放大器的设计

放大器的设计第1页，共88页，2023年，2月20日，星期一

本章介绍各类放大器的设计。设计放大器首先要选择适当的晶体管，在选择了有特定参量的晶体管后，放大器主要通过设计输入输出匹配网络来实现。第2页，共88页，2023年，2月20日，星期一

本章首先讨论放大器的分类和偏置网络；然后对小信号讨论高增益、低噪声和宽带放大器；最后讨论功率放大器和多级放大器。第3页，共88页，2023年，2月20日，星期一

放大器的工作状态和分类8.1放大器的偏置网络8.2小信号放大器的设计8.3功率放大器的设计8.4多级放大器的设计8.5第4页，共88页，2023年，2月20日，星期一8.1放大器的工作状态和分类

8.1.1基于静态工作点的放大器分类 根据静态工作点的不同，放大器可以分为以下4类。第5页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（1）A类放大器（2）B类放大器（3）AB类放大器（4）C类放大器第6页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.1基于静态工作点的放大器分类第7页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.1.2基于信号大小的放大器分类 根据信号大小的不同，放大器可以分为小信号工作模式和大信号工作模式，分述如下。第8页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（1）小信号分析法 当输入交流信号的幅度与恒定偏压值相比是一个小量级时，器件的工作状态近似线性，可以采用小信号分析法。第9页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（2）大信号分析法 当输入交流信号的幅度很大时，交流信号的工作区域会超出器件的线性工作区域，进入非线性工作区域，引起器件非线性工作，这时用大信号分析法。第10页，共88页，2023年，2月20日，星期一

在小信号及大信号这2种不同的工作模式下，放大器的设计方法不同，本章重点讨论小信号放大器的设计方法。第11页，共88页，2023年，2月20日，星期一8.2放大器的偏置网络 偏置网络的设计是直流电路的设计，偏置电路的作用是在特定的工作条件下为放大器提供适当的静态工作点，以保持放大器工作特性的恒定。第12页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.2.1偏置电路与射频电路之间的连接 偏置电路是直流的通路，射频电路是射频交流信号的通路，偏置电路与射频电路是一个放大器中不可分割的两部分，但希望直流的通路与射频交流信号的通路之间能够完全隔离，以消除直流与射频交流信号之间的耦合。第13页，共88页，2023年，2月20日，星期一

为此，偏置电路与射频电路之间的连接可以采取以下3种方案。第14页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（1）在直流源与射频电路之间连接一个电感，即通常所说的射频扼流圈（RFC）。射频扼流圈可以有效阻塞射频信号，但对直流可以视为无损耗通路。第15页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（2）在直流源与射频电路之间连接一个λ/4的阻抗变换器，阻抗变换器的特性阻抗应很高，可以对射频信号产生很高的阻抗。第16页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（3）将一个大电容作为负载接于λ/4阻抗变换器的终端，可以有效地短路可能泄露到偏置电路中的射频信号。大电容在射频频率下呈现短路，经λ/4阻抗变换器后，相当于开路，从而可以隔断射频信号。第17页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.2.2偏置电路的设计 偏置电路有许多设计方法，这里举例说明。考察如图8.2所示的2种偏置电路，图中RFC将射频信号与直流电源隔离开。第18页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.2偏置电路第19页，共88页，2023年，2月20日，星期一

RFC可以更换为λ/4阻抗变换器，这时λ/4阻抗变换器可将大电容CB端口对射频信号的短路状态变换为晶体管端口的开路状态。第20页，共88页，2023年，2月20日，星期一8.3小信号放大器的设计 本节讨论多种小信号放大器的射频电路设计，其中每种放大器都是注重放大器某些方面的特性，如注重增益、噪声系数或带宽等。下面首先给出小信号放大器的设计步骤，然后分别讨论各类小信号放大器的设计。第21页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.3.1小信号放大器的设计步骤（1）根据放大器设计指标的要求，选择合适的晶体管。第22页，共88页，2023年，2月20日，星期一

