的重要指标。

三阶交调与放大器动态范围

三阶交调与放大器动态范围

由于三阶交调点比二阶交调低。因此三阶交调点决定了放大器动态范围或带宽的上限。

三阶交调点(TOI)与放大器的动态范围

三阶交调点(TOI)与放大器的动态范围三阶交调点的功率

伪自由动态范围（DRf)DRf是使PIP为零时，P0,mds与Pf1的差值。可以证明当P2f1-f2等于P0,mds时，有

例三阶交调功率的测量

——双频测试技术

在放大器输入端输入两个频率相近、功率相等的信号。放大器的输出端接频谱仪，在频谱仪上直接读出主输出功率（Pf1

dBm）和三阶交调输出功率(P2f1-f2

dBm)，则PIP(dBm)可以得到其中大信号条件下的源反射系数Гsp和

负载反射系数ГLp定义晶体管的大信号源反射系数Гsp

是指在大信号条件下，晶体管输入端的反射系数。晶体管的大信号负载反射系数ГLp

是指在大信号条件下，晶体管输出端的反射系数。

大信号源反射系数和

负载反射系数的测量

等功率线根据测量出ГSP

和ГLP后,我们可以得出一套大信号下的反射系数数据，由此可以根据相同的输出功率，绘出在ГLP平面上反射系数的变化曲线，以作为大信号设计的参考

A类大信号放大器设计—修正S参数法

对于在大信号情况下工作的A类放大器，除了S21外，所有其它小信号S参数都可以作为设计依据。而S21则会随功率电平和频率的增加而减小，如果我们知道大信号时的S21，我们就可以直接采用小信号放大器的设计方法，来设计A类大信号放大器。例

大信号功率放大器设计2

—源和负载反射系数法设计步骤:1.对于给出的输出功率电平，在Smith圆图上绘出相应的等功率曲线。2.在曲线上，选择ГL=ГLP

的适当的点。3.基于ГLp，计算ГIn。4.对于最大增益设计Гsp=Г*IN。5.由Гsp和ГLP，计算输入和输出匹配网络例

AB、B、和C类放大器设计

设计原则小信号的S参数不能使用，必须采用大信号S参数作为设计的依据。器件生产厂商常常会提供另一套设计数据如（Гsp,ГLp

和P1dB

）作为设计的参考。其设计过程与A类放大器的方法2（源和负载反射系数法）相类似