例如，若设计要求放大器的增益为G，则应选择在要求的频率范围内满足|S21/S12|>G的晶体管；若设计要求放大器的噪声系数为F，则应选择最小噪声系数Fmin<F的晶体管。第23页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（2）确定晶体管的直流工作点。 对双极结型晶体管（BJT），将工作点偏置在IC-VCE曲线的中部；对场效应晶体管（FET），将工作点偏置在ID-VDS曲线的中部。第24页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（3）在直流工作点下，测量晶体管的S参量。 如果没有测量条件，可以参考生产商提供的典型参数值。第25页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（4）在工作频率下，用解析法（k>1，|Δ|<1）检验晶体管的稳定性。 如果晶体管不是绝对稳定，应在史密斯圆图上画出输入和输出稳定判别圆，确定稳定区域。第26页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（5）考察能否使用单向化设计。 若S12=0，可以使用单向化设计；若S12≠0，计算单向化设计误差因子U，如果误差在可允许的范围内，可以使用单向化设计；若S12≠0，但U表明误差超出可允许的范围，使用双向化设计。第27页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（6）设计射频输入、输出匹配网络，以达到下面的设计指标要求。第28页，共88页，2023年，2月20日，星期一

●最大增益放大器 ●固定增益放大器 ●最小噪声放大器 ●低噪声放大器 ●宽带放大器第29页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.3示出了小信号放大器的设计步骤。第30页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.3小信号放大器的设计步骤第31页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.3.2最大增益放大器的设计 最大增益放大器，需要考虑单向化设计和双向化设计2种情况。第32页，共88页，2023年，2月20日，星期一

无论是单向化设计还是双向化设计，都要保证信源与晶体管之间以及晶体管与负载之间达到共轭匹配，这导致ΓS和ΓL的取值是唯一的。当得到ΓS和ΓL后，可以设计输入、输出匹配网络，并可以得到最大增益的数值。第33页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.4例8.1用图第34页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.5例8.2用图第35页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.3.3固定增益放大器的设计 固定增益是小于最大增益的某一特定值。在许多情况下，设计要求达到固定增益而不是最大增益，以便兼顾放大器的其他指标或满足放大器增益的设定值。第36页，共88页，2023年，2月20日，星期一

固定增益放大器的设计需要考虑单向化设计和双向化设计2种情况，下面分别给出设计过程。第37页，共88页，2023年，2月20日，星期一

单向化设计需要根据指标要求分配GS和GL的取值，并根据GS和GL取值画出输入、输出等增益圆。第38页，共88页，2023年，2月20日，星期一

在输入等增益圆上任选满足稳定性的ΓS，在输出等增益圆上任选满足稳定性的ΓL，以此为依据完成输入、输出匹配网络的设计。此时，满足增益要求的ΓS和ΓL可有多种选择，不是唯一的。第39页，共88页，2023年，2月20日，星期一

输入、输出等增益圆分别表示为第40页，共88页，2023年，2月20日，星期一

晶体管双向时，可以采用功率增益法设计放大器。这时需要根据功率增益的值画出等功率增益圆，在任选等功率增益圆上满足稳定性的一个ΓL后，可以计算出Γin，进而利用ΓS=Γin可以计算出ΓS。第41页，共88页，2023年，2月20日，星期一

需要说明的是，当选择了ΓL后，ΓS唯一确定。由ΓS和ΓL可以设计输入、输出匹配网络。等功率增益圆表示为|ΓL－CgP|=rgP第42页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.6例8.3用图第43页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.7例8.4用图第44页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.8例8.5用图第45页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.9例8.6用图第46页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.10例8.7用图第47页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.3.5低噪声放大器的设计 低噪声放大器的设计目标是要在输入端噪声系数不超过给定值的前提下，获得设定的增益。低噪声放大器的设计需要画出等噪声系数圆。等噪声系数圆可以写为|ΓS－CF|=rF第48页，共88页，2023年，2月20日，星期一

第49页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.11例8.8用图第50页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.12例8.9用图第51页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.3.6宽带放大器的设计 带宽为中心工作频率的10%（或更低）的放大器为窄带放大器。例如，中心工作频率为1GHz的窄带放大器，工作频率范围小于950～1050MHz。前面讨论的小信号放大器的设计思路和方法适用于窄带放大器。第52页，共88页，2023年，2月20日，星期一

带宽可以用倍频程表示，一个倍频程是任意一个给定频率f与该频率的2倍（2f）或二分之一（f/2）之间的频率区域。在一个倍频程以上的宽频带范围内，若放大器具有基本平坦的频率曲线和基本平坦的功率增益，可以称为宽带放大器。第53页，共88页，2023年，2月20日，星期一

例如，可以工作在1～2GHz的放大器可以称为宽带放大器。第54页，共88页，2023年，2月20日，星期一

1.宽带放大器的特性随频率而变化 随着工作带宽的增加，放大器晶体管参量和匹配网络的特性将随频率的变化而变化，造成放大器设计复杂化。这些变化主要如下。第55页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（1）晶体管参量S21随频率的升高而下降，下降可达6dB/倍频程。晶体管参量S12随频率的升高而升高，升高可达6dB/倍频程。第56页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（2）稳定性因子k与|S12S21|有关，所以放大器的稳定性取决于|S12S21|随频率的变化。（3）放大器的增益与S参量有关，S参量随频率的变化会影响增益的平坦性。第57页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（4）放大器的噪声与S参量有关，S参量随频率的变化会影响噪声系数。（5）放大器输入、输出匹配网络的特性随频率变化。第58页，共88页，2023年，2月20日，星期一

2.宽带放大器的设计方法 由于宽带放大器带来了上述问题，必须对宽带放大器的设计给予特殊考虑。第59页，共88页，2023年，2月20日，星期一

宽带放大器的设计目标是在工作宽带内获得相对平坦的功率增益，而不再是获得最大功率增益，这是以牺牲功率增益来换取宽频带内功率增益的平坦性。宽带放大器的设计方法是多样的，可以采取以下4个方法设计。第60页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（1）补偿匹配网络。（2）平衡放大器。（3）负反馈。（4）分布放大器。第61页，共88页，2023年，2月20日，星期一

3.宽带放大器的设计举例（1）补偿匹配网络（2）平衡放大器第62页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.13例8.10用图第63页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.14平衡放大器第64页，共88页，2023年，2月20日，星期一8.4功率放大器的设计 前面只讨论了小信号放大器。小信号放大器输入信号功率足够小，可以假定晶体管是线性器件，此时放大器的设计是基于小信号的S参量进行的。第65页，共88页，2023年，2月20日，星期一

功率放大器是大信号放大器。由于信号幅度比较大，晶体管时常工作于非线性区域，在这种情况下，小信号S参量本身对大信号放大器通常失效，此时需要求出晶体管大信号时的相应参数，以便得到放大器的合理设计。第66页，共88页，2023年，2月20日，星期一

功率放大器可以设计为A类放大器、AB类放大器、B类放大器或C类放大器。当工作频率大于1GHz时，常使用A类功率放大器。下面讨论A类功率放大器的设计及交调失真。第67页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.4.1A类放大器的设计

1.大信号下晶体管的特性参数（1）1dB增益压缩点 小信号线性功率增益记为G0dB，1dB增益压缩点相应的增益记为G1dB，即

G1dB=G0dB－1dB（8.20）第68页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.15功率放大器输入功率与输出功率的关系第69页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（2）动态范围DR

相对于最小输入可检信号功率Pin,mds，相应的最小输出可检信号功率Pout,mds必须大于噪声功率方可检测到。第70页，共88页，2023年，2月20日，星期一

为检测得到输出信号，假定Pout,mds比输出热噪声PNo高XdB(通常XdB取3dB)。功率放大器的动态范围定义为

DR=Pout,1dB－Pout,mdsdB（8.23）第71页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（3）ΓSP和ΓLP ΓSP和ΓLP是晶体管在1dB增益压缩点时源和负载的反射系数。第72页，共88页，2023年，2月20日，星期一

（4）等功率线 在史密斯圆图上，作为负载反射系数ΓLP的函数的等输出功率点，构成等功率线。由于晶体管的非线性，等功率线通常不是圆。第73页，共88页，2023年，2月20日，星期一

2.A类功率放大器的设计（1）利用小信号S参量设计（2）利用大信号S参量设计（3）利用ΓSP和ΓLP设计（4）利用等功率线设计第74页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图8.16例8.11用图第75页，共88页，2023年，2月20日，星期一

8.4.2.交调失真

1.三阶截止点IP

在非线性放大器的输入端加2个或2个以上频率的正弦信号时，在输出端会产生附加频率分量，这会引起输出信号的失真。第76页，共88页，2023年，2月20日，星期一

由图8.17可以看出，三阶交调输出功率随输入功率变化的斜率为3，线性产物输出功率随输入功率变化的斜率为1，说明当输入功率增大时，三阶交调输出功率比线性产物输出功率增长得快。第77页，共88页，2023年，2月20日，星期一

图中延伸三阶交调与线性产物的线性区，可以得到2条曲线的假想交叉点，这个假想交叉点称为三阶截止点IP，IP点的输出功率值为PIP